體育器材中碳纖維材料的加固粘接方法研究

張 輝

（陜西工業職業技術學院，陜西咸陽712000）

在體育產業當中，體育設施和器材生產是基礎和關鍵。傳統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、價格高等問題，并不能很好輔助民眾完成鍛煉[1]。對于這一問題，隨著塑料制品的生產與普及，以塑料為原料的體育器材逐漸取代原有體育器材生產材料，用于體育器材的生產與制造當中，在一定程度上提高了其性能，但是人們很快發現，單純的塑料強度低，在使用過程中，受到較大的力時，容易發生斷裂現象，增強了使用者的運動風險，且塑料制品還不耐光照，長時間暴露在強光照下，材質會變得非常脆，因此使用壽命并不是很長。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，解決其存在的問題成為研究的重點[2]。

碳纖維材料是一種以碳元素為主要元素的纖維材料，具有質輕、強度大、模量高、耐腐蝕等特點，可以極大彌補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

在當今社會，體育健身成為人們的一種新的生活方式，與此同時體育事業也相應得到了快速發展，衍生了更多的體育需求。當前體育器械主要材料多是以塑料為主，受其材料性能限制，已經無法滿足人們的需求，因此碳纖維材料的出現和發展為這一問題提供了解決思路。碳纖維材料不僅自重輕強度高，在可設計性、破損安全性能以及疲勞強度方面都表現出色，在保留塑料原有優秀性能的基礎上，極大彌補了存在的性能缺陷[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、以碳纖維作為增強相，二者通過某種工藝有效地結合在一起，獲得碳纖維和塑料的雙重特性，通過協同作用，基體相的綜合性能得到明顯提升。

1.1 試驗部分

1.1.1 試驗原料

（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]。目前常用的表現形式為碳纖維布、碳纖維板。它們的區別在于三個方面：在特征方面，與布類似，重量輕、厚度薄、質地軟，可隨意裁剪，由碳絲編織成；碳纖維板則通過碳纖維原絲與樹脂硬化而成的碳纖維復合材料，類似于鋼板，不易剪裁、質地也更硬。在強度方面，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行涂刷底膠和面膠，碳纖維板則不需要進行這些工序，因此碳纖維布施工操作較碳纖維板簡單，對施工環境要求井不太嚴苛[6]。本文試驗中選擇I-200碳纖維布作為試驗基礎碳纖維材料。該碳纖維布原始性能參數見表1。

表1 I-200碳纖維布性能參數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、浸潤膠[7]。

底膠：涂于體育器材表面，具有一定的滲透作用。當底膠干結后，會形成硬化層，有利于隔斷基層潮氣，防止后期找平膠和浸潤膠涂膜起泡脫落，提高碳纖維材料與體育器材的黏結強度，使碳纖維材料不易發生剝離現象。

找平膠：當待加固的體育器材表面因使用不當等后期因素表面出現不平整時，要用找平膠進行修復，以便使碳纖維能夠與體育器材表面緊緊貼合。

浸潤膠：最上層膠水，起到碳纖維材料與體育器材粘結在一起的作用。

本試驗中底膠、找平膠和浸潤膠等三種膠粘劑配置材料見表2。

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

1.1.2 試驗設備

本試驗中所需要的主要設備見表3。

表3 試驗設備Table 3 Test equipment

1.2 試驗過程

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。在進行加固前，需要對待加固體育器材表面進行處理，包括清洗、平整、修補和打磨等。

（1）清洗。使用過的體育器材表面會存在一些污垢，若不去除，會影響與碳纖維材料的粘合度，因此需要利用丙酮對體育器材表面進行反復擦洗。

（2）平整。體育器材在使用過程中難免會因為不當操作行為出現缺陷，導致器材與碳纖維材料無法緊密貼合，所以需要利用配置好的找平膠進行缺陷填補。找平膠配比方案為環氧樹脂∶液體橡膠∶縮胺=2:5:3。

