高性能高順式聚異戊二烯乒乓球拍面橡膠的配方設(shè)計與制備

劉曉濤

摘 要：高順式聚異戊二烯在體育用品中應(yīng)用比較廣泛。乒乓球拍面橡膠的基礎(chǔ)材料要能夠提供給拍面橡膠高彈性、耐老化性、高粘性等優(yōu)良性能。高順式聚異戊二烯橡膠在關(guān)于輪胎方面的研究己經(jīng)有著很久的歷史，其配方設(shè)計及工藝研究已經(jīng)較為成熟，但是在乒乓球拍面橡膠方面還沒有較為系統(tǒng)的標準。 本文以高順式聚異戊二烯和配合劑的種類為探討對象，并詳細的研究了橡膠、促進劑的配比和加工工藝對乒乓球拍橡面膠性能的影響。

關(guān)鍵詞：高順式聚異戊二烯；乒乓球拍；設(shè)計

國際乒聯(lián)要求新塑料球一律采用“40+”的標注方法，與之前的“40”區(qū)分，這意味著乒乓球由此進入了“40+時代”。隨著乒乓球運動的不斷發(fā)展，乒乓球的速度越來越快，旋轉(zhuǎn)越來越強，這對乒乓球器材的質(zhì)量及規(guī)格要求也越來越高。乒乓球拍由底板、拍面橡膠和海綿三部分組成，三者的合理搭配決定了一塊球拍的質(zhì)量。其中乒乓球拍橡面膠物理性質(zhì)在很大程度上影響著一塊球拍的質(zhì)量，對于乒乓球拍面橡膠制品的生產(chǎn)，在選擇合適的膠種的基礎(chǔ)上，通過合理的調(diào)節(jié)橡膠配合和生產(chǎn)工藝，從而獲得具有最佳性能的制品。

1.高順式聚異戊二烯

通常我們所說的高順式聚異戊二烯，是指從巴西橡膠樹上采集的天然膠乳，經(jīng)過凝固、干燥等加工工序而制成的彈性固狀物。高順式聚異戊二烯是一種以順-1，4-聚異戊二烯為主要成分的天然高分子化合物，其橡膠烴（順-1，4-聚異戊二烯）含量在90%以上，還含有少量的蛋白質(zhì)、脂肪酸、糖分及灰分等。一般為片狀固體，相對密度0.94，折射率1.522，彈性模量2～4MPa，130～140℃時軟化，150～160℃粘軟，200℃時開始降解。常溫下有較高彈性，略有塑性，低溫時結(jié)晶硬化。有較好的耐堿性，但不耐強酸。不溶于水、低級酮和醇類，在非極性溶劑如三氯甲烷、四氯化碳等中能溶脹。 高順式聚異戊二烯是一種非極性大分子，在常溫下具有高彈性，受熱時逐漸變軟。具有優(yōu)良的介電性能、良好的自粘性、優(yōu)良的彈性、很好的耐屈撓性等優(yōu)點。但是它的分子結(jié)構(gòu)中的不飽和雙鍵使其易進行氧化、加成等反應(yīng)，耐老化性能不佳。總體來說，高順式聚異戊二烯具有一系列突出的寶貴性能，特別是高彈性和工藝加工性能較為優(yōu)異，現(xiàn)代科學研究結(jié)果已經(jīng)證明，普通的高順式聚異戊二烯是異戊二烯聚合而成。

2.乒乓球拍面橡膠的加工配合

橡膠的配合是指根據(jù)成品的性能要求，考慮加工工藝性能和成本因素，將生膠與各種配合劑組合在一起的過程。一般配合都包括生膠、硫化體系、補強填充體系、防護體系和增塑體系，有時還包括其他配合體系。上述各體系進一步細分還會有許多品種及類別，且各自的作用機理及使用要領(lǐng)不同，要想獲得力學性能、耐久性優(yōu)異的乒乓球拍面橡膠，在橡膠的五大配合體系中硫化體系和補充填料體系的影響是最顯著的。

3. 研究內(nèi)容

采用天然橡膠作為主膠料制備乒乓球拍面橡膠，通過改變硫化體系研究配方性能，確定最優(yōu)硫化體系，這主要研究硫磺用量對拍面橡膠性能的影響和通過改變補強體系研究配方性能，確定最優(yōu)填料種類，這主要研究碳酸鎂、高嶺土、碳酸鈣、硅藻土、白炭黑這等五種填料對拍面橡膠性能的影響。

4.高性能40+拍面膠的制備研究

4.1主要原料

本文使用的材料，全部由學校提供，主要有：高順式聚異戊二烯，碳酸鋅，SA，MB，防老劑264，甘油，促進劑M，促進劑TMTD，寶紅，硫磺，碳酸鎂，碳酸鈣，高嶺土，硅藻土，白炭黑。

