替代乒乓海绵的纺织复合材料

王爱娟，张 毅

(天津工业大学纺织学院，天津 300387)

乒乓球是我国的国球，乒乓球运动是我国最为普及的运动之一。和其他体育运动一样，高新技术和新材料在乒乓球器材的开发和研究中起着越来越重要的作用。乒乓球运动员使用的球拍(除个别特殊打法不用海绵外)都是由胶皮、海绵、底板3部分组成。海绵层即微孔橡胶层，它具有很高的弹性，厚度约为2 mm，起着吸收来球能量，而后迅速将能量输送给来球使球迅速反弹回去，另外，也有控制球的作用以及增强胶皮的回弹性作用［1］。乒乓海绵对弹性的要求较高，同时又要轻盈、灵敏、易于控制，无僵木感［2-4］。以往全部采用天然橡胶做主体材料，其塑炼工时长，制品发泡倍率低，而且硫化后收缩大，需停放一个月才能切片;另外，还存在着填充量小、海绵规格小、废边率高的问题，使海绵的制造成本较高［5－7］，因而本文研究的目的是寻找一种新型的材料来替代这种乒乓海绵。

1 增强体的制备

本文欲采用纺织复合材料替代乒乓海绵，其增强体为纺织品，常用的乒乓海绵厚度在2 mm左右，而传统的纺织品厚度达不到，欲采用多层织物。

1.1 织物组织的设计

多层织物分为角联锁和结接多层2种。角联锁织物的表面随着层数的增加形成明显的斜纹效应，而结接多层织物表面可形成平整的外观，因此，结接多层三维机织物是平板状三维机织物的一种，能够一次性完成。

经过多次试验，织物组织最终确定为满足厚度要求的4层结接多层组织，织物组织图如图1所示。

图1 结接多层组织图Fig.1 Stitched multi-ply fabric weave

1.2 织物试织上机设计

选用纱线分别为涤纶低弹丝，线密度为161.1 tex;精梳棉纱，线密度为14.6 tex×10;织物经纬密均为280根/10 cm。小样试织采用顺穿法，共8片综，每筘4入，选用70号钢筘。

1.3 小样试织实物

小样试织效果如图2、3所示。

图2 棉织物小样Fig.2 Cotton fabric sample.(a)Front;(b)Back

2 基体的选择和复合工艺

替代乒乓海绵的纺织复合材料应具有良好的弹性和柔韧性，故基体选择柔性树脂。目前研究最多的柔性树脂主要有聚氨酯树脂、聚丙烯酸酯等［8－10］。其中聚氨酯的弹性要优于聚丙烯酸酯，故本试验采用聚氨酯树脂为基体材料。

图3 涤纶低弹丝织物小样Fig.3 Polyester DTY fabric sample.(a)Front;(b)Back

经过大量的试验最终确定基体材料为含固量15%的水性聚氨酯，采用二浸二轧工艺，第1次浸轧带液率控制在200% ～240%，80℃烘干120 min，第2次浸轧带液率控制在100% ～140%，80℃烘90 min，最后130℃高温烘焙30 min。

3 表层树脂膜的制备

织物在经过浸轧处理后，其表面并不平整，这将会对代替乒乓海绵的复合材料有一定的影响。因为在球拍的性能中提到橡胶海绵的发泡要均匀，表面要细腻，所以经过树脂浸轧的织物表面要平整。为解决这一问题，要对浸轧后的织物进行涂层。

3.1 试验原料和仪器

原料:上海源禾化工有限公司的含固量为60%的1537型和T213型水性聚氨酯，烟台华大化学有限公司的含固量为43%的6110型和6256型水性聚氨酯。

仪器:烘箱、YT03-043型电动离心沉淀机、玻璃棒、制膜模具(实验室自制)等。

3.2 膜的制备

首先将树脂进行离心脱泡，离心速度为2500 r/min左右，离心时间为10 min;然后将离心好的树脂倒在制膜模具上，用玻璃棒将其刮平;静置3～5 min后，将模具放入烘箱，按照正交试验设计如表1所示的条件，先干燥60 min，然后转为高温烘焙，烘焙时间为10 min;最后取出模具，冷却至室温后将膜从模具上取下备用。

3.3 水性聚氨酯及其膜的性能

3.3.1 水性聚氨酯黏度的测定

采用博力飞DV-2型黏度计进行测试，转速为20 r/min，测试温度为22℃，连续测10 min，间隔5 s记一次数，以最后稳定的数据为结果，如表2所示。

表1 正交试验设计表Tab.1 Orthogonal test design table

表2 树脂的黏度Tab.2 Viscosity of resin

由表2可看出，6256黏度值最大，其次是6110，T213的黏度值最小。6110、1537、T213这3种树脂的黏度比较接近。可见，影响黏度的主要因素是水性聚氨酯的种类。

3.3.2 膜的耐水与耐酸碱性

按照GB/T 1733—1993《漆膜耐水性测定法》进行:将膜裁成20 mm×20 mm的正方形试样，准确称量其质量(m1)后分别浸泡在去离子水、质量分数为5%的盐酸溶液和5%的氢氧化钠溶液中，24 h后取出涂膜，用滤纸迅速擦干表面的液体，准确称量膜的质量(m2)，按照下式计算吸水率(Aw)，结果如表3所示。

