天然橡膠復(fù)合材料籃球鞋用料制備及性能研究

徐思丹

（陜西學(xué)前師范學(xué)院，西安710000）

0 引言

籃球鞋鞋底由多種材料而制，其中使用較為廣泛且能達(dá)到一定舒適性的材料則是天然橡膠復(fù)合材料。天然橡膠自身高彈性、耐腐蝕、絕緣化、高減震等特征讓其占據(jù)優(yōu)勢(shì)地位；而與天然橡膠復(fù)合而成的材料其耐磨性更勝一籌，從而保證籃球鞋的使用壽命。為減少或避免籃球運(yùn)動(dòng)員腳部關(guān)節(jié)受損，文章對(duì)籃球鞋結(jié)構(gòu)及其性能展開研究、研發(fā)一款新型采用天然橡膠復(fù)合材料的高性能籃球鞋。

1 天然橡膠復(fù)合材料制備實(shí)驗(yàn)

1.1 實(shí)驗(yàn)用料制備

在天然橡膠復(fù)合材料制備實(shí)驗(yàn)中充分表明實(shí)驗(yàn)結(jié)果，需要用到全乳膠天然橡膠、氯化下基橡膠1066、純度為92%的碳納米管、C9型號(hào)石油樹脂等。以上材料為本次實(shí)驗(yàn)主要研究對(duì)比對(duì)象，其型號(hào)及規(guī)格選擇需按實(shí)驗(yàn)要求完成，材料名稱、規(guī)格等如表1所示。

表1 實(shí)驗(yàn)研究主要原料Tab.1 Main raw materials of the experimental study

1.2 材料制備實(shí)驗(yàn)過程

首先將純凈NR 或純CIIR 在雙棒混合機(jī)中塑化2min；其次將ZnO、MgO、TMTD、硬脂酸、CZ、S、DM、CB 與石油樹脂融合15min，準(zhǔn)備片劑制備[1]。NR/CIIR 共混物主要橡膠包括純NR 與純CIIR，是采用相同方法制備而成。將所有化合物融合溫度控制在50°C 以下，制備過程中規(guī)定材料融合時(shí)間為10min，并在融合開始后5min 之內(nèi)完成兩種共混物融合，待所有化合物融合完畢后，將橡膠材料在干燥環(huán)境中放置24h后再對(duì)其進(jìn)行性能測(cè)試。使用硫化機(jī)對(duì)硫化膠進(jìn)行性能測(cè)定，硫化橡膠的硫化溫度及固化時(shí)間分別為135℃、T90+2min；最后使用紅外測(cè)試儀對(duì)硫化膠性能進(jìn)行測(cè)試。基于天然橡膠具有穩(wěn)定機(jī)械性能，所以對(duì)不同橡膠機(jī)械性能進(jìn)行對(duì)比分析，表2 為純CR及純CIIR的配方[2]。

表2 純CR及純CIIR配方Tab.2 Formula of pure CR and pure CIIR

根據(jù)表2 中材料相應(yīng)值，通過熔爐提取基礎(chǔ)橡膠。測(cè)試結(jié)果顯示，NR最大扭矩大于CIIR橡膠，而最小扭矩與之相反。在圖1可以看出，隨著CIIR橡膠容量增多，共混物最大及最小扭矩并未出現(xiàn)明顯異常[3]。導(dǎo)致此結(jié)果發(fā)生重要原因是在硫化過程中，混合物中發(fā)生添加劑轉(zhuǎn)移現(xiàn)象；另一原因則是CIIR橡膠及NR硫化體系與類型存在差異，因此該實(shí)驗(yàn)最大扭矩與最小扭矩不會(huì)隨硫化速度、硫化時(shí)間變化而變化。純NR、純CIIR及NR/CIIR混合物應(yīng)力-應(yīng)變曲線，如圖1所示。

圖1 純NR、純CIIR及NR/CIIR共混物應(yīng)力應(yīng)變曲線Fig.1 Stress-strain curves of pure NR，pure CIIR and NR/CIIR blends

分析NR/CIIR 共混物向行為之前，優(yōu)先選擇沒有任何干擾因素的獨(dú)立峰位置開展實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)中，研究對(duì)象為835cm-1處吸收光譜NR拉伸方向與在1240cm-1處吸收光譜CIIR拉伸方向[4]。在偏振紅外光譜中能夠看出：當(dāng)未拉伸NR時(shí)，NR的平行及垂直紅外光譜未發(fā)生改變；拉伸NR 后，紅外光譜圖發(fā)生明顯改變，垂直紅外光譜圖吸光度為834cm-1，與平行紅外光譜圖吸光度相比前者較大，差值隨拉伸度增加而擴(kuò)大；此外，由于應(yīng)變因素引起結(jié)晶現(xiàn)象發(fā)生，應(yīng)變數(shù)值逐漸擴(kuò)大，NR 對(duì)應(yīng)峰位也隨之移動(dòng)。在不同應(yīng)變條件下，CIIR的平行紅外光譜與垂直紅外光譜之間未出現(xiàn)明顯變化。