4.2主要儀器與設(shè)備

主要儀器設(shè)備見表1

4.3 試樣制備

實驗步驟：準備高順式聚異戊二烯→稱量填料→打開開煉機→天然膠翻練→加入填料混練→割膠打三角包→壓片，壓片之后均分成5份，標號1，2，3，4，5硫磺用量分別為2.1g，2.52g，2.94g，3.36g，3.78g。然后重復(fù)煉膠過程，分別出片。待硫化。

用該配方煉等量的膠5份，分別加入碳酸鎂49g，高嶺土49g，碳酸鈣49g，硅藻土49g，白炭黑28g繼續(xù)進行煉膠，重復(fù)開煉機煉膠步驟，出片保存，待硫化。

開煉機使用注意事項：a、打開開煉機前必須查看電路（電流電壓等）、油路（減速機、軸承等潤滑）、水路等是否正常！然后戴好皮革護手腕（嚴禁戴手套作業(yè)），混煉操作要戴口罩，避免腰系繩、帶、40+拍面膠等，嚴禁披衣操作。仔細查看大小齒輪及輥筒間有無雜物。每班首次開車，必須測試緊急剎車裝置，檢查制動是否靈敏可靠（如是膝碰式裝置，一定要習慣把膝蓋接觸到剎車裝置），正常操作時嚴禁用緊急剎車裝置關(guān)車。如兩人以上共同操作時，必須相互呼應(yīng)，確認無任何危險后，方可開車。b、輥筒預(yù)熱升溫要掌握溫升速度，尤其是在北方寒冷的冬季，輥筒外部與室溫相一致，輥內(nèi)突然通入高溫蒸汽，內(nèi)外溫差可能在120℃以上，溫差造成輥筒應(yīng)力可達到130.0～～I 50.OMPa，這已超過鑄鐵的U.1= 140.OMPa。如再過早的加上膠料，在橫壓力的疊加作用下，輥簡非常容易受到破壞。為了安全起見，應(yīng)當空車預(yù)熱，同時進行空車加油潤滑，升溫至或接近溫度設(shè)定值時再投料，需向操作人員突出強調(diào)。c、投料前對膠料也應(yīng)檢查，若混有硬的金屬雜物，隨膠投入煉膠機，致使橫壓力突然加大，會造成設(shè)備損壞。

硫化步驟：

清理模具→預(yù)熱硫化機→預(yù)熱模具→稱膠料→放料→閉合模具→保溫保壓硫化→開啟模具，取出硫化膠片。硫化試片冷卻后，在室溫環(huán)境中停放24小時之后進行制樣和性能測試。

4.4測試方法

（1）硬度測試

利用邵氏硬度計來測試硬度，試樣厚度應(yīng)不小于5mm，讀數(shù)時，當壓針平穩(wěn)而無沖擊與試樣完全接觸，并使負荷砝碼離開托架15秒后立即讀數(shù)，如規(guī)定要瞬時讀數(shù)，則在下壓板與試樣完全接觸后1秒內(nèi)讀數(shù)。以不用點測量的5次硬度值得算數(shù)平均值為結(jié)果。

（2）拉伸性能測試

利用電子拉力機測試拉伸性能。

a.順序開啟主機、電腦系統(tǒng)，運行測試系統(tǒng)程序；

b.選擇測試方法以及報告格式；

c.輸入試件規(guī)格，確定測試速度；

d.將試件順序放置在上下夾具之間；

e.鼠標點擊測試，實驗開始；

f.待到達試樣斷裂（或達到極限值），機臺自動回位，取出試樣；

g.做完一組試驗后，打印圖表；

h.順序關(guān)閉測試系統(tǒng)程序、電腦系統(tǒng)、主機電源。

（3）回彈性能測試

a.調(diào)整試驗機呈水平位置，將試樣平穩(wěn)的夾在夾持器上，使擺錘同試樣表面呈剛接觸狀態(tài)（相切）；

b.抬起擺錘至水平位置，并用機架上的掛鉤掛住，將指針調(diào)至零位；

c.松開掛鉤，擺錘自由落下沖擊試樣，對試樣進行不少于3次但不多于7次的連續(xù)沖擊，不記錄回彈值，作為機械調(diào)節(jié)；

d.在進行機械調(diào)節(jié)后，沖擊一次并讀取回彈值，每個試樣測定3個點，各點之間距離不小于10mm，取三點數(shù)值的中間值表示一個試樣的回彈性，兩個試樣中值的算術(shù)平均值作為該試樣的測試結(jié)果。

