化学改性单板对乒乓球拍底板性能的影响1)

包文慧 肖泽芳 谢延军

(生物质材料科学与技术教育部重点实验室(东北林业大学)，哈尔滨，150040)

责任编辑:戴芳天。

乒乓球是一项集力量、速度、柔韧、灵敏和耐力为一体的竞技球类运动。乒乓球运动依靠球拍击打进行，除了运动员本身的技能以外，球拍的性能对击球效果也具有非常重要的影响。不同球拍击打出球的速度快慢、力量大小、旋转强弱、落点长短、弧线轨迹均可以产生不同效果［1］。乒乓球拍主要由表层的橡胶层和中间的木质底板构成，木质底板也分3层、5 层、7 层复合方式，目前流行的主要是7 层复合。随着该项运动在技术上的变革和打法的多样化，乒乓球拍底板的重要性逐渐凸显出来。

乒乓球拍底板性能多依靠运动员试打来主观判断，结果常因人而异。各乒乓球底板生产厂家也针对各自的产品提出一系列评价指标，如世界知名品牌斯蒂卡、多尼克、尤拉等将“速度”与“控制”量化以对底板进行分类，上海红双喜公司提出回弹高度、回弹速度衰减率、能量保持、击球节奏、形变等作为评价底板性能的主要指标。学术方面，武秀根等［2］采用有限元分析软件数值模拟乒乓球拍与乒乓球碰撞过程，为优化设计新型球拍提供理论依据。用高速摄像机对乒乓球飞行轨迹及与球拍碰撞过程进行分析，建立碰撞模型，分析球拍碰撞后形变、碰撞时间、乒乓球旋转速度等参数［3-4］。通过侦听发球机发出的乒乓球与球拍撞击声，测量球拍振动频率，获得球拍动力学参数，也是一种球拍外在性能测试的有效方法［5］。Manin 等［6］则利用激光振动计对激励后底板进行多点式扫描，对球拍形变恢复进行预测，拟合出底板振动速度、加速度曲线。孙在等［7］和郭海军［8］对乒乓球弧圈球的空气动力原理及飞行轨迹进行仿真分析，并用乒乓球机器人对其做动力学分析，为球拍实际应用性能提供理论依据。

现今，高品质的乒乓球拍底板原材料多选用非洲/东南亚等地的热带雨林木材，如阿尤斯、林巴木、桧木、云杉等，材料来源受热带雨林保护等政策因素影响，供应量趋紧。用于制备乒乓球拍底板的木材单板加工方式一般为径向刨切，要求单板早晚材纹理通直均一，弹性模量适中，理论上可依据选手击打方式(防守或是进攻)来进行灵活调控。在现有木材原料种类基础上，乒乓球拍底板的品质提升可通过采用对木材进行化学改性、用碳纤维复合增强等材质优化手段和先进的加工成型工艺来实现［9］。

化学改性是提升木材品质的重要手段之一，其基本原理是利用低分子活性单体/低聚体，通过真空加压方式浸渍处理木材，使得单体/低聚体进入细胞壁内部并与细胞壁大分子进行反应，实现分子水平上的细胞壁功能性修饰。常用的木材功能改良方法包括乙酰化［10］、糠醇处理［11］、多元羧酸［12］、醛基树脂处理［13］等。改性处理木材的显著特征是吸湿性降低、尺寸稳定性显著改善［14］。

本研究利用氮羟甲基单体对阿尤斯(Triplochiton scleroxylon K.Schum.)和林巴(Terminalia superb Engl.＆ Diels)两种木材刨切单板进行改性处理，通过声学共振FFT 分析、动态力学分析(DMA)、激光测振等方法，对改性单板所制底板的弹性模量、振动特性、回弹距离等综合性能进行了系统评价。