由此便可得出結(jié)論：分子鏈?zhǔn)欠窬邆渫暾?、分子鏈結(jié)晶屬性是否明顯都會(huì)對(duì)橡膠應(yīng)變誘導(dǎo)結(jié)晶現(xiàn)象產(chǎn)生影響。NR 拉伸結(jié)晶具備力學(xué)性質(zhì)歸結(jié)于其具有統(tǒng)一、整齊排列方式的順式聚異戊二烯分子鏈，其也是天然橡膠具有抗拉伸性能的主要原因[5]。但是，氯化后硫化成丁基橡膠的交聯(lián)網(wǎng)與氯化前效果存在一定差別，分子鏈排列完整性與規(guī)則性相比天然橡膠較差。因此在室溫環(huán)境中，丁基橡膠氯化物不會(huì)產(chǎn)生應(yīng)變因素至結(jié)晶現(xiàn)象產(chǎn)生。

1.3 材料制備實(shí)驗(yàn)結(jié)果

經(jīng)過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證得出：CNTs在NR中具有良好分散性，但其CIIR 中會(huì)發(fā)生聚集嚴(yán)重現(xiàn)象；將CNTs 添加到NR 中能夠增加結(jié)晶速度、加強(qiáng)結(jié)晶效果；添加CNTs后的NR具備高強(qiáng)度抗拉伸性能，從而降低拉伸強(qiáng)度，對(duì)CIIR抗張強(qiáng)度僅產(chǎn)生較小影響[6]。因此，在籃球鞋底制作材料中加入天然橡膠復(fù)合材料能夠增加其抗張強(qiáng)度及使用期限，一定程度提高其使用性能及舒適性。

2 天然橡膠材料籃球鞋性能研究

2.1 穩(wěn)定彈性性能

籃球鞋與其他種類鞋子結(jié)構(gòu)相同，都是由鞋舌、鞋面、鞋墊、外底及多種配飾構(gòu)成?；@球鞋鞋面重要作用則是包裹腳部，并為腳部給予保護(hù)與支撐；皮面、PU 及網(wǎng)眼布是鞋面主要制作材料。籃球鞋鞋墊其具有透氣、吸收震動(dòng)、吸汗等作用；鞋墊多數(shù)由輕質(zhì)且高彈性的PU 或EVA 制成[7]；不同樣式的運(yùn)動(dòng)鞋鞋墊能夠任意取出，及時(shí)做到清潔及更換，從而提高鞋墊耐用性、增加使用壽命?；@球鞋中底部通常由EVA或TPU材料制成，部分籃球鞋會(huì)配以氣墊、碳板及其他外部附件提高性能。中低目的則是保證籃球鞋具備穩(wěn)定回彈及緩沖性，充分吸收在運(yùn)動(dòng)中產(chǎn)生的沖擊力，為籃球運(yùn)動(dòng)員腳部給予高度保護(hù)及舒適度。外底作為籃球鞋核心組成部分，其是由氣孔橡膠、再生橡膠、碳素橡膠等高密度橡膠材料而制[8]。橡膠作為高分子聚合物，能夠增加籃球鞋底部彈性及摩擦性，能夠承受拉伸、彎曲、擠壓等破壞性行為。因此天然橡膠是改善籃球鞋性能主要材料。

