体育器材中碳纤维材料的加固粘接方法研究

张 辉

（陕西工业职业技术学院，陕西咸阳712000）

在体育产业当中，体育设施和器材生产是基础和关键。传统的体育器材多是采用钢铁或木材制造，存在重量重、性能差、安全性低、价格高等问题，并不能很好辅助民众完成锻炼[1]。对于这一问题，随着塑料制品的生产与普及，以塑料为原料的体育器材逐渐取代原有体育器材生产材料，用于体育器材的生产与制造当中，在一定程度上提高了其性能，但是人们很快发现，单纯的塑料强度低，在使用过程中，受到较大的力时，容易发生断裂现象，增强了使用者的运动风险，且塑料制品还不耐光照，长时间暴露在强光照下，材质会变得非常脆，因此使用寿命并不是很长。在此情况下，如何在保证塑料体育器材的原有性能的情况下，解决其存在的问题成为研究的重点[2]。

碳纤维材料是一种以碳元素为主要元素的纤维材料，具有质轻、强度大、模量高、耐腐蚀等特点，可以极大弥补纯塑料的多种性能缺陷，提高其性能[3]。为此，本文研究一种体育器材中碳纤维材料的加固粘接方法。该方法研究分为三部分：首先进行碳纤维材料分析与选取，然后分析碳纤维材料加固粘接体育器材的工艺流程，最后进行性能分析，探讨加固后体育器材中碳纤维材料的性能。

1 体育器材中碳纤维材料的加固粘接方法研究

在当今社会，体育健身成为人们的一种新的生活方式，与此同时体育事业也相应得到了快速发展，衍生了更多的体育需求。当前体育器械主要材料多是以塑料为主，受其材料性能限制，已经无法满足人们的需求，因此碳纤维材料的出现和发展为这一问题提供了解决思路。碳纤维材料不仅自重轻强度高，在可设计性、破损安全性能以及疲劳强度方面都表现出色，在保留塑料原有优秀性能的基础上，极大弥补了存在的性能缺陷[4]。碳纤维材料的加固原理如下：以原始体育器材（塑料）为基体相、以碳纤维作为增强相，二者通过某种工艺有效地结合在一起，获得碳纤维和塑料的双重特性，通过协同作用，基体相的综合性能得到明显提升。

1.1 试验部分

1.1.1 试验原料

（1）碳纤维材料

碳纤维是一种采用高温分解法去除有机母体纤维中除碳以外的所有元素而制成的新型加固材料[5]。目前常用的表现形式为碳纤维布、碳纤维板。它们的区别在于三个方面：在特征方面，与布类似，重量轻、厚度薄、质地软，可随意裁剪，由碳丝编织成；碳纤维板则通过碳纤维原丝与树脂硬化而成的碳纤维复合材料，类似于钢板，不易剪裁、质地也更硬。在强度方面，粘贴一层碳纤维板的效果等于粘贴4～8层碳纤维布。在施工方面，粘贴碳纤维布需要进行涂刷底胶和面胶，碳纤维板则不需要进行这些工序，因此碳纤维布施工操作较碳纤维板简单，对施工环境要求井不太严苛[6]。本文试验中选择I-200碳纤维布作为试验基础碳纤维材料。该碳纤维布原始性能参数见表1。

表1 I-200碳纤维布性能参数Table 1 I-200 carbon fiber cloth performance parameters

（2）粘接材料

在体育器材中碳纤维材料的加固粘接工艺，除了碳纤维材料外，其配套的胶粘剂也很重要。碳纤维材料的加固粘接中一般用到三种胶粘剂：底胶、找平胶、浸润胶[7]。

底胶：涂于体育器材表面，具有一定的渗透作用。当底胶干结后，会形成硬化层，有利于隔断基层潮气，防止后期找平胶和浸润胶涂膜起泡脱落，提高碳纤维材料与体育器材的黏结强度，使碳纤维材料不易发生剥离现象。

找平胶：当待加固的体育器材表面因使用不当等后期因素表面出现不平整时，要用找平胶进行修复，以便使碳纤维能够与体育器材表面紧紧贴合。

浸润胶：最上层胶水，起到碳纤维材料与体育器材粘结在一起的作用。

本试验中底胶、找平胶和浸润胶等三种胶粘剂配置材料见表2。

表2 三种胶粘剂配置材料Table 2 Three adhesive configuration materials

1.1.2 试验设备

本试验中所需要的主要设备见表3。

表3 试验设备Table 3 Test equipment

1.2 试验过程

体育器材中碳纤维材料的加固粘接工艺流程如图1所示。

图1 加固粘接工艺流程Fig.1 Reinforcement bonding process

如图1所示，加固粘接工艺的具体流程为：

步骤1：体育器材处理。在进行加固前，需要对待加固体育器材表面进行处理，包括清洗、平整、修补和打磨等。

（1）清洗。使用过的体育器材表面会存在一些污垢，若不去除，会影响与碳纤维材料的粘合度，因此需要利用丙酮对体育器材表面进行反复擦洗。

（2）平整。体育器材在使用过程中难免会因为不当操作行为出现缺陷，导致器材与碳纤维材料无法紧密贴合，所以需要利用配置好的找平胶进行缺陷填补。找平胶配比方案为环氧树脂∶液体橡胶∶缩胺=2:5:3。

（3）修复。体育器材在使用过程中因受力过重可能会出现裂纹，因此需要进行修补。当裂缝小于0.2nm时，使用环氧树脂进行涂刷密封即可；当裂缝大于0.2nm时，需要使用环氧树脂灌进缝隙中进行填补[8]。

