替代乒乓海綿的紡織復合材料

王愛娟，張 毅

(天津工業大學紡織學院，天津 300387)

乒乓球是我國的國球，乒乓球運動是我國最為普及的運動之一。和其他體育運動一樣，高新技術和新材料在乒乓球器材的開發和研究中起著越來越重要的作用。乒乓球運動員使用的球拍(除個別特殊打法不用海綿外)都是由膠皮、海綿、底板3部分組成。海綿層即微孔橡膠層，它具有很高的彈性，厚度約為2 mm，起著吸收來球能量，而后迅速將能量輸送給來球使球迅速反彈回去，另外，也有控制球的作用以及增強膠皮的回彈性作用［1］。乒乓海綿對彈性的要求較高，同時又要輕盈、靈敏、易于控制，無僵木感［2-4］。以往全部采用天然橡膠做主體材料，其塑煉工時長，制品發泡倍率低，而且硫化后收縮大，需停放一個月才能切片;另外，還存在著填充量小、海綿規格小、廢邊率高的問題，使海綿的制造成本較高［5－7］，因而本文研究的目的是尋找一種新型的材料來替代這種乒乓海綿。

1 增強體的制備

本文欲采用紡織復合材料替代乒乓海綿，其增強體為紡織品，常用的乒乓海綿厚度在2 mm左右，而傳統的紡織品厚度達不到，欲采用多層織物。

1.1 織物組織的設計

多層織物分為角聯鎖和結接多層2種。角聯鎖織物的表面隨著層數的增加形成明顯的斜紋效應，而結接多層織物表面可形成平整的外觀，因此，結接多層三維機織物是平板狀三維機織物的一種，能夠一次性完成。

經過多次試驗，織物組織最終確定為滿足厚度要求的4層結接多層組織，織物組織圖如圖1所示。

圖1 結接多層組織圖Fig.1 Stitched multi-ply fabric weave

1.2 織物試織上機設計

選用紗線分別為滌綸低彈絲，線密度為161.1 tex;精梳棉紗，線密度為14.6 tex×10;織物經緯密均為280根/10 cm。小樣試織采用順穿法，共8片綜，每筘4入，選用70號鋼筘。

1.3 小樣試織實物

小樣試織效果如圖2、3所示。

圖2 棉織物小樣Fig.2 Cotton fabric sample.(a)Front;(b)Back

2 基體的選擇和復合工藝

替代乒乓海綿的紡織復合材料應具有良好的彈性和柔韌性，故基體選擇柔性樹脂。目前研究最多的柔性樹脂主要有聚氨酯樹脂、聚丙烯酸酯等［8－10］。其中聚氨酯的彈性要優于聚丙烯酸酯，故本試驗采用聚氨酯樹脂為基體材料。

圖3 滌綸低彈絲織物小樣Fig.3 Polyester DTY fabric sample.(a)Front;(b)Back

經過大量的試驗最終確定基體材料為含固量15%的水性聚氨酯，采用二浸二軋工藝，第1次浸軋帶液率控制在200% ～240%，80℃烘干120 min，第2次浸軋帶液率控制在100% ～140%，80℃烘90 min，最后130℃高溫烘焙30 min。

3 表層樹脂膜的制備

織物在經過浸軋處理后，其表面并不平整，這將會對代替乒乓海綿的復合材料有一定的影響。因為在球拍的性能中提到橡膠海綿的發泡要均勻，表面要細膩，所以經過樹脂浸軋的織物表面要平整。為解決這一問題，要對浸軋后的織物進行涂層。

3.1 試驗原料和儀器

原料:上海源禾化工有限公司的含固量為60%的1537型和T213型水性聚氨酯，煙臺華大化學有限公司的含固量為43%的6110型和6256型水性聚氨酯。

儀器:烘箱、YT03-043型電動離心沉淀機、玻璃棒、制膜模具(實驗室自制)等。

3.2 膜的制備

首先將樹脂進行離心脫泡，離心速度為2500 r/min左右，離心時間為10 min;然后將離心好的樹脂倒在制膜模具上，用玻璃棒將其刮平;靜置3～5 min后，將模具放入烘箱，按照正交試驗設計如表1所示的條件，先干燥60 min，然后轉為高溫烘焙，烘焙時間為10 min;最后取出模具，冷卻至室溫后將膜從模具上取下備用。

3.3 水性聚氨酯及其膜的性能

3.3.1 水性聚氨酯黏度的測定

采用博力飛DV-2型黏度計進行測試，轉速為20 r/min，測試溫度為22℃，連續測10 min，間隔5 s記一次數，以最后穩定的數據為結果，如表2所示。

表1 正交試驗設計表Tab.1 Orthogonal test design table

表2 樹脂的黏度Tab.2 Viscosity of resin

由表2可看出，6256黏度值最大，其次是6110，T213的黏度值最小。6110、1537、T213這3種樹脂的黏度比較接近。可見，影響黏度的主要因素是水性聚氨酯的種類。