2.2 長(zhǎng)期抗光性能

天然橡膠通常稱其為生橡膠，是一種由膠乳經(jīng)過稀釋、篩網(wǎng)、固化、軋制、烘干等制作而成的彈性固體。橡膠制取方式有所不同，因此將其分為煙草橡膠、皺紋橡膠、風(fēng)干橡膠，粒狀橡膠。順-1、4-聚異戊二烯作為高分子聚合物天然橡膠的主要組成部分，已在各大生產(chǎn)加工領(lǐng)域廣泛使用。其成分是由92%～95%的橡膠碳?xì)浠衔锛?%～8%的碳水化合物、脂肪酸等物質(zhì)構(gòu)成。天然橡膠基于本身特性，具有良好絕緣性能。天然橡膠具有較多活性化學(xué)物質(zhì)，極易與氧氣、锍發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，除此天然橡膠中化學(xué)物質(zhì)能夠獨(dú)立完成環(huán)化效應(yīng)；由于天然橡膠具備不飽和雙鍵，長(zhǎng)時(shí)間接觸光、臭氧、銅和錳會(huì)導(dǎo)致橡膠老化速度加快。在天然橡膠中添加防腐劑能夠有效控制橡膠老化時(shí)間，甚至將其放置在光照強(qiáng)烈地方數(shù)月，天然橡膠仍不會(huì)出現(xiàn)較大區(qū)別。天然橡膠材料具有抗堿化學(xué)性質(zhì)，其屬于非極性橡膠品種，對(duì)濃酸溶液不具備耐受性，僅能承受一些極端性質(zhì)溶液[9]；將天然橡膠材料浸泡在非極性溶液中會(huì)發(fā)生溶脹反應(yīng)，因此證明天然橡膠材料不具耐油、耐溶液性能。天然橡膠耐溶劑性與增塑程度成正比關(guān)系。增加增塑時(shí)間，橡膠耐溶解性能便會(huì)越強(qiáng)，天然橡膠分子結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 天然橡膠分子結(jié)構(gòu)Fig.2 Molecular structure of natural rubber

2.3 高強(qiáng)度抗斷裂性能

天然橡膠具備拉伸性能及結(jié)晶特性，能夠?qū)е聡?yán)重變形并其具有較強(qiáng)抗斷裂性能。然而，其自身阻尼性能未達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)，分子結(jié)構(gòu)會(huì)因反復(fù)拉伸或強(qiáng)制拉伸被破壞。增強(qiáng)改善天然橡膠阻尼性能強(qiáng)度，需完成微觀分離、增加分子之間互相作用力，或?qū)⒆枘嵯?、摩擦相與連續(xù)相相互融合達(dá)到提升性最終目的。天然橡膠材料優(yōu)勢(shì)在于其彈性與可塑性。天然橡膠在完成加工后，能夠在所有較高強(qiáng)度運(yùn)動(dòng)中充分發(fā)揮優(yōu)勢(shì)[10]。另外天然橡膠不具有耐磨性是其目前顯而易見的缺點(diǎn)。天然橡膠完全能夠利用其化學(xué)、物理屬性將高分子結(jié)構(gòu)進(jìn)行融合調(diào)整使其具備較強(qiáng)耐磨性、增加使用壽命。因此天然橡膠是制作高性能耐磨籃球鞋重要材料之一，橡膠異相結(jié)構(gòu)模型如圖3所示。

圖3 普通橡膠異相結(jié)構(gòu)模型Fig.3 Heterophase structure model of ordinary rubber

基于上述實(shí)驗(yàn)對(duì)天然橡膠復(fù)合材料測(cè)試分析，文章基于天然橡膠及其他材料復(fù)合研發(fā)一款新型籃球鞋。在其制作過程中不僅加入天然橡膠成分，還應(yīng)加入其他具體高度耐磨性能材料，將所有材料復(fù)合而成使籃球鞋底具備耐摩擦、耐高溫、耐擠壓、耐水、耐彎曲、高彈性、高舒適度、鞋型穩(wěn)定、恒定溫度等優(yōu)勢(shì)特點(diǎn)。此具有高性能籃球鞋制作成功后，能夠在一定程度避免會(huì)減少運(yùn)動(dòng)員腳部肌肉拉傷，提升運(yùn)動(dòng)鞋舒適感。

3 結(jié)語

籃球運(yùn)動(dòng)是一項(xiàng)高強(qiáng)度運(yùn)動(dòng)，運(yùn)動(dòng)員在訓(xùn)練或比賽中難免會(huì)受到身體損傷。為減少籃球運(yùn)動(dòng)對(duì)運(yùn)動(dòng)員造成的身體損傷，有必要對(duì)籃球鞋功能及舒適度進(jìn)行優(yōu)化。天然橡膠作為籃球鞋底重要材料之一，需對(duì)其結(jié)構(gòu)、性能進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證與分析研究；并將天然橡膠材料復(fù)合其他材料轉(zhuǎn)變具有高耐磨性、高韌性籃球鞋底材料；在保證籃球鞋美觀同時(shí)保護(hù)籃球運(yùn)動(dòng)員免受運(yùn)動(dòng)傷害?；@球鞋底制作加入天然橡膠復(fù)合材料使其更具減震性、抓地性等優(yōu)勢(shì)特征，為籃球運(yùn)動(dòng)員身體提供安全保證。