體育器材中碳纖維材料的加固粘接方法研究

張 輝

（陜西工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，陜西咸陽(yáng)712000）

在體育產(chǎn)業(yè)當(dāng)中，體育設(shè)施和器材生產(chǎn)是基礎(chǔ)和關(guān)鍵。傳統(tǒng)的體育器材多是采用鋼鐵或木材制造，存在重量重、性能差、安全性低、價(jià)格高等問(wèn)題，并不能很好輔助民眾完成鍛煉[1]。對(duì)于這一問(wèn)題，隨著塑料制品的生產(chǎn)與普及，以塑料為原料的體育器材逐漸取代原有體育器材生產(chǎn)材料，用于體育器材的生產(chǎn)與制造當(dāng)中，在一定程度上提高了其性能，但是人們很快發(fā)現(xiàn)，單純的塑料強(qiáng)度低，在使用過(guò)程中，受到較大的力時(shí)，容易發(fā)生斷裂現(xiàn)象，增強(qiáng)了使用者的運(yùn)動(dòng)風(fēng)險(xiǎn)，且塑料制品還不耐光照，長(zhǎng)時(shí)間暴露在強(qiáng)光照下，材質(zhì)會(huì)變得非常脆，因此使用壽命并不是很長(zhǎng)。在此情況下，如何在保證塑料體育器材的原有性能的情況下，解決其存在的問(wèn)題成為研究的重點(diǎn)[2]。

碳纖維材料是一種以碳元素為主要元素的纖維材料，具有質(zhì)輕、強(qiáng)度大、模量高、耐腐蝕等特點(diǎn)，可以極大彌補(bǔ)純塑料的多種性能缺陷，提高其性能[3]。為此，本文研究一種體育器材中碳纖維材料的加固粘接方法。該方法研究分為三部分：首先進(jìn)行碳纖維材料分析與選取，然后分析碳纖維材料加固粘接體育器材的工藝流程，最后進(jìn)行性能分析，探討加固后體育器材中碳纖維材料的性能。

1 體育器材中碳纖維材料的加固粘接方法研究

在當(dāng)今社會(huì)，體育健身成為人們的一種新的生活方式，與此同時(shí)體育事業(yè)也相應(yīng)得到了快速發(fā)展，衍生了更多的體育需求。當(dāng)前體育器械主要材料多是以塑料為主，受其材料性能限制，已經(jīng)無(wú)法滿足人們的需求，因此碳纖維材料的出現(xiàn)和發(fā)展為這一問(wèn)題提供了解決思路。碳纖維材料不僅自重輕強(qiáng)度高，在可設(shè)計(jì)性、破損安全性能以及疲勞強(qiáng)度方面都表現(xiàn)出色，在保留塑料原有優(yōu)秀性能的基礎(chǔ)上，極大彌補(bǔ)了存在的性能缺陷[4]。碳纖維材料的加固原理如下：以原始體育器材（塑料）為基體相、以碳纖維作為增強(qiáng)相，二者通過(guò)某種工藝有效地結(jié)合在一起，獲得碳纖維和塑料的雙重特性，通過(guò)協(xié)同作用，基體相的綜合性能得到明顯提升。

1.1 試驗(yàn)部分

1.1.1 試驗(yàn)原料

（1）碳纖維材料

碳纖維是一種采用高溫分解法去除有機(jī)母體纖維中除碳以外的所有元素而制成的新型加固材料[5]。目前常用的表現(xiàn)形式為碳纖維布、碳纖維板。它們的區(qū)別在于三個(gè)方面：在特征方面，與布類似，重量輕、厚度薄、質(zhì)地軟，可隨意裁剪，由碳絲編織成；碳纖維板則通過(guò)碳纖維原絲與樹(shù)脂硬化而成的碳纖維復(fù)合材料，類似于鋼板，不易剪裁、質(zhì)地也更硬。在強(qiáng)度方面，粘貼一層碳纖維板的效果等于粘貼4～8層碳纖維布。在施工方面，粘貼碳纖維布需要進(jìn)行涂刷底膠和面膠，碳纖維板則不需要進(jìn)行這些工序，因此碳纖維布施工操作較碳纖維板簡(jiǎn)單，對(duì)施工環(huán)境要求井不太嚴(yán)苛[6]。本文試驗(yàn)中選擇I-200碳纖維布作為試驗(yàn)基礎(chǔ)碳纖維材料。該碳纖維布原始性能參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 I-200碳纖維布性能參數(shù)Table 1 I-200 carbon fiber cloth performance parameters

