乒乓球拍用水性粘合劑的粘合性能與影響研究

尚龍盛

(西安汽車職業(yè)大學(xué) 文理學(xué)院,陜西 西安 710600)

球拍主要有海綿、膠皮和底板構(gòu)成,目前市場(chǎng)上售賣的乒乓球拍都是成品售賣的,而競(jìng)技賽場(chǎng)上運(yùn)動(dòng)員使用的球拍對(duì)球拍的彈性、硬度提出了更高的要求,因而競(jìng)技場(chǎng)使用地專業(yè)球拍基本都是由自己粘合[1-3]。乒乓球拍傳統(tǒng)用膠水為氯丁膠,由膠體和有機(jī)溶劑組成,其中有機(jī)溶劑粘接拍面和膠體,并增加拍面的彈性性能[4-7]。傳統(tǒng)溶劑具備較好的膨脹效果同時(shí),其中含有的二甲苯[8]、四氯化碳等成分對(duì)人體危害性較大[9-12],近些年已經(jīng)被禁止使用。目前部分乒乓球拍在溶劑選擇上,更多的是尋找毒性較低,膨脹效果較好的有機(jī)溶劑[13-15]。如環(huán)乙烷、正庚烷等[16-17]。天然橡膠具有較好的膨脹性和低毒性,因而能在乒乓球拍制作過(guò)程中得到較好的應(yīng)用[18]。本文以天然橡膠為基材,為提高材料較好的粘接性,通過(guò)進(jìn)行不同配方配比,塑煉,獲得性能優(yōu)異的環(huán)保性溶劑,以代替?zhèn)鹘y(tǒng)乒乓球拍拍面粘合劑。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 實(shí)驗(yàn)原料和設(shè)備

實(shí)驗(yàn)原料:天然橡膠工業(yè)品,分子量1.36×106;環(huán)己烷、油溶性偶氮二異丁酸二甲酯(AIBME)引發(fā)劑(分析純),天津市紅巖化學(xué)試劑廠。表1中給出了實(shí)驗(yàn)使用儀器相關(guān)信息。

表1 實(shí)驗(yàn)用儀器

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

采用XK-160雙輥筒煉膠對(duì)天然橡膠破膠處理,輥筒壓片厚度參數(shù)設(shè)置為0.5 mm,塑煉加工時(shí)間設(shè)置10、20、30 min,將樣品編號(hào)分為A、B、C組,將環(huán)乙烷加入A、B、C樣品中,每一組設(shè)定取樣時(shí)間10、20、30 min,編號(hào)分別為i-1、i-2、i-3,其中i為A、B、C,共設(shè)定9組,再以原料作為對(duì)照組D,進(jìn)行試驗(yàn)組和對(duì)照組性能比較。

1.3 測(cè)試方法

分別對(duì)設(shè)定的10個(gè)樣品進(jìn)行拉伸性能、撕裂性能、黏度、粘接強(qiáng)度等指標(biāo)性能測(cè)試,具體測(cè)試項(xiàng)目為:根據(jù)GB/T 528—2009進(jìn)行拉伸性能測(cè)試,設(shè)定拉伸速度500 mm/min;根據(jù)GB/T 529—2009進(jìn)行撕裂度性能測(cè)試,設(shè)定拉伸速度500 mm/min;根據(jù)GB/T 22235—2008進(jìn)行黏度測(cè)試;根據(jù)GB 27925—81剝離強(qiáng)度方法進(jìn)行粘接強(qiáng)度測(cè)試;根據(jù)GB/T 1232.1—2000進(jìn)行門尼黏度測(cè)試,設(shè)定測(cè)試溫度100 ℃。

2 結(jié)果與討論

2.1 塑煉對(duì)分子量影響

天然橡膠分子量龐大,分子間作用力也很大,使得天然橡膠溶解度低,黏度大,直接用于乒乓球拍粘接不易形成良好的彈性。表2給出了10組試驗(yàn)對(duì)象在不同塑煉時(shí)間下的分子量、黏度對(duì)照結(jié)果。

表2 塑煉對(duì)分子量的影響

由表2可知,隨著試樣取樣時(shí)間邊長(zhǎng),試驗(yàn)塑煉程度越大,分子量逐漸變小。天然橡膠塑煉就是剪切力作用下打斷天然橡膠的大分子鏈,當(dāng)塑煉時(shí)間越長(zhǎng),分子鏈鍛煉越多,分子量也就越小[19]。由表2可知,分子量最小的試驗(yàn)組為C-3,分子量下降率為89.7%。由于分子量與分子下降率同比增率成正相關(guān),即分子量越小,大分子斷裂越多,塑煉對(duì)分子作用越小。

2.2 塑煉對(duì)物理性能影響

天然橡膠塑煉后分子量發(fā)生變化,相應(yīng)的物理機(jī)械性能也會(huì)變化。塑煉低溫度時(shí),天然橡膠受機(jī)械剪切力的作用大分子斷裂生成自由基,塑煉高溫時(shí),由機(jī)械剪切力的活化作用,引發(fā)大分子斷裂,形成不穩(wěn)定的過(guò)氧化物,最終分解為較小分子量的橡膠制品[20]。比較實(shí)驗(yàn)組和對(duì)照組在不同塑煉程度下的物理性能和機(jī)械性能,結(jié)果如表3所示。