1 材料与方法

1.1 材料

阿尤斯(Triplochiton scleroxylon K.Schum.)刨切单板用作芯板(300.0 mm ×200.0 mm ×2.5 mm)及夹板(300.0 mm × 200.0 mm × 0.8 mm)，林巴(Terminalia superb Engl.＆ Diels)用作表板(300.0 mm×200.0 mm×0.5 mm)。木材改性药液(二羟甲基树脂水溶液)，固体质量分数为33%。脲醛树脂胶黏剂，固体质量分数60%，固化剂氯化铵1%。

1.2 单板处理及乒乓球拍底板制备

木材单板分别浸没于质量分数为0、1%、3%、5%、10%和15%的改性药液中，通过真空加压方式将药液均一注入木材，在空气中气干到平衡含水率后，置于干燥窑中加热聚合24 h。按照组坯、涂胶、陈放、热压、养生、铣型、粘贴生产工序加工底板。涂胶量为200 g/m2，热压时间20 min，压力0.2 MPa。底板层数为7 层，采用对称十字交叉组坯，即中间芯层为阿尤斯，相邻上下各为两层阿尤斯夹板，上下两表层为林巴单板。组坯方式分为4种:所有层均未处理、仅中间芯层处理、仅上下4层夹板处理、仅上下2 层表板处理。每种改性剂质量分数及组坯方式下压制4 个底板，直接或进一步裁截成目标试件后用于性能测试。

1.3 性能评价

1.3.1 激光测振分析

球拍底板的振动特性由激光测振仪(型号:Polytec 单点式OFV50X)测得。将底板把手固定在支架上，底板面垂直放置。用轻质细线悬挂乓乓球，将球沿着圆周移动60°，然后释放，与底板重心位置碰撞，每次撞击能量为0.05 J。通过激光测振仪对底板重心位置点扫描检测，示波器转换输出底板振动位移频谱图。

1.3.2 回弹距离测定

将球拍底板把手固定，利用发球机以特定速度发出乒乓球击打底板指定区域，然后标定乒乓球回弹落点，获得乒乓球回弹距离。发球机出球点与底板面垂直距离10 cm，乒乓球击发角度与水平面成45°，底板击打点位于乒乓球回弹落点平面垂直高度140 cm。发球速度分别为4、6、10、12 m·s-1，测试区域保持封闭以减少空气流动对测试结果的影响。

1.3.3 弹性模量测定

弹性模量是衡量乒乓球拍底板性能的核心指标之一。通过抗弯强度、声学振动、动态力学分析(DMA)3 种方式系统评价化学改性对木材单板以及所制乒乓球拍底板的弹性模量的影响。

抗弯强度测试:设备为深圳瑞格尔仪器公司RGT-20A 万能力学试验机，测试试件从制成的乒乓球底板上锯得，由于底板幅面尺寸限制，所用试件规格(80.0 mm(长)× 13.0 mm(宽)× 6.5 mm(厚))略小于测试标准GB/T 17657—1999。测试时加载速度2 mm·min-1，跨距64 mm。

声学振动测试:利用日本小野公司FFT 分析仪，采用横波共振方法检测［15］。试件从底板锯得，规格100.0 mm(长)× 50.0 mm(宽)× 6.5 mm(厚)，在距试件两端头22.4 mm 处用轻质纸板将其支撑，高灵敏度微音器置于试件一端下方，然后用小锤敲击另一端上方，采集的信号进行FFT 分析，得到共振频率。抗弯弹性模量值根据公式(1)计算:

式中:E 为试件动态弹性模量(GPa);L 为试件长度(m);f 为共振频率(Hz);T 为试件厚度(m);ρ 为试件密度(kg·m-3)。

动态力学分析(DMA):采用TA 公司Q800 型号动态热机械分析仪。试验模式为三点弯曲，试验方法为应力应变，试件由压制的乒乓球拍底板裁截而成，尺寸为65.0 mm(长)×3.0 mm(宽)×6.5 mm(厚)，在室温(25 ℃左右)下进行测试，静态力1 N，频率为1 Hz，振幅范围1～200 μm。