（2）粘接材料

在體育器材中碳纖維材料的加固粘接工藝，除了碳纖維材料外，其配套的膠粘劑也很重要。碳纖維材料的加固粘接中一般用到三種膠粘劑：底膠、找平膠、浸潤(rùn)膠[7]。

底膠：涂于體育器材表面，具有一定的滲透作用。當(dāng)?shù)啄z干結(jié)后，會(huì)形成硬化層，有利于隔斷基層潮氣，防止后期找平膠和浸潤(rùn)膠涂膜起泡脫落，提高碳纖維材料與體育器材的黏結(jié)強(qiáng)度，使碳纖維材料不易發(fā)生剝離現(xiàn)象。

找平膠：當(dāng)待加固的體育器材表面因使用不當(dāng)?shù)群笃谝蛩乇砻娉霈F(xiàn)不平整時(shí)，要用找平膠進(jìn)行修復(fù)，以便使碳纖維能夠與體育器材表面緊緊貼合。

浸潤(rùn)膠：最上層膠水，起到碳纖維材料與體育器材粘結(jié)在一起的作用。

本試驗(yàn)中底膠、找平膠和浸潤(rùn)膠等三種膠粘劑配置材料見(jiàn)表2。

表2 三種膠粘劑配置材料Table 2 Three adhesive configuration materials

1.1.2 試驗(yàn)設(shè)備

本試驗(yàn)中所需要的主要設(shè)備見(jiàn)表3。

表3 試驗(yàn)設(shè)備Table 3 Test equipment

1.2 試驗(yàn)過(guò)程

體育器材中碳纖維材料的加固粘接工藝流程如圖1所示。

圖1 加固粘接工藝流程Fig.1 Reinforcement bonding process

如圖1所示，加固粘接工藝的具體流程為：

步驟1：體育器材處理。在進(jìn)行加固前，需要對(duì)待加固體育器材表面進(jìn)行處理，包括清洗、平整、修補(bǔ)和打磨等。

（1）清洗。使用過(guò)的體育器材表面會(huì)存在一些污垢，若不去除，會(huì)影響與碳纖維材料的粘合度，因此需要利用丙酮對(duì)體育器材表面進(jìn)行反復(fù)擦洗。

（2）平整。體育器材在使用過(guò)程中難免會(huì)因?yàn)椴划?dāng)操作行為出現(xiàn)缺陷，導(dǎo)致器材與碳纖維材料無(wú)法緊密貼合，所以需要利用配置好的找平膠進(jìn)行缺陷填補(bǔ)。找平膠配比方案為環(huán)氧樹(shù)脂∶液體橡膠∶縮胺=2:5:3。

（3）修復(fù)。體育器材在使用過(guò)程中因受力過(guò)重可能會(huì)出現(xiàn)裂紋，因此需要進(jìn)行修補(bǔ)。當(dāng)裂縫小于0.2nm時(shí)，使用環(huán)氧樹(shù)脂進(jìn)行涂刷密封即可；當(dāng)裂縫大于0.2nm時(shí)，需要使用環(huán)氧樹(shù)脂灌進(jìn)縫隙中進(jìn)行填補(bǔ)[8]。

（4）打磨。為了發(fā)揮底膠的作用以及消除體育器材凸出缺陷，需要利用砂輪機(jī)打磨平整，提高底膠與體育器材的粘合度。

步驟2：配制底層用膠并涂敷。

（1）配制底膠。采用配套底膠按一定比例將主劑與固化劑放置入容器內(nèi)，并攪拌均勻，完成配制底膠。具體配置方案為：環(huán)氧樹(shù)脂∶液體橡膠∶復(fù)配改性胺=4∶5∶1。