表3 膜在去离子水、酸溶液和碱溶液中吸水率Tab.3 Bibulous rate of flim in deionized water，in acid solution and alkali solution %

由表3可看出:树脂的种类是影响耐水、耐酸、耐碱性的主要因素，1537型树脂的耐水性和耐酸性最好，耐碱性仅次于T213型树脂;温度对水性聚氨酯的耐水性有一定的影响，同一种聚氨酯，用不同温度制成膜后，其的耐水性能略有不同的，但是温度的影响不大。综合这3项性能得出，1537型树脂的性能最好。

3.3.3 膜的拉伸性能测试

采用QB/T 2710—2005《皮革物理和机械试验抗张强度和伸长率的测定》对膜的拉伸性能进行测定，其结果如表4所示。

表4 聚氨酯膜的拉伸性能Tab.4 Tensile properties of polyurethane film

由表4可看出，拉伸断裂强度和弹性模量最大的均是6110型聚氨酯膜，断裂伸长率最大的是T213型聚氨酯膜，所以T213的抗拉能力较强但是弹性模量较小，6110弹性模量较大，但是它的抗拉能力是几种膜里面最低的，而1537型树脂虽然拉伸性能不是最好的，处于中等水平。而且对增强体的拉伸性能要求不大，因为乒乓海绵受到的力主要为压缩力，中等水平即可。综合拉伸性能与耐水、酸、碱性能得出，1537型水性聚氨酯是耐水、耐酸碱和拉伸性均比较优良的，与树脂的种类相比较温度的影响可忽略不计，干燥温度和成膜温度选取中间的水平，即干燥温度为60℃，烘焙温度为120℃。

4 复合材料的表征与性能分析

4.1 材料的形貌表征

采用体视显微镜对材料的表面和横截面进行拍照，结果如图4、5所示。

图4 棉织物增强复合材料Fig.4 cotton fabric reinforced composites.(a)Surface;(b)Sectional

图5 涤纶低弹丝织物增强复合材料Fig.5 Polyester DTY fabric reinforced composites.(a)Surface;(b)Sectional

4.2 性能分析

乒乓海绵的主要技术参数是硬度和厚度，故复合材料的硬度和厚度是必测的2个指标。此外海绵的回弹性也是影响海绵质量的一个重要指标，所以替代乒乓海绵的纺织复合材料的硬度、厚度和回弹性3项指标是该材料的重要性能。

4.2.1 硬度

按照GB/T 531.1—2008《硫化橡胶或热塑性橡胶压入硬度试验法第一部分:邵氏硬度计法(邵尔硬度)》的方法测定，结果如表5所示。由表可看出，1537织物涂层的硬度符合乒乓海绵35～50的硬度范围，并且与乒乓海绵的硬度接近，符合乒乓海绵的硬度要求。

表5 试样硬度Tab.5 Sample hardness

4.2.2 厚度

采用厚度仪进行测量，测量5次，取平均值，结果如表6所示。

表6 试样厚度Tab.6 Sample thickness

乒乓海绵的厚度范围为0.4～2.3 mm，从表6中可看出，2种复合材料的厚度均符合乒乓海绵厚度要求。

4.2.3 落球回弹性

采用GB/T 6670—2008《软质泡沫聚合材料落球法回弹性能的测定》方法进行测定，结果如表7所示。

表7 试样回弹率Tab.7 Sample resilient rate

从测试结果可看出，乒乓海绵的回弹率大于棉织物增强复合材料和涤纶低弹丝织物增强复合材料，但棉织物增强复合材料的回弹率更接近于乒乓海绵的回弹率。

5 结论

通过替代乒乓海绵的纺织复合材料的研究，经过小样试织，膜性能的测试，浸轧工艺以及复合成型工艺的探究，得到具体结果如下。

1)增强体为各层均以平纹组织为基础组织的四层自身结接多层组织，经纬密均为280根/10 cm。

2)复合工艺为二浸二轧，第1次浸轧带液率控制在200% ～240%，80℃烘干120 min，第2次浸轧，带液率控制在100% ～140%，80℃烘90 min，然后130℃高温烘焙30 min;然后分别在浸轧后的材料的正反两面用1537型水性聚氨酯进行涂覆，膜的干燥温度为60℃，烘焙温度为120℃。

3)棉织物增强复合材料和涤纶低弹丝增强复合材料在硬度和厚度方面完全符合乒乓海绵的技术要求;在回弹性方面略低于乒乓海绵，其中棉织物增强复合材料的优于涤纶低弹丝增强复合材料。

本文研究通过对替代乒乓海绵复合材料的探索，得出用纺织复合材料替代乒乓海绵是具有一定的可行性的，但是在增强体和树脂基体的选择上还是需要进一步的改进。用纺织复合材料替代乒乓海绵首先大大缩短了生产周期，其次也减少了对环境的污染。

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