（3）修復。體育器材在使用過程中因受力過重可能會出現裂紋，因此需要進行修補。當裂縫小于0.2nm時，使用環氧樹脂進行涂刷密封即可；當裂縫大于0.2nm時，需要使用環氧樹脂灌進縫隙中進行填補[8]。

（4）打磨。為了發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，并攪拌均勻，完成配制底膠。具體配置方案為：環氧樹脂∶液體橡膠∶復配改性胺=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，并注意不要出現漏涂、流淌或氣泡現象。

（3）注意事項。最佳干燥時間為10min～30min；當底膠表面指觸干燥后，立即進行下一工序；涂底膠時，適宜溫度為5℃以上，適宜濕度為85%RH以下；底膠固化后，用砂輪機將凸起不平處磨平，為下道工序作好準備[9]。

（1）配制浸潤膠。按照配比方案（環氧樹脂∶液體橡膠∶復配改性胺∶改性脂肪族聚胺∶芳香胺固化劑=3:3:1:2:1）配制浸潤膠，并使用低速攪拌器按順時針一個方向攪拌，直至顏色均勻，無氣泡產生，并應防止灰塵等雜質混入。

（2）浸潤膠涂刷。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膠，做到涂刷穩、準、勻的要求[10]。

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

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

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

步驟5：固化。

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

（2）固化時間至少3～7天。

（3）固化后，在碳纖維材料表面均勻涂抹一層粘結劑，作為碳纖維材料的保護層。

步驟6：質檢。

（1）碳纖維材料的實際粘貼位置與設計位置之間的偏差應≤10mm。

（2）碳纖維材料與體育器材之間的總有效粘接面積應≥95%[16]。

（3）粘貼空鼓率≤5%，且單個空鼓面積≤100cm2。

1.3 測試結果分析

1.3.1 膠粘劑性能

膠粘劑性能直接關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，自動測量三種膠粘劑的相關性能參數。室溫20℃，每種膠粘劑測試 5 次，取平均值，單位為MPa。膠粘劑性能見表4。

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

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

1.3.2 粘接強度

在加固粘接完成后，利用WDW-2020電子萬能試驗機進行碳纖維材料粘接強度測試。為保證試驗結果準確性，測試 5 次，取平均值，單位為 MPa。粘接強度結果如圖2所示。

圖2 粘接強度Fig.2 Bonding strength

從圖2可以看出，隨著拉力的不斷增大，粘接強度逐漸減小。當拉力達到83N時，碳纖維材料與膠粘劑幾乎分離，失去效用，說明碳纖維材料樣本承受的最大拉力極限為83N左右。

1.3.3 疲勞強度

碳纖維材料加固粘接后也并不保證體育器材不會發生損壞，只是可以延長使用壽命，因此疲勞強度變化情況會在一定程度顯示碳纖維材料加固粘接性能。靜載荷強度初始值設置為0.5kN，初始頻率設置為90Hz，每種工況下測試5次，取平均值。疲勞強度結果見表5。

表5 疲勞強度Table 5 Fatigue strength

由表5可知，碳纖維材料加固粘接后，當靜載荷強度為2.4kN，初始頻率為156 Hz時，材料達到疲勞極限，一旦超過這個限值就會發生斷裂。

1.3.4 耐水性

碳纖維材料加固粘接后，一旦接觸到潮濕環境就有可能存在開膠現象，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，然后記錄開膠時間，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。耐水性測試結果見表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膠。現實情況中，體育器材中碳纖維材料不可能一直處在濕潤環境中，因此粘接加固后完全能夠滿足現實需要。

2 結語

綜上所述，隨著全民健身活動的展開，體育產業得到了蓬勃發展，尤其是體育器材的設計與生產，更是適時在更新換代，滿足了人們的鍛煉需求。碳纖維材料的使用是體育器材領域的一項重大變革與突破，解決了以往純塑料體育器材存在的性能缺陷。為此，本文對碳纖維材料的價格粘接方法進行了研究。經測試結果，證明碳纖維材料能有效提高體育器材性能。