（2）底膠涂刷。采用滾筒刷將底膠均勻涂抹在體育器材的表面，一般厚度要小于等于0.4mm，并注意不要出現(xiàn)漏涂、流淌或氣泡現(xiàn)象。

（3）注意事項(xiàng)。最佳干燥時(shí)間為10min～30min；當(dāng)?shù)啄z表面指觸干燥后，立即進(jìn)行下一工序；涂底膠時(shí)，適宜溫度為5℃以上，適宜濕度為85%RH以下；底膠固化后，用砂輪機(jī)將凸起不平處磨平，為下道工序作好準(zhǔn)備[9]。

（1）配制浸潤(rùn)膠。按照配比方案（環(huán)氧樹(shù)脂∶液體橡膠∶復(fù)配改性胺∶改性脂肪族聚胺∶芳香胺固化劑=3:3:1:2:1）配制浸潤(rùn)膠，并使用低速攪拌器按順時(shí)針一個(gè)方向攪拌，直至顏色均勻，無(wú)氣泡產(chǎn)生，并應(yīng)防止灰塵等雜質(zhì)混入。

（2）浸潤(rùn)膠涂刷。與底膠涂刷方式相同。

步驟4：碳纖維材料剪裁并粘接。

（1）首先根據(jù)待加固的體育器材剪好所需尺寸的碳纖維材料。

（2）在體育器材上涂刷配制好的浸潤(rùn)膠，做到涂刷穩(wěn)、準(zhǔn)、勻的要求[10]。

（3）將剪好的碳纖維材料平整的鋪在涂有浸潤(rùn)膠的體育器材上，并用橡皮或塑料的刮析輕刮數(shù)次。

傳統(tǒng)初中英語(yǔ)閱讀教學(xué)往往是教師指定閱讀對(duì)象，學(xué)生主體性體現(xiàn)有限，不能體現(xiàn)個(gè)性化發(fā)展，學(xué)生閱讀興趣也難以得到提高。面對(duì)這一教學(xué)問(wèn)題，教師可以將閱讀學(xué)習(xí)開(kāi)放化，除教材必修內(nèi)容外，鼓勵(lì)學(xué)生自己尋找閱讀材料，可以是互聯(lián)網(wǎng)上的新聞，可以是好的英文文章，甚至可以是電影字幕，只要落到實(shí)處，達(dá)到閱讀學(xué)習(xí)目的即可。通過(guò)如此開(kāi)放化的閱讀學(xué)習(xí)方式，學(xué)生學(xué)習(xí)積極性能夠得到進(jìn)一步解放，從而實(shí)現(xiàn)教學(xué)有效性的提高。

（4）粘完后，利用壓力機(jī)從一端向另一端滾壓碳纖維材料，且不宜在一個(gè)部位反復(fù)滾壓揉搓，讓浸潤(rùn)膠浸透且擠出氣泡[11]。

（5）當(dāng)需要多層粘貼時(shí)，利用干燥機(jī)進(jìn)行干燥，待上層碳纖維布表面指觸感干燥后，再進(jìn)行下一層碳纖維布的粘貼[12]。

步驟5：固化。

（1）等待干燥過(guò)程中，要注意防雨淋，防風(fēng)沙，防止硬物碰傷粘接表面[13-15]。

（2）固化時(shí)間至少3～7天。

（3）固化后，在碳纖維材料表面均勻涂抹一層粘結(jié)劑，作為碳纖維材料的保護(hù)層。

步驟6：質(zhì)檢。

（1）碳纖維材料的實(shí)際粘貼位置與設(shè)計(jì)位置之間的偏差應(yīng)≤10mm。

（2）碳纖維材料與體育器材之間的總有效粘接面積應(yīng)≥95%[16]。

（3）粘貼空鼓率≤5%，且單個(gè)空鼓面積≤100cm2。

1.3 測(cè)試結(jié)果分析

1.3.1 膠粘劑性能

膠粘劑性能直接關(guān)系著粘接的牢固程度，因此在三種膠粘劑配置完成后，需要按照GB/T 2794-1981，在室溫條件下，自動(dòng)測(cè)量三種膠粘劑的相關(guān)性能參數(shù)。室溫20℃，每種膠粘劑測(cè)試 5 次，取平均值，單位為MPa。膠粘劑性能見(jiàn)表4。