1.3.4 冲击强度和表面硬度

冲击强度测试根据国家标准GB1943—2007 进行，但受底板幅面尺寸影响，裁截的测试试样规格(80.0 mm(长)×10.0 mm(宽)×6.5 mm(厚)略小于标准。所制备底板的表面硬度参照国家标准GB/T 17657—1999《人造板物理性能测试方法》进行，根据5 mm 钢球压入底板厚度一半时的载荷评价底板的硬度。

2 结果与分析

2.1 底板振动性能

不同组坯方式所制底板随时间振动的频率基本相同，然而振幅却因改性和组坯方式的不同差异明显(图1)。不同质量分数药液改性芯板对所制成的底板振动振幅影响不大，这是由于测试时乒乓球碰撞底板的冲击能量较小，主要被表层或夹层吸收(图1a)。夹板(共4 层)经改性试剂处理后制成的底板，受碰撞后产生的振幅随着所用改性剂质量分数的增加而降低(图1b)，表明底板的刚性显著增加，抑制了冲击形变。这是由于改性药液的双活性官能团与木材纤丝大分子上的氢键发生交联反应，抑制了细胞壁大分子之间应受外应力产生的滑移，因而刚性增强［16］。不同质量分数药液改性表板对底板的振幅影响不明显(图1c)，这主要是因为表层单板非常薄，对底板的整体振动影响有限。振幅减小会导致乒乓球在球拍上的滞留时间缩短，球回弹速率快，增加击球瞬间“脆、爽”的本体感觉，有利于压低击球弧线，增加攻击力;相反，如果底板振幅较大，则会延长乒乓球在板面的时间，吸收乒乓球的动能，有助于控球。

图1 不同质量分数药液改性所制备底板的振幅

2.2 底板回弹性能

随着乒乓球发球速度(动能)的增加，撞击球拍底板后回弹距离也逐渐增加(表1)。在低发球速度时，回弹距离增加幅度要小于高发球速率。这是因为低发球速度下，乒乓球能量较小，其传递与转换主要发生在表层，难以发挥夹板和芯板的作用。而在高的发球速度情况下，乒乓球所带能量可有效传递到底板夹层和芯层，底板木材发生更大的弹性变形而储存能量，然后再反向施加于乒乓球上，导致乒乓球回弹更远。

在相同的发球速率下，乒乓球撞击处理底板后的回弹距离均高于撞击未处理底板，且随着改性药液质量分数的增加而增加。该结果表明，单板改性处理(无论是芯板、夹板还是表板)减少了底板对乒乓球动能的吸收，改性药液质量分数越大，吸收的能量就越小。这主要是由于注入的改性剂与木材细胞壁发生交联，木材密度增加、孔隙度降低，整体刚性增强。在相同的药液质量分数下，改性芯板和夹板制成的底板产生的回弹距离大于改性表板制成的底板，这是由于芯板(2.6 mm)和夹板(3.6 mm)的厚度均远大于表板(0.2 mm)，故改性产生的效果更明显。回弹距离的增加表明，挥动球拍产生的动能或从对方击打回来乒乓球所具有的动能可通过改性底板反作用于乒乓球上，加快回球速度，有助于快速进攻，尤其是可增强中远台进攻的力度。

表1 乒乓球以不同速度击打底板后的回弹距离

2.3 动态力学分析

在施加交变载荷下，试件的应力随着应变直线增加，显示试件的变形在弹性区间(图2)。单板改性导致应力/应变曲线的斜率增加，表明木材的弹性模量增强(图2a—图2c)。对芯层和夹层改性情况下，试件的斜率随着改性药液质量分数逐渐增加(图2a、图2b)，而表层改性产生的斜率增加受改性药液质量分数变化影响不大(图2c)，这主要是因为测试模式采用三点弯曲模式，该模式下材料的应力变化主要取决于上下表层。试件的储能模量和损耗模量均随着改性药液质量分灵敏的增加而增大(图2d—图2i)，但是储能模量的增幅绝对值远高于损耗模量的增幅，这进一步证实，无论组坯方式如何，单板改性处理均导致底板存储弹性形变能量的能力明显增强。

