碳纖維網球拍粘接劑配方優化方法研究

呂思琪

摘要：隨著材料的發展，制作網球拍的材料也經歷了從木制到鐵制到鋁制到如今的碳纖維的轉變。本文簡述了網球拍的歷史發展過程，研究了碳纖維網球拍的粘接過程，得知粘接劑是目前碳纖維網球拍制作過程中必不可少的材料。為了得到更加堅實、彈性高的碳纖維網球拍，我們提出了一種用于碳纖維網球拍粘接的粘接劑的優化方法。

關鍵詞：碳纖維;網球拍;粘接劑

中圖分類號：TQ437+.1 文獻標識碼：A 文章編號：1001-5922（2019）12-0100-04

網球運動最早是在英國誕生的，后經美國的發展得以盛行。最初的網球還是貴族們的運動，現在網球已經成為了人們日常生活中較為常見的運動方式[1]。隨著網球運動的盛行，網球拍的需求也隨之增加，為了擴大網球市場，生產廠家也對網球拍的性能越來越重視。從材料的發展來看，網球拍已經經歷了從木制到鐵質，到鋁制再到如今的碳纖維的演變;從制作過程來看，網球拍已經從原本木制拼接到鐵、鋁的焊接，再到如今膠粘劑的粘接。但是，不論網球拍經歷何種改變，都是為了更好地提高球拍的性能，讓使用者獲得更好的體驗感。本文從網球拍的發展歷史出發，主要介紹了現如今碳纖維網球拍的制作過程，并針對過程中的重要部分一粘接劑，提出了一種用于碳纖維網球拍粘接的粘接劑的優化方法。

1 網球拍的發展

隨著新材料的發展，網球拍的材料和制作方式都發生了巨大變化，但每次變革都是基于新材料的發展。最初工業并不發達，制作網球拍的材料都是取自大自然，再經過能工巧匠花費大量精力研制得到，因此成本高，只在貴族中才有。隨著工業的發展，金屬材料、人工合成材料的發展以及機器的運行大大提高了網球拍制作的效率，降低了成本，使得平民也能享受這項運動[2]。

1.1木制網球拍

網球運動最早出現在12世紀，但是網球拍直到1874年才出現真正的標準，這個標準對網球拍的構造、形狀、大小都有了明確規定，網球拍的后續發展都是在這個基礎上進行改進[3]。最早的網球拍是木制的，外形與羽毛球拍很像，如圖1所示為19世紀所用的網球拍，由圖可以看出當時的木制網球拍的框頭較小，而手柄卻較長。當時由于材料發展有限，網球制作方式簡單，主要是用繩索將木柄與框頭連接起來，因此堅實度較差。現在已經幾乎見不到木制網球拍的身影，但是在金屬材料得到廣泛運用之前，網球拍一直是木制的。

1.2金屬網球拍

1967年后，由于金屬材料的廣泛生產與應用，鐵、鋁等金屬材料也被應用于網球拍的制作，如圖2所示為早期金屬網球拍的照片。后來在新材料被研制出來之前，金屬在網球拍制作中的應用越來越多。相對于最早的木制球拍，金屬球拍的堅實性更強，使用壽命較長，然而也正由于材料為金屬，因此重量會比木制球拍更大。最早用于制作網球拍的金屬為鐵，后來在使用中發現鐵質網球拍雖然比木制網球拍結實耐用，但是重量較大，抗震能力不好，不利于長時間鍛煉。因此生產廠家引入密度較小的鋁制作網球拍，但是鋁也有不足的地方，鋁的韌性較小，制作的網球拍承受力較小，容易彎曲。隨著合金的發展，合金相比于純金屬具有更加優異的性能，因此也被廣泛應用于網球拍的制作中。

1.3碳纖維網球拍

近年來，隨著新材料的發展，碳纖維材料因為具有強度大、抗摩擦性好、耐疲勞等優異性能被應用于網球拍的制作中[4]，如圖3所示為市面上常見的碳纖維網球拍。除此之外，樹脂粘接劑具有優良的彈性以及粘接能力。而碳纖維和樹脂膠粘劑都是密度很小的材料，將二者結合起來應用到網球拍中，能夠在明顯減小球拍重量的同時提高球拍的彈性、剛性、抗震能力以及耐磨的性能。

