新型高性能纖維材料在運動器材中的影響研究

劉 明

（陜西財經(jīng)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，咸陽 712000）

隨著節(jié)能、降耗、減排理念的發(fā)展與成熟，現(xiàn)代材料制造輕量化逐漸成為當(dāng)前工業(yè)、化工、材料領(lǐng)域等的重點研究方向。纖維材料因其性能優(yōu)勢，被廣泛應(yīng)用于體育器材制造領(lǐng)域。隨著科技的發(fā)展，新型高性能纖維材料（高性能纖維增強基體樹脂的復(fù)合材料為主）的出現(xiàn)，因其具有質(zhì)輕、高模高強、耐腐蝕、耐沖擊、抗振等特點較普通纖維材料更適合應(yīng)用于體育制造領(lǐng)域[1]，尤其在羽毛球運動體育器材中被廣泛應(yīng)用。

1 材料與方法

1.1 材料的制備

實驗材料選用的纖維布是3mm厚的由Jining Car-bon Group Co.，Ltd 生產(chǎn)的，純度為99%環(huán)氧樹脂（epoxy resin）和固化劑（curing agent）是由Shang-hai Demao Chemical Co.，Ltd 生產(chǎn)的，可溶性PTFE是由DuPont company 生產(chǎn)的，Guangzhou Chemical Reagent Factory 為實驗提供了HNO3（純度為65%）、NH3·H20（濃度為25%）、C4H8O2（濃度為96%）、H2SO4（純度為95%），提供（OC2H5）4、高純C2H6O為Sinopharm Chemical Reagent Co.，Ltd。

如圖1、圖2、所示材料制備選擇刻蝕法、stober方法制備新型高性能纖維材料［2］，其具體流程如下：

圖1 采用刻蝕法制備新型高性能纖維材料流程圖Fig.1 Flow chart of new high performance fiber materials prepared by etching method

圖2 采用stober方法制備新型高性能纖維材料流程圖Fig.2 Flow chart of new high performance fiber materials prepared by stober method

其中圖2 中的混合溶液配比為：先將Si（OC2H5）418mL 和C2H6O 98ml 混合均勻，再滴入NH3·H20 18mL和C2H6O 380mL。

1.2 球拍尺寸設(shè)計

球拍所用材料為碳纖維（carbon fiber）及環(huán)氧樹脂（epoxy resin）的混合材料，其外觀尺寸為中心控制的桿狀。其中長度為459mm，厚度為1.53mm，直徑為7.45mm；拍框設(shè)計為短半軸為橢圓形長度為102mm，長半軸為143mm，厚度為14.2mm，最長直徑為0.71mm。球拍的編織是利用單元構(gòu)建的，其使用的材料為拉線材料是一種Bisphenol A epoxy resin carbon fiber 增強復(fù)合材料[3]，該材料的單胞模型（Cell model）含有4 個編織紗和3 個軸向紗。如表1所示通過加權(quán)平均算出的材料彈性參數(shù)，由此可以看出纖維的增強與編織角和纖維體積有很大關(guān)系。

表1 以上材料所用的基質(zhì)材料屬性Tab.1 Matrix material properties used for the above materials

在分析羽毛球拍的受力時，需要分析兩端的和垂直向上的力，因為羽毛球拍在使用是，不單單有垂直向上的力，還有球拍兩側(cè)的外力。

1.3 實驗原理與方法

使用有限元區(qū)域疊加法對材料性質(zhì)進(jìn)行匹配，匹配時只需要兩相模型耦合無誤，就說明材料的剛度適合，可以完成匹配。如公式（1）所示線彈性屬性材料代表的同性材料的應(yīng)力應(yīng)變剛度矩陣為負(fù)，公式：

公式（1）中T代表材料的彈性模量；b代表泊松比；Fa代表負(fù)材料。

1.4 拍桿彈性性能預(yù)測

在分析新型高性能纖維材料時，以分析彈性性能為主[4]，分析的彈性模量也是在單細(xì)胞基礎(chǔ)上進(jìn)行的，主要是Poisson"s ratio 和shear modulus 的分析。有限區(qū)域元疊合法分析的羽毛球拍彈性比較科學(xué)準(zhǔn)確，通過數(shù)據(jù)分析可以看出，羽毛球拍因纖維軸的承擔(dān)載荷比普通球拍的二維三向編制更好。

2 結(jié)果與分析

通過對比纖維織物A（Carbon fiber fabric A）、纖維織物B（Carbon fiber fabric B）和原始纖維織物（pristine Carbon fiber fabric）的紅外光譜圖如圖3 所示，可以看出織物A 與織物B 的紅外光譜差距不大，而與原始纖維織物的差距較大。Stretching vibration peak 和Absorption peak of carboxyl group三種材料都具有[5]，織物A是在1100cm-1時、織物B是在3450cm-1和1650cm-1時、原始纖維織物是在3450cm-1時，但是峰值更強的是織物A和織物B。從峰值對比可以看出原始纖維織物在制備中已經(jīng)被刻蝕（H2SO4、HNO3），而織物A出現(xiàn)1100cm-1、797cm-1說明纖維布上的SiO2顆粒已經(jīng)成型。