（4）打磨。为了发挥底胶的作用以及消除体育器材凸出缺陷，需要利用砂轮机打磨平整，提高底胶与体育器材的粘合度。

步骤2：配制底层用胶并涂敷。

（1）配制底胶。采用配套底胶按一定比例将主剂与固化剂放置入容器内，并搅拌均匀，完成配制底胶。具体配置方案为：环氧树脂∶液体橡胶∶复配改性胺=4∶5∶1。

（2）底胶涂刷。采用滚筒刷将底胶均匀涂抹在体育器材的表面，一般厚度要小于等于0.4mm，并注意不要出现漏涂、流淌或气泡现象。

（3）注意事项。最佳干燥时间为10min～30min；当底胶表面指触干燥后，立即进行下一工序；涂底胶时，适宜温度为5℃以上，适宜湿度为85%RH以下；底胶固化后，用砂轮机将凸起不平处磨平，为下道工序作好准备[9]。

（1）配制浸润胶。按照配比方案（环氧树脂∶液体橡胶∶复配改性胺∶改性脂肪族聚胺∶芳香胺固化剂=3:3:1:2:1）配制浸润胶，并使用低速搅拌器按顺时针一个方向搅拌，直至颜色均匀，无气泡产生，并应防止灰尘等杂质混入。

（2）浸润胶涂刷。与底胶涂刷方式相同。

步骤4：碳纤维材料剪裁并粘接。

（1）首先根据待加固的体育器材剪好所需尺寸的碳纤维材料。

（2）在体育器材上涂刷配制好的浸润胶，做到涂刷稳、准、匀的要求[10]。

（3）将剪好的碳纤维材料平整的铺在涂有浸润胶的体育器材上，并用橡皮或塑料的刮析轻刮数次。

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（4）粘完后，利用压力机从一端向另一端滚压碳纤维材料，且不宜在一个部位反复滚压揉搓，让浸润胶浸透且挤出气泡[11]。

（5）当需要多层粘贴时，利用干燥机进行干燥，待上层碳纤维布表面指触感干燥后，再进行下一层碳纤维布的粘贴[12]。

步骤5：固化。

（1）等待干燥过程中，要注意防雨淋，防风沙，防止硬物碰伤粘接表面[13-15]。

（2）固化时间至少3～7天。

（3）固化后，在碳纤维材料表面均匀涂抹一层粘结剂，作为碳纤维材料的保护层。

步骤6：质检。

（1）碳纤维材料的实际粘贴位置与设计位置之间的偏差应≤10mm。

（2）碳纤维材料与体育器材之间的总有效粘接面积应≥95%[16]。

（3）粘贴空鼓率≤5%，且单个空鼓面积≤100cm2。

1.3 测试结果分析

1.3.1 胶粘剂性能

胶粘剂性能直接关系着粘接的牢固程度，因此在三种胶粘剂配置完成后，需要按照GB/T 2794-1981，在室温条件下，自动测量三种胶粘剂的相关性能参数。室温20℃，每种胶粘剂测试 5 次，取平均值，单位为MPa。胶粘剂性能见表4。

表4 胶粘剂性能（MPa）Table 4 Adhesive properties (MPa)

从表4中可以看出，本试验中制备的胶粘剂各项性能均满足规定的要求，因此可以用于体育器材中碳纤维材料的加固粘接。

1.3.2 粘接强度

在加固粘接完成后，利用WDW-2020电子万能试验机进行碳纤维材料粘接强度测试。为保证试验结果准确性，测试 5 次，取平均值，单位为 MPa。粘接强度结果如图2所示。

图2 粘接强度Fig.2 Bonding strength

从图2可以看出，随着拉力的不断增大，粘接强度逐渐减小。当拉力达到83N时，碳纤维材料与胶粘剂几乎分离，失去效用，说明碳纤维材料样本承受的最大拉力极限为83N左右。

1.3.3 疲劳强度

碳纤维材料加固粘接后也并不保证体育器材不会发生损坏，只是可以延长使用寿命，因此疲劳强度变化情况会在一定程度显示碳纤维材料加固粘接性能。静载荷强度初始值设置为0.5kN，初始频率设置为90Hz，每种工况下测试5次，取平均值。疲劳强度结果见表5。

表5 疲劳强度Table 5 Fatigue strength

由表5可知，碳纤维材料加固粘接后，当静载荷强度为2.4kN，初始频率为156 Hz时，材料达到疲劳极限，一旦超过这个限值就会发生断裂。

1.3.4 耐水性

碳纤维材料加固粘接后，一旦接触到潮湿环境就有可能存在开胶现象，因此将粘接后的碳纤维材料样本放入到温室条件下的水中浸泡，然后记录开胶时间，判断粘接处的耐水性。从耐水性上可以反映粘接的加固程度。耐水性测试结果见表6。

表6 耐水性Table 6 Water resistance

由表6可以看出，浸水86h后，加固粘接后的碳纤维材料完全开胶。现实情况中，体育器材中碳纤维材料不可能一直处在湿润环境中，因此粘接加固后完全能够满足现实需要。

2 结语

综上所述，随着全民健身活动的展开，体育产业得到了蓬勃发展，尤其是体育器材的设计与生产，更是适时在更新换代，满足了人们的锻炼需求。碳纤维材料的使用是体育器材领域的一项重大变革与突破，解决了以往纯塑料体育器材存在的性能缺陷。为此，本文对碳纤维材料的价格粘接方法进行了研究。经测试结果，证明碳纤维材料能有效提高体育器材性能。