2 用于網球拍粘接的粘接劑配方優化方法

現在盛行的碳纖維網球拍的生產主要通過碳纖維材料和樹脂粘接劑混合調配，再利用吹氣熱壓法使球拍成型得到的[5]。對于碳纖維網球拍的制作，工藝比較成熟的是滾筒纏繞法。不論通過何種方法制作，都需要用到樹脂膠粘劑的粘接，因此膠粘劑的性能對網球拍性能的影響很大。因此，這里我們對粘接劑的配方進行了優化。

2.1優化配方后的粘接劑的制備

普通用于碳纖維網球拍制作的粘接劑的主要成分為環氧樹脂和固化劑。這里我們將對其主要成分的比例配方進行優化，除此之外，我們還將向粘接劑中引入觸變劑，進一步改善粘接劑的性能，使其具有觸變性流體性。

在膠粘劑的研究中，一般稱樹脂部分為a組分，稱固化劑部分為b組分，為了敘述方便，本研究中也將主要成分按照這兩個名稱代號進行稱呼。

具體優化后的粘接劑配方比例如下：

a組分主要為環氧樹脂，調配a的配方中主要試劑的質量比為m（環氧樹脂）：m（增韌劑）：m（稀釋劑）=100： 10：9，后面加入的各種試劑質量分數都是以本配方中的環氧樹脂為標準，定義環氧樹脂為100。此配方中還需要加入2%的偶聯劑作為助劑，使前面三種試劑能夠充分偶聯。然后將各種試劑混合液置于容器中，放入電動攪拌機中，設置轉速約為6000r/min，高速攪拌15min，使各種試劑混合均勻。最后，將混合均勻的試劑置于研磨機中研磨3遍，使膠液更加細膩。b組分的主要成分為固化劑，與a組分的調配一樣，我們需要向b的固化劑中加入各種助劑，然后混勻，調配好了以后再與a組分混合，最后將a組分與b組分按照100： 45的比例攪拌混合。為了更好地進行應用，粘接劑調配好以后還需要確定其流體類型，做粘度、觸變指數等測試，考察粘接劑的性能。

2.2粘接劑的流體類型確定以及性能測試

2.2.1粘接劑的流體類型

1）理想流體所謂理想流體就是服從牛頓第二定律，不可壓縮、黏度為零的液體，因此這種液體又可以稱為牛頓液體[6]。研究者們根據理想流體的運動，建立了如下的運動方程：

τ=η·dx/dr=η·γ

上面的公式中，τ表示受到的剪應力，γ表示流體的剪切速率，η表示液體的黏度。如圖4a所示為理想流體的黏度特性曲線，由圖中曲線可以看出，在溫度一定的條件下，符合牛頓第二定律的液體在一定的剪切速率范圍之內黏度不變。

黏度是指流體在流動過程中受到分子間相互吸引力以及熱運動產生的分子間摩擦力大小。黏度越大，流體受到的摩擦力也就越大，流動阻力越大，流動越困難。

2）非理想流體與理想流體性質相反，非理想流體不符合牛頓第二定律，因此也稱為非牛頓流體。非牛頓流體主要包括假塑性流體、膨脹性流體、觸變性流體、震凝型流體等[7]。

如圖4b所示為假塑性流體的黏度特性曲線，由圖可知，當剪應力較小，產生的剪切速率較小，這時流體基本沒有運動，因此黏度不變，當剪切力達到阻力最大值時，在這個剪切速率下，流體開始運動，黏度隨著剪切速率的增大而減小。如圖4c所示為膨脹性流體的黏度曲線，在未達到摩擦阻力最大值時，黏度值不變;當剪應力逐漸增大到超過阻力值時，流體開始流動，與假塑性不同的是，此時黏度隨剪切速率的增大而增大，如圖4d所示為觸變性流體和震凝型流體的黏度曲線，這兩種流體的黏度性質相似，開始時剪切速率增大，流體黏度變小，而當剪切力剪切速率撤離，黏度又逐漸恢復。我們通過黏度計對所制備得到的液體進行測定，并繪制黏度曲線，就可以判定為何種流體，再根據各種流體各自不同的性質，判斷觸變劑對碳纖維網球拍制作中的粘接劑流變特性的影響。