圖3 復(fù)合纖維材料的紅外光譜圖Fig.3 Infrared spectrum of composite carbon fiber material

通過顯微鏡觀察織物A和織物B可以看出，經(jīng)過刻蝕（H2SO4、HNO3）后的織物B表面出現(xiàn)了深淺程度不一的溝槽，與pristine Carbon fiber fabric 相比較表面積增加了，而Epoxy resin更適合附著與表面結(jié)構(gòu)粗糙的織物[6]；而織物A在顯微鏡中呈現(xiàn)出的是表面覆蓋一層顆粒狀析出物，而且還在局部形成團聚現(xiàn)象，結(jié)合圖3可知，織物A在經(jīng)過stober法處理后，纖維布表面形成了納米級SiO2顆粒，從而提高了新型高性能纖維采蓮的疏水性能，其表面同時也形成了微結(jié)構(gòu)。

如圖4 所示，將pristine Carbon fiber fabric 和ep-oxy resin 的表面濕潤性用折線B 表示，Carbon fiber fabric A和epoxy resin的表面濕潤性用折線A表示。通過圖4對比分析可知，折線A和折線B隨著可溶性聚四氟乙烯（PFA）的增加表面接觸角都呈現(xiàn)出先增加而后減小的特征，當(dāng)表面接觸角值最大時，PFA的含量為45%，折線B與折線A的表面接觸角最大值為（151.6±1.6）°和（138.6±1.8）°，此時這些材料具有超疏水性特征?？梢姡w維材料表面接觸角受PFA含量的影響較大，由于PFA為低表面能物質(zhì)，對物質(zhì)表面具有較大影響，因此，一定含量的PFA可以幫助纖維材料提升其表面的疏水性能[7]。但是由圖可以看出，當(dāng)PFA的含量大于50%之后，纖維材料的疏水性能會降低。

圖4 可溶性四氟乙烯對高性能纖維材料接觸角的影響Fig.4 Effect of soluble tetrafluoroethylene on contact angle of high performance fiber materials

如圖4所示，當(dāng)PFA的含量為45%時纖維材料的接觸角最大，隨著磨損次數(shù)的增加磨損量和表面接觸角都成下降趨勢。由于纖維材料在摩擦初期會出現(xiàn)斷裂和SiO2顆粒脫落的現(xiàn)在，因此在初期磨損較大。之后隨著摩擦的持續(xù)材料表面的epoxy resin 會發(fā)生反應(yīng)，可以有效簡繁磨損，而表面粗糙程度的變化會導(dǎo)致接觸角的變化[8]。由圖4可知折線E的接觸角在經(jīng)歷長時間摩擦后仍然保持在較高水平為（140.9±1.9）°，因此，此刻的纖維材料扔具有較高的疏水性。通過顯微鏡觀察折線E的摩擦情況，折線E在經(jīng)歷長時間摩擦后表面仍然比較平整，雖有局部斷裂出現(xiàn)，但是部分纖維沒有折斷。再將材料的磨損面進(jìn)行高倍放大后，其在低表面扔可以看到PFA，而由于纖維與epoxy resin具有較好的相容性，因此在發(fā)生較大的摩擦?xí)r該材料仍然具有較強的疏水性。

在不同的pH 值溶液中檢測了A 類材料的耐酸堿性，當(dāng)pH值從1逐漸增大時A類材料的接觸角變化明顯。取一個固定的pH值1，纖維材料的表面接觸角為（147.4±1.1）°，PH 值取最大值14 時，纖維材料的表面接觸角為（148.8±2.2）°。通過PH 值對比可以看出，新型高性能纖維材料具有較強的耐腐蝕性[9]。

3 結(jié)語

PEA 的 含 量 對pristine Carbon fiber fabric、ep-oxy resin 和碳纖維織物A 等材料的表面接觸角有影響，表面接觸角隨PFA的影響呈現(xiàn)出先增大后減小的特點。當(dāng)PFA的含量為45%時，該材料的表面觸角為最大值，折線B（pristine Carbon fiber fabric 和ep-oxy resin）的表面觸角最大值為（138.6±1.8）°，折線A（Carbon fiber fabric A 和epoxy resin）的表面觸角最大值為（151.6±1.6）°。

表面接觸角隨著摩擦周次的增加呈下降趨勢，Carbon fiber fabric A 和epoxy resin 在經(jīng)歷長時間摩擦后，表面接觸角仍然保持的較好，也就是依然具有較強的疏水特性[10]。

Ph值從最低增加到最高時（1~14），新型高性能纖維材料的表面接觸角沒有明顯變化。當(dāng)pH 值固定為1 時，纖維材料的表面接觸角為（147.4±1.1）°，Ph 值取最大值14 時，纖維材料的表面接觸角為（148.8±2.2）°。通過Ph 值對比可以看出，新型高性能纖維材料具有較強的耐腐蝕性。