新型高性能纤维材料在运动器材中的影响研究

刘 明

（陕西财经职业技术学院，咸阳 712000）

随着节能、降耗、减排理念的发展与成熟，现代材料制造轻量化逐渐成为当前工业、化工、材料领域等的重点研究方向。纤维材料因其性能优势，被广泛应用于体育器材制造领域。随着科技的发展，新型高性能纤维材料（高性能纤维增强基体树脂的复合材料为主）的出现，因其具有质轻、高模高强、耐腐蚀、耐冲击、抗振等特点较普通纤维材料更适合应用于体育制造领域[1]，尤其在羽毛球运动体育器材中被广泛应用。

1 材料与方法

1.1 材料的制备

实验材料选用的纤维布是3mm厚的由Jining Car-bon Group Co.，Ltd 生产的，纯度为99%环氧树脂（epoxy resin）和固化剂（curing agent）是由Shang-hai Demao Chemical Co.，Ltd 生产的，可溶性PTFE是由DuPont company 生产的，Guangzhou Chemical Reagent Factory 为实验提供了HNO3（纯度为65%）、NH3·H20（浓度为25%）、C4H8O2（浓度为96%）、H2SO4（纯度为95%），提供（OC2H5）4、高纯C2H6O为Sinopharm Chemical Reagent Co.，Ltd。

如图1、图2、所示材料制备选择刻蚀法、stober方法制备新型高性能纤维材料［2］，其具体流程如下：

图1 采用刻蚀法制备新型高性能纤维材料流程图Fig.1 Flow chart of new high performance fiber materials prepared by etching method

图2 采用stober方法制备新型高性能纤维材料流程图Fig.2 Flow chart of new high performance fiber materials prepared by stober method

其中图2 中的混合溶液配比为：先将