表4 膠粘劑性能（MPa）Table 4 Adhesive properties (MPa)

從表4中可以看出，本試驗(yàn)中制備的膠粘劑各項(xiàng)性能均滿足規(guī)定的要求，因此可以用于體育器材中碳纖維材料的加固粘接。

1.3.2 粘接強(qiáng)度

在加固粘接完成后，利用WDW-2020電子萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行碳纖維材料粘接強(qiáng)度測(cè)試。為保證試驗(yàn)結(jié)果準(zhǔn)確性，測(cè)試 5 次，取平均值，單位為 MPa。粘接強(qiáng)度結(jié)果如圖2所示。

圖2 粘接強(qiáng)度Fig.2 Bonding strength

從圖2可以看出，隨著拉力的不斷增大，粘接強(qiáng)度逐漸減小。當(dāng)拉力達(dá)到83N時(shí)，碳纖維材料與膠粘劑幾乎分離，失去效用，說(shuō)明碳纖維材料樣本承受的最大拉力極限為83N左右。

1.3.3 疲勞強(qiáng)度

碳纖維材料加固粘接后也并不保證體育器材不會(huì)發(fā)生損壞，只是可以延長(zhǎng)使用壽命，因此疲勞強(qiáng)度變化情況會(huì)在一定程度顯示碳纖維材料加固粘接性能。靜載荷強(qiáng)度初始值設(shè)置為0.5kN，初始頻率設(shè)置為90Hz，每種工況下測(cè)試5次，取平均值。疲勞強(qiáng)度結(jié)果見(jiàn)表5。

表5 疲勞強(qiáng)度Table 5 Fatigue strength

由表5可知，碳纖維材料加固粘接后，當(dāng)靜載荷強(qiáng)度為2.4kN，初始頻率為156 Hz時(shí)，材料達(dá)到疲勞極限，一旦超過(guò)這個(gè)限值就會(huì)發(fā)生斷裂。

1.3.4 耐水性

碳纖維材料加固粘接后，一旦接觸到潮濕環(huán)境就有可能存在開(kāi)膠現(xiàn)象，因此將粘接后的碳纖維材料樣本放入到溫室條件下的水中浸泡，然后記錄開(kāi)膠時(shí)間，判斷粘接處的耐水性。從耐水性上可以反映粘接的加固程度。耐水性測(cè)試結(jié)果見(jiàn)表6。

表6 耐水性Table 6 Water resistance

由表6可以看出，浸水86h后，加固粘接后的碳纖維材料完全開(kāi)膠?，F(xiàn)實(shí)情況中，體育器材中碳纖維材料不可能一直處在濕潤(rùn)環(huán)境中，因此粘接加固后完全能夠滿足現(xiàn)實(shí)需要。

2 結(jié)語(yǔ)

綜上所述，隨著全民健身活動(dòng)的展開(kāi)，體育產(chǎn)業(yè)得到了蓬勃發(fā)展，尤其是體育器材的設(shè)計(jì)與生產(chǎn)，更是適時(shí)在更新?lián)Q代，滿足了人們的鍛煉需求。碳纖維材料的使用是體育器材領(lǐng)域的一項(xiàng)重大變革與突破，解決了以往純塑料體育器材存在的性能缺陷。為此，本文對(duì)碳纖維材料的價(jià)格粘接方法進(jìn)行了研究。經(jīng)測(cè)試結(jié)果，證明碳纖維材料能有效提高體育器材性能。