（4）摩擦系數(shù)測定

a.順序開啟主機、電腦系統(tǒng)，運行測試系統(tǒng)程序；

b.選擇測試方法以及報告格式；

c.輸入試件規(guī)格，確定測試速度；

d.將試樣用雙面膠粘在測試板上，鼠標點擊測試，實驗開始；

e.待到達到最遠行程之后（或達到極限值），結(jié)束測試，點擊使機臺自動回位，取下試樣；

f.做完一組試驗后，打印圖表；

g.順序關(guān)閉測試系統(tǒng)程序、電腦系統(tǒng)、主機電源

5.結(jié)果分析與討論

5.1硫磺變量測試結(jié)果

從圖1中可以看出，隨著硫磺用量的不斷增加，試樣的拉伸強度逐漸增加，40+拍面膠的性能越好，等增加到3.36g后，繼續(xù)增加硫磺的用量，拉伸強度變化不大，說明硫磺用量有最佳值，一味增加并不能使拉伸性能越來越好。

從圖2中可以看出，隨著硫磺用量的增加，回彈性能整體呈上升趨勢，中間有所波動，當硫磺用量為3.78g時，回彈性能最好。可以看出回彈性能跟硫磺的用量無類線性關(guān)系，有極大值，總體是隨著硫磺用量的增加回彈性能越來越好。

從圖3中可以看出，隨著硫磺用量的增加，試樣硬度呈上升趨勢。中間有平緩期，說明硬度的變化對硫磺用量不敏感，用量變化較大時，會出現(xiàn)明顯的硬度變化，在硫磺用量達到3.36時，硬度最大，說明硫磺對增強40+拍面膠的硬度有明顯作用。

從圖4中可以看出，隨著硫磺用量的增加，試樣的動摩擦力呈現(xiàn)先增加后減小的趨勢，在用量為3.36時取得一極值。說明硫磺對于40+拍面膠的摩擦性能有影響，隨著用量的增加，摩擦性能變好，過量時，摩擦性能下降，并不是硫磺越多，性能越好，有最佳用量。

從圖5中可以看出，選用碳酸鎂作為補強填充體系時，拍面橡膠的拉伸強度最大，拉伸性能最好；選用碳酸鈣作為補強填充體系時，拍面橡膠拉伸強度也比較好；選用硅藻土作為補強填充體系時，拍面橡膠的拉伸強度最低。

從圖6中可以看出，選用硅藻土作為補強填充體系時，回彈性能較為突出，拍面橡膠的彈性較好。

從圖7中可以看出，選用硅藻土作為補強填充體系時，硬度較大；選用碳酸鎂作為補強填充體系時，硬度太低。

從圖8中可以看出，選用硅藻土作為補強填充體系時，拍面橡膠的動摩擦力較大；而選用白炭黑作為補強填充體系時，拍面橡膠的動摩擦力太小。

5.2小結(jié)

通過實驗高順式聚異戊二烯制備高檔球拍40+拍面膠，研究了不同填料和硫磺用量對膠料性能的影響，發(fā)現(xiàn)采用高順式聚異戊二烯140份，硫磺3.36份時，此時膠料相容性最好，膠料的拉伸強度、拉斷伸長率最大；采用碳酸鈣填料時，膠料的綜合力學性能較好。

6 結(jié)論與展望

6.1結(jié)論

（1）高性能乒乓球拍40+拍面膠的配方（質(zhì)量份）：高順式聚異戊二烯100，碳酸鋅2.5，SA 0.5，MB 0.5，防老劑264 1，甘油1，促進劑M 0.4，促進劑TMTD 0.1，寶紅 0.1，硫磺2.4；該配方制得的硫化膠在拉伸強度、拉斷伸長率、硬度、摩擦性能都有顯著地提升。

（2）高性能乒乓球拍40+拍面膠膠料的硫化工藝：硫化溫度135攝氏度，硫化時間8分鐘。

（3）適量的加入碳酸鈣填料對膠料的強度有明顯提升，可以降低生產(chǎn)成本，但不能加入太多，碳酸鈣過量會影響40+拍面膠的彈性。

6.2存在的問題及展望

高性能乒乓球拍40+拍面膠在不影響力學性能的前體下，適當添加一些填料，降低成本，選擇環(huán)保型的促進劑或者可溶性硫磺降低環(huán)境污染及工業(yè)危害；還可以適當加入交聯(lián)劑解決噴霜問題。

乒乓球的打法分為很多種，包括：直＼橫拍兩面反膠打法，直＼橫拍兩面正膠，長膠。每種打法都有其獨特的優(yōu)勢，因此乒乓球拍面橡膠的研究與發(fā)展道路仍然很漫長。

6.3環(huán)保問題

本實驗所有采用的原料以及工藝流程都是環(huán)保無污染的，所有操作在按照正規(guī)操作程序下也都是安全的，環(huán)保和安全問題是第一位的。

（作者單位：青島科技大學，山東 青島 266061）