图2 不同质量分数药液改性对所制底板样条的应力、储能模量、损耗模量的影响

2.4 抗弯弹性模量和声学振动模量

在抗弯测试过程中，改性芯板明显提高了底板的弹性模量，但改性药液质量分数(尤其是1%以上)增加对弹性模量影响不明显(表2)。与未处理底板相比较，改性夹板制备底板的抗弯弹性模量随药液质量分数增加而逐步增大。表板改性底板的弹性模量与未处理底板相似，这主要是表板非常薄，改性影响不明显。抗弯弹性模量的提高表明，改性单板制备底板的整体刚性增强，受乒乓球冲击后变形比未处理底板小，能量在更短的距离内反向作用于乒乓球上，有助于提高回球的速度。但是刚性提高必须适度，刚性太大，乒乓球与球拍接触时间短，对球手的控球能力要求更高，并且由于回球速度快，回球路线多从弧线变为直线，回球容易下网。利用声学振动方法，通过记录声波在木材中的传播谱图，并经由FFT 转变所计算的弹性模量，与抗弯测试获得的弹性模量变化趋势相似，但整体数值比抗弯弹性模量低，这个差异主要归因于测试方法不同。

2.5 冲击强度和表面硬度

冲击强度是材料在短时间内受到冲击载荷作用产生破坏时，单位面积吸收的能量。夹板和表板改性后的底板材料冲击强度均较未处理底板底(表3)，这主要归因于改性药剂交联木材细胞壁微纤丝，形成刚性的网状结构，从而限制微纤丝在冲击应力作用下的相对滑移，因而表现为脆性断裂［16］。未改性底板冲击断裂口呈不规则韧性断裂，有撕裂的碎片残留，断裂面比较粗糙，而且不规则、不平滑;改性后底板冲击破坏断面相对比较平整、光滑，为脆性断裂(未显示)。芯板改性底板的冲击强度与未处理底板相似，这是因为材料在冲击载荷下的变形过程中，内凹表面材料受抗压载荷，而外凸面材料受抗拉载荷，中间层(芯层)材性变化对冲击强度的影响相对较小。整体而言，单板改性对底板的冲击强度呈负面影响，吸收冲击能量的能力降低，而先前发现改性底板的弹性模量、对乒乓球的回弹距离均比未处理底板大，这表明改性底板能在低变形情况下迅速将能量施加于乒乓球上，从而增加出球速度。

与未处理底板相比，改性单板对底板表面硬度的影响不明显。这主要是因为化学药液只改性了底板中的部分单板层，对整个底板硬度的影响有限;另外，由于底板比较薄，测试过程中钢球压入底板一半厚度的过程中，底部钢支撑平面也会反作用于底板表面，因而导致测量误差较大，难以判断改性对底板硬度的影响程度。

表2 不同质量分数药液改性单板对所制底板在抗弯测试和声学振动两种模式下获得的弹性模量

表3 化学改性单板对底板冲击强度和表面硬度的影响

3 结论

化学改性单板可有效减少乒乓球拍底板抵抗冲击变形的能力，提高底板的弹性模量，尤其是储能模量;改性底板的刚性明显增强，因而有助于减少击球过程中能量的无效损耗，提高能量的有效转变，增加乒乓球的击发速度，增强进攻的威力。然而，单板的改性必须要控制在一定的水平，因为底板刚性太强，会增加运动员在防守和进攻过程中控球的难度。要实现增速/控球两者的平衡，可以通过调整改性药液质量分数、改性单板与未改性单板合理组坯等工艺进行优化。本研究结果为建立乒乓球拍底板性能优化技术提供了基础理论支持，但仍需进一步构建仪器检测指标与运动员试打评分之间的相应关系。

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