亞麻纖維增強(qiáng)可降解樹脂基復(fù)合材料　在體育用品上的應(yīng)用

李勝業(yè)　徐培明　王偉　卞青峰　宋小龍

復(fù)合材料是當(dāng)今發(fā)展最快的高性能材料之一，但傳統(tǒng)高性能纖維在體育用品領(lǐng)域的應(yīng)用廣泛。國(guó)際體操聯(lián)合會(huì)對(duì)高低杠表面功能層的要求是：（1）橫杠的外表面必須具有（手的）滑動(dòng)性和轉(zhuǎn)動(dòng)性能，但不可發(fā)滑;（2）為保證抓牢，橫杠表面必須吸潮濕。為滿足這兩點(diǎn)要求，高低杠杠面采用力學(xué)性能優(yōu)異的進(jìn)口楓木加工成厚度0.5mm的木頁，使用膠黏劑將木頁粘貼在高低杠杠芯上。木頁上不能有大的疤痕，長(zhǎng)度2.4m長(zhǎng)度、寬度120mm的木頁不能有加工或存儲(chǔ)過程中的裂紋;木頁的厚度僅有不足1mm，在高低杠使用過程中運(yùn)動(dòng)員經(jīng)常使用砂紙打磨高低杠表面附著的鎂粉，因此厚度僅0.5mm左右的木頁很快就會(huì)磨損完畢而使整根杠面報(bào)廢。什么材料既有木頁的摩擦性能、優(yōu)良的力學(xué)性能和工藝性能呢？隨著人們對(duì)天然植物纖維研究的不斷深入，人們發(fā)現(xiàn)天然纖維具有一些獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)：亞麻纖維作為一種天然纖維，具有密度低、強(qiáng)度大，來源廣泛、價(jià)格低廉、吸水吸汗性強(qiáng)、天然可降解、資源可再生等優(yōu)點(diǎn)。本文在對(duì)比研究木頁和亞麻纖維增強(qiáng)可降解環(huán)氧樹脂基復(fù)合材料性能的基礎(chǔ)上，對(duì)亞麻復(fù)合材料在高低杠上的應(yīng)用研究做了一些探索。

1 亞麻預(yù)浸料復(fù)合材料性能

1.1 亞麻增強(qiáng)環(huán)氧樹脂基亞麻復(fù)合材料的熱性能

圖1a中所示，亞麻復(fù)合材料環(huán)氧樹脂固化溫度初定為135℃/1.5h，玻璃化轉(zhuǎn)變溫度在120℃以上，可以判定亞麻纖維復(fù)合材料在室溫至75℃下使用力學(xué)性能不會(huì)突變。圖1b中是亞麻預(yù)浸料加熱前和經(jīng)135℃/1.5h加熱后樣品紅外光譜，圖中913cm-1處是環(huán)氧基官能團(tuán)，固化后譜圖中環(huán)氧官能團(tuán)消失，說明135℃/1.5h材料固化完全。

1.2 亞麻增強(qiáng)環(huán)氧樹脂基復(fù)合材料摩擦性能

不同亞麻纖維質(zhì)量分?jǐn)?shù)復(fù)合材料干態(tài)摩擦性能與進(jìn)口北美楓木木頁的縱向擺動(dòng)摩擦性能見表1和表2所示。

表1中，亞麻纖維增強(qiáng)環(huán)氧樹脂基復(fù)合材料的縱向摩擦系數(shù)隨亞麻纖維含量的增加而增加。進(jìn)口北美楓木木頁順紋理方向摩擦系數(shù)為0.774，當(dāng)亞麻纖維含量約55%時(shí)，亞麻纖維增強(qiáng)環(huán)氧樹脂基復(fù)合材料縱向摩擦系數(shù)為0.762，與北美楓木木頁摩擦系數(shù)相近。表2中，亞麻纖維增強(qiáng)環(huán)氧樹脂基復(fù)合材料的橫向摩擦系數(shù)隨亞麻纖維含量的增加而增加。進(jìn)口北美楓木木頁垂直于紋理方向摩擦系數(shù)為0.828，當(dāng)亞麻纖維含量約55%時(shí)，亞麻纖維增強(qiáng)環(huán)氧樹脂基復(fù)合材料縱向摩擦系數(shù)為0.834，與北美楓木木頁摩擦系數(shù)相近。因此可以初步判定當(dāng)亞麻纖維含量為55%時(shí)，亞麻復(fù)合材料與進(jìn)口北美楓木木頁具有相近的摩擦系數(shù)。因此本文以下部分著重研究了纖維含量為55%的亞麻纖維復(fù)合材料性能，并與進(jìn)口北美楓木木頁做了對(duì)比研究，最后制作了高低杠樣品并進(jìn)行性能測(cè)試。