表3 塑煉對(duì)物流性能的影響

由表3可知,原料對(duì)照組拉伸強(qiáng)度24.75 MPa,直接撕裂強(qiáng)度25.84 kN/m,而到A-1組拉伸強(qiáng)度0.31 MPa,直接撕裂強(qiáng)度3.16 kN/m,即由對(duì)照度D到A-1組拉伸強(qiáng)度和直角撕裂強(qiáng)度發(fā)生突變,是由于機(jī)械開(kāi)膠后導(dǎo)致大分子內(nèi)聚力降低[21]。隨著分子量較小,斷裂伸長(zhǎng)率逐漸增加,橡膠的可塑性和柔性增大,表明橡膠塑煉降低了橡膠分子內(nèi)聚力,提高了可塑性。

2.3 塑煉對(duì)溶解度、黏度影響

對(duì)不同塑煉程度的實(shí)驗(yàn)組和對(duì)照組溶解度、黏度進(jìn)行測(cè)試,結(jié)果見(jiàn)表4。由表4可知,隨著天然橡膠分子量的降低,樣品溶解度和黏度表現(xiàn)出逐漸增加的趨勢(shì),其中最高溶解度達(dá)到28.6%。經(jīng)過(guò)塑煉后的天然橡膠中環(huán)乙烷飽和溶解度明顯升高,有效解決了大分子有機(jī)物難溶的問(wèn)題,相較于傳統(tǒng)的化學(xué)法來(lái)降低分子量,采用塑煉方法成本度,環(huán)境污染小,對(duì)分子降解度高[12]。隨著分子量較低,有機(jī)溶劑的溶解度和黏度均得到增加。

表4 塑煉對(duì)溶解度、黏度的影響

2.4 不同分子量膠水的粘接強(qiáng)度

由上述分析中可知,分子量不同的天然橡膠性能有所不同,對(duì)膠水性能造成影響,其中分子量越小,可塑性也就越好,獲得不同分子量膠水對(duì)乒乓球拍粘合強(qiáng)度影響,見(jiàn)表5。由表5可知,分子量逐漸減小過(guò)程中,粘接強(qiáng)度呈現(xiàn)除以先增大后減小的變化過(guò)程,當(dāng)分子量小到一定程度后,粘接強(qiáng)度隨之降低,此時(shí)對(duì)應(yīng)的分子量為臨界點(diǎn)。試驗(yàn)組B-3時(shí)的黏度強(qiáng)度最大,因此可選擇B-3來(lái)作為粘接膠水原料。

表5 塑煉對(duì)粘接強(qiáng)度的影響

2.5 引發(fā)劑對(duì)粘合膠水性能影響

引發(fā)劑作為附加用料,直接影響到膠水粘接的反應(yīng)速率,對(duì)膠水性能造成影響,為保證膠水具有更好性能,對(duì)引發(fā)劑用量進(jìn)行研究,獲得不同引發(fā)劑用量下的測(cè)試結(jié)果見(jiàn)表6。

表6 引發(fā)劑對(duì)膠水性能影響

由表6可知,引發(fā)劑用量逐漸增多時(shí),膠水乳液穩(wěn)定性和黏度表現(xiàn)出一個(gè)先上升后下降到變化趨勢(shì),固含量隨著引發(fā)劑用量增加而逐漸上升,但上述幅度不大。隨著引發(fā)劑用量逐漸增大,膠膜外觀逐漸變硬,當(dāng)引發(fā)劑用量為0.6%時(shí),最大黏度可達(dá)到42.7 MPa·s,此時(shí)乳液穩(wěn)定性優(yōu)良。因此,可選定引發(fā)劑用量0.6%時(shí)的膠水進(jìn)行乒乓球拍粘接。

2.6 單體類型對(duì)粘合膠水性能影響

不同單體種類和單體用量可直接影響膠水物理性能、機(jī)械性能和粘接性能,分別比較不同MMA硬質(zhì)單體和VAc共聚改性單體配比下膠水的性能,見(jiàn)表7所示。

表7 引發(fā)劑對(duì)膠水性能影響

由表7可知,當(dāng)MMA∶VAc比例越大,膠水拉伸強(qiáng)度、黏度和吸水強(qiáng)度表現(xiàn)出先增多后減小的趨勢(shì),硬度逐漸增大,而膠水的固化率變化并不明顯。當(dāng)MMA∶VAc=20∶10時(shí),膠水拉伸強(qiáng)度、黏度和吸水強(qiáng)度均達(dá)到最大值,可見(jiàn)該比例下的膠水具有更好的綜合性能。

2.7 不同類型產(chǎn)品性能比較

選擇采用樣品B-3比例成分與國(guó)內(nèi)應(yīng)用較多的氯丁橡膠粘合劑、無(wú)機(jī)粘結(jié)劑進(jìn)行性能比較,結(jié)果見(jiàn)表8。

表8 不同膠水的性能比較

在粘度相近條件下,氯丁膠的粘接強(qiáng)度最高,B-3樣品粘結(jié)強(qiáng)度稍低,但B-3樣品采用環(huán)乙烷作為溶劑,具有環(huán)保無(wú)毒性特點(diǎn),因此可作為氯丁膠的替代品。

3 結(jié)語(yǔ)

(1)天然橡膠塑煉時(shí)間30 min,分子量降低,粘接性上升,有機(jī)溶劑中溶解度提高,當(dāng)分子量降低到0.29×106,能有提升乒乓球拍膠水粘接輕度和彈性,降低膠水黏度,制得適合彈性、環(huán)保的有機(jī)膠水;

(2)引發(fā)劑量0.5%、單體m(MMA)∶m(VAc)%=20∶10時(shí),乒乓球拍粘合膠水穩(wěn)定性和黏度優(yōu)異,用在乒乓球訓(xùn)練中能獲得較好的使用效果。