2.2.2測試粘接劑性能所需儀器

如圖5a為本實驗中用于測定粘接劑黏度的旋轉式黏度計，這款黏度計型號為NDJ-1，里面配套的有0、l、2、3、4、5號5種型號的轉子。其中0號轉子主要用于黏度較低的流體測試，5號為黏度較大的流體測試。由于本實驗的溫度是恒定的，因此我們還用到了如圖5b所示的恒溫水槽，一般設置水溫為25℃。

2.2.3粘接劑性能測試方法

1）黏度的測定。被測試的液體如果不是理想流體，那么利用黏度計測試得到的黏度值就是表觀黏度，這時黏度值并不是一成不變的，因此在測定非理想流體的黏度時必須標注對應的剪切速率大小。尤其是觸變性流體的黏度測定，由于在移除剪應力后黏度逐漸恢復的曲線與增加剪應力時的黏度變化曲線不重合，導致在同一個剪切速率下測得的黏度值不一定相同，因此更加需要對剪切速率有明顯的標注。

為了使測定數據更加準確，我們需要保證讀數在刻度盤30%～70%范圍內，因此需要選擇合適的轉子以及測定速率范圍。進行實驗時，為了保證流體溫度恒定，我們將裝有被測液體的容器置于恒溫水槽中，使水槽內水面高度高于試液液面。轉子需要垂直插入被測液體中，并使液面完全沒過轉子，達到液位標志線。最后，打開旋轉黏度計，讀取剪切速率變化過程中黏度值，所有過程都需要等指針在圓盤上不變時再進行讀數。首先將黏度計的轉速設置為5r/min，讓所測液體從靜止狀態下開始施加剪應力，直到轉速變為60r/min，這個過程中黏度可能會隨著剪切速率的增大而變小;隨后我們將轉速由高到低進行調節，使轉速從60r/min又變回5r/min，這個過程中流體受到的剪切力會慢慢變小直到消失。

2）觸變指數的測定。若黏度計轉速為5r/min時對應的黏度值為Vr，轉速升高到60r/min時的黏度值為Vo，那么觸變指數可以根據如下公式進行計算得到：

TI= Vr/Vo

公式中如果TI=1，那么該流體就沒有觸變性;若TI>l，表明該流體是正觸變性流體，此時剪切速率越大對應的黏度值就越小，并且TI數值越大觸變性越強;若TI

正觸變性越大的粘接劑，受到剪應力作用后黏度降低，有利于粘接涂抹，不會變形，并且固化后彈性更大，耐摩性更強，因此被用于碳纖維網球拍制作中的粘接劑正觸變性越大越好。

2.3優化配方后粘接劑的黏度與觸變指數測定

如圖6所示為測定得到的優化配方的粘接劑黏度變化曲線，由圖可知，該粘接劑為觸變性流體，并且粘度值隨剪切速率增大而減小，是正觸變流體。

由上述測定得到的粘度數據，我們可以計算得到該粘接劑的觸變指數為5.01，遠大于1，因此具有較好的觸變能力，有利于碳纖維網球拍的制作。

3 結語

由于粘接劑是碳纖維網球拍的制作中的常用材料，為了提高網球拍的性能，本文提出了一種用于碳纖維網球拍粘接的粘接劑的優化方法。通過實驗對配方優化后的粘接劑進行性能測試，結果表明該粘接劑具有較好的觸變能力，能夠增大網球拍的彈性、抗震能力以及耐磨性，有利于碳纖維網球拍的制作。

參考文獻

[1]網球拍設計中的材料與工藝研究[D].武漢：武漢理工大學，2009.

[2]金屬增材制造技術的關鍵因素及發展方向[J].工程科學學報，2019，41（02）：20-34.

[3]網球拍的演變對網球擊球效果和正手技術的影響研究[D].北京：北京體育大學，2014.

[4]應用于熱塑性基體的碳纖維水性上漿劑的制備及性能研究[D].杭州：浙江理工大學，2016.

[5]碳纖維增強樹脂基復合材料的回收及其再利用研究進展[J].紡織學報，2019，40（6）：152-157.

[6]張錦科.流體中牛頓第二定律應用錯解剖析[J].中學生數理化（高一數學），2011（11）：23-23.

[7]曹秀芹，崔偉莎，王洪臣，等.污泥流變特性及其變化規律的研究進展[J].環境工程，2014，32（10）：9-12.