1.3 亞麻增強(qiáng)環(huán)氧樹脂基復(fù)合材料性能

將55%纖維含量的亞麻纖維增強(qiáng)環(huán)氧樹脂單向預(yù)浸料裁切為310mm*310mm，采用135℃模壓1h的工藝進(jìn)行樣品制作，按單向纖維層壓板力學(xué)性能測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行性能測(cè)試，結(jié)果見表3所示。

表3中可見亞麻/環(huán)氧復(fù)合材料縱向拉伸強(qiáng)度為229MPa是進(jìn)口楓木木頁縱向拉伸強(qiáng)度95.8MPa的2.4倍;亞麻/環(huán)氧復(fù)合材料橫向拉伸強(qiáng)度為12.9MPa、延伸率0.87%，是進(jìn)口楓木木頁橫向拉伸強(qiáng)度0.92MPa的14倍，延伸率基本相同。因此可以判定纖維含量為55%時(shí)的亞麻增強(qiáng)環(huán)氧樹脂基復(fù)合材料滿足替代進(jìn)口北美楓木木頁用于高低杠杠面表面功能層包覆的力學(xué)性能要求。

1.4 亞麻增強(qiáng)環(huán)氧樹脂基復(fù)合材料界面性能

亞麻增強(qiáng)環(huán)氧樹脂基復(fù)合材料橫向拉伸斷口原始形貌噴金后掃描電鏡觀察并拍照，見圖1a和圖1b所示。

由圖2中所示，亞麻增強(qiáng)環(huán)氧樹脂基復(fù)合材料纖維方向一致性較好、排列緊密;圖1所示，高放大倍數(shù)下可見亞麻纖維表面附著大量環(huán)氧樹脂，說明亞麻纖維與環(huán)氧樹脂間具有良好的界面性能。

1.5 亞麻增強(qiáng)環(huán)氧樹脂基復(fù)合材料吸水后性能研究

高低杠在使用過程中運(yùn)動(dòng)員會(huì)在杠面噴水，使得高低杠杠面粘附鎂粉。因此，本文測(cè)試了亞麻增強(qiáng)環(huán)氧樹脂基復(fù)合材料在潮濕狀態(tài)下的力學(xué)性能和摩擦性能。本文按標(biāo)準(zhǔn)裁切后的試樣分為三種，一組常溫環(huán)境下放置24h為干燥對(duì)照組;一組使用噴壺兩面噴水至樣品有水珠滴落后在28℃、濕度75%的環(huán)境下放置24h;最后一組放入蒸餾水中浸泡24h，為水浸組，其力學(xué)性能測(cè)試結(jié)果見表5所示。

表5中，層間剪切在吸潮后由9.82MPa降低至7.93MPa，水浸24h后層間剪切性能降低至2.77MPa，可見大量吸濕后亞麻增強(qiáng)環(huán)氧樹脂基復(fù)合材料層間剪切性能大幅降低，猜測(cè)可能是纖維吸水膨脹造成了層間具有較大的內(nèi)應(yīng)力;縱向拉伸性能在吸潮和水浸后拉伸強(qiáng)度變化不大，斷裂伸長(zhǎng)率分別增加了30%和95%，可能是纖維吸水后韌性增大。橫向拉伸試樣拉伸強(qiáng)度吸潮后降低32%、水浸后降低56%，因其模量的降低斷裂伸長(zhǎng)率反而分別增加了1倍和2.4倍。可見大量吸濕對(duì)亞麻纖維增強(qiáng)環(huán)氧樹脂基復(fù)合材料縱向拉伸和橫向拉伸性能有巨大的影響。為研究水浸對(duì)亞麻增強(qiáng)環(huán)氧樹脂基復(fù)合材料的力學(xué)性能影響是否可恢復(fù)，本文使用DMA測(cè)試了亞麻增強(qiáng)環(huán)氧樹脂基復(fù)合材料在干態(tài)、水浸24h和水浸24h后干燥的縱向彎曲試樣的動(dòng)態(tài)力學(xué)性能，結(jié)果見圖2所示。

由圖2中可見，水浸后層壓板的動(dòng)態(tài)儲(chǔ)能模量急劇下降，這一結(jié)果與吸水后亞麻復(fù)合材料縱向拉伸模量降低的結(jié)論一致;吸水后亞麻復(fù)合材料的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度和儲(chǔ)能模量有所下降，干燥后玻璃化轉(zhuǎn)變溫度和儲(chǔ)能模量都有所上升，并且超過了原有水平，說明吸水干燥后亞麻增強(qiáng)環(huán)氧樹脂基復(fù)合材料性能可以恢復(fù)至吸濕前水平，因此可以初步判定吸濕對(duì)亞麻增強(qiáng)環(huán)氧樹脂基復(fù)合材料不會(huì)造成不可恢復(fù)性傷害，恰前相反吸濕后干燥能夠提升亞麻復(fù)合材料性能，可能是吸濕、干燥過程中復(fù)合材料層壓板內(nèi)應(yīng)力得到了釋放。