3.3.2 膜的耐水與耐酸堿性

按照GB/T 1733—1993《漆膜耐水性測定法》進行:將膜裁成20 mm×20 mm的正方形試樣，準確稱量其質量(m1)后分別浸泡在去離子水、質量分數為5%的鹽酸溶液和5%的氫氧化鈉溶液中，24 h后取出涂膜，用濾紙迅速擦干表面的液體，準確稱量膜的質量(m2)，按照下式計算吸水率(Aw)，結果如表3所示。

表3 膜在去離子水、酸溶液和堿溶液中吸水率Tab.3 Bibulous rate of flim in deionized water，in acid solution and alkali solution %

由表3可看出:樹脂的種類是影響耐水、耐酸、耐堿性的主要因素，1537型樹脂的耐水性和耐酸性最好，耐堿性僅次于T213型樹脂;溫度對水性聚氨酯的耐水性有一定的影響，同一種聚氨酯，用不同溫度制成膜后，其的耐水性能略有不同的，但是溫度的影響不大。綜合這3項性能得出，1537型樹脂的性能最好。

3.3.3 膜的拉伸性能測試

采用QB/T 2710—2005《皮革物理和機械試驗抗張強度和伸長率的測定》對膜的拉伸性能進行測定，其結果如表4所示。

表4 聚氨酯膜的拉伸性能Tab.4 Tensile properties of polyurethane film

由表4可看出，拉伸斷裂強度和彈性模量最大的均是6110型聚氨酯膜，斷裂伸長率最大的是T213型聚氨酯膜，所以T213的抗拉能力較強但是彈性模量較小，6110彈性模量較大，但是它的抗拉能力是幾種膜里面最低的，而1537型樹脂雖然拉伸性能不是最好的，處于中等水平。而且對增強體的拉伸性能要求不大，因為乒乓海綿受到的力主要為壓縮力，中等水平即可。綜合拉伸性能與耐水、酸、堿性能得出，1537型水性聚氨酯是耐水、耐酸堿和拉伸性均比較優良的，與樹脂的種類相比較溫度的影響可忽略不計，干燥溫度和成膜溫度選取中間的水平，即干燥溫度為60℃，烘焙溫度為120℃。

4 復合材料的表征與性能分析

4.1 材料的形貌表征

采用體視顯微鏡對材料的表面和橫截面進行拍照，結果如圖4、5所示。

圖4 棉織物增強復合材料Fig.4 cotton fabric reinforced composites.(a)Surface;(b)Sectional

圖5 滌綸低彈絲織物增強復合材料Fig.5 Polyester DTY fabric reinforced composites.(a)Surface;(b)Sectional

4.2 性能分析

乒乓海綿的主要技術參數是硬度和厚度，故復合材料的硬度和厚度是必測的2個指標。此外海綿的回彈性也是影響海綿質量的一個重要指標，所以替代乒乓海綿的紡織復合材料的硬度、厚度和回彈性3項指標是該材料的重要性能。

4.2.1 硬度

按照GB/T 531.1—2008《硫化橡膠或熱塑性橡膠壓入硬度試驗法第一部分:邵氏硬度計法(邵爾硬度)》的方法測定，結果如表5所示。由表可看出，1537織物涂層的硬度符合乒乓海綿35～50的硬度范圍，并且與乒乓海綿的硬度接近，符合乒乓海綿的硬度要求。

表5 試樣硬度Tab.5 Sample hardness

4.2.2 厚度

采用厚度儀進行測量，測量5次，取平均值，結果如表6所示。

表6 試樣厚度Tab.6 Sample thickness

乒乓海綿的厚度范圍為0.4～2.3 mm，從表6中可看出，2種復合材料的厚度均符合乒乓海綿厚度要求。

4.2.3 落球回彈性

采用GB/T 6670—2008《軟質泡沫聚合材料落球法回彈性能的測定》方法進行測定，結果如表7所示。

表7 試樣回彈率Tab.7 Sample resilient rate

從測試結果可看出，乒乓海綿的回彈率大于棉織物增強復合材料和滌綸低彈絲織物增強復合材料，但棉織物增強復合材料的回彈率更接近于乒乓海綿的回彈率。

5 結論

通過替代乒乓海綿的紡織復合材料的研究，經過小樣試織，膜性能的測試，浸軋工藝以及復合成型工藝的探究，得到具體結果如下。

1)增強體為各層均以平紋組織為基礎組織的四層自身結接多層組織，經緯密均為280根/10 cm。

2)復合工藝為二浸二軋，第1次浸軋帶液率控制在200% ～240%，80℃烘干120 min，第2次浸軋，帶液率控制在100% ～140%，80℃烘90 min，然后130℃高溫烘焙30 min;然后分別在浸軋后的材料的正反兩面用1537型水性聚氨酯進行涂覆，膜的干燥溫度為60℃，烘焙溫度為120℃。

3)棉織物增強復合材料和滌綸低彈絲增強復合材料在硬度和厚度方面完全符合乒乓海綿的技術要求;在回彈性方面略低于乒乓海綿，其中棉織物增強復合材料的優于滌綸低彈絲增強復合材料。

本文研究通過對替代乒乓海綿復合材料的探索，得出用紡織復合材料替代乒乓海綿是具有一定的可行性的，但是在增強體和樹脂基體的選擇上還是需要進一步的改進。用紡織復合材料替代乒乓海綿首先大大縮短了生產周期，其次也減少了對環境的污染。

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