2 亞麻復(fù)合材料在高低杠杠面上的應(yīng)用

2.1 木頁包覆玻纖拉擠高低杠杠芯結(jié)構(gòu)與工藝分析

圖3中所示，D為國(guó)際體聯(lián)要求成品高低杠杠面直徑，是以玻璃纖維增強(qiáng)環(huán)氧樹脂基復(fù)合材料為主承力部件，外部使用環(huán)氧樹脂包覆一層木頁作為表面功能層的高低杠杠面，其直徑為40mm;h為木頁厚度，黃色部分是木頁包覆用環(huán)氧樹脂膠黏劑。該工藝選用進(jìn)口優(yōu)質(zhì)北美楓木機(jī)加工出厚度為h的楓木木頁，其長(zhǎng)度為2.4m、寬度約125mm。

將表4中進(jìn)口北美楓木木頁橫向拉伸斷裂延伸率2.128%代入公式4中可得不采取特殊工藝對(duì)木頁直接包覆高低杠杠面的情況下，最大木頁包覆厚度為0.8mm，厚度超過0.8mm時(shí)直接包覆北美楓木木頁一定開裂。

2.2 亞麻預(yù)浸料包覆玻纖拉擠高低杠芯結(jié)構(gòu)與工藝分析

（1）亞麻環(huán)氧樹脂預(yù)浸料包覆高低杠杠芯工藝：使用細(xì)砂紙粗化玻纖環(huán)氧拉擠高低杠杠芯，使用蘸有酒精的棉布擦洗高低杠杠面后晾干;使用丙酮稀釋后的環(huán)氧膠黏劑體系刷涂高低杠杠面，自然晾干后包覆樹脂含量45%的亞麻環(huán)氧樹脂預(yù)浸料，使用OPP纏繞施壓后放入120℃烤箱加溫1.5h后自然冷卻至60℃以下;取出加溫后的高低杠杠面，去掉表面OPP，使用細(xì)砂紙打磨至表面光滑、直徑40±0.5mm即可。

（2）工藝分析：由于包覆過程中亞麻環(huán)氧預(yù)浸料未固化，包覆厚度不受工藝過程中的彎曲拉應(yīng)力影響。

2.3 杠面的性能測(cè)試與分析

委托體育用品檢測(cè)中心按照國(guó)際體聯(lián)標(biāo)準(zhǔn)和泰山體育產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行了性能測(cè)試，測(cè)試結(jié)果數(shù)據(jù)見圖4所示。

圖4亞麻高低杠杠面測(cè)試報(bào)告

由圖4中所示測(cè)試數(shù)據(jù)表明，亞麻環(huán)氧樹脂復(fù)合材料包覆的高低杠杠面符合國(guó)際體聯(lián)標(biāo)準(zhǔn)高低杠杠面性能要求，且其150mm彎曲疲勞達(dá)到了10萬次，遠(yuǎn)超同類國(guó)際大品牌產(chǎn)品的5萬次水平。

3 小結(jié)

（1）55%纖維質(zhì)量分?jǐn)?shù)的亞麻纖維增強(qiáng)環(huán)氧樹脂復(fù)合材料單向?qū)訅喊甯蓱B(tài)和濕態(tài)摩擦系數(shù)和進(jìn)口北美楓木木頁基本相同;

（2）亞麻纖維增強(qiáng)環(huán)氧樹脂基復(fù)合材料與進(jìn)口北美楓木木頁相比具有良好的力學(xué)性能;

（3）使用亞麻纖維包覆高低杠杠面工藝過程中無表面開裂風(fēng)險(xiǎn)，具有木頁包覆工藝所不具備優(yōu)勢(shì);

（4）使用亞麻纖維增強(qiáng)環(huán)氧樹脂基復(fù)合材料包覆的高低杠杠面滿足國(guó)際體聯(lián)性能要求。

該文出自《年產(chǎn)128萬平低溫強(qiáng)韌可回收再利用復(fù)合材料及應(yīng)用項(xiàng)目》研發(fā)成果;項(xiàng)目備案代碼：2019-371481-24-03-021414。

（作者單位：1.泰山體育產(chǎn)業(yè)股份有限公司;2.泰山體育產(chǎn)業(yè)集團(tuán)有限公司國(guó)家體育用品工程技術(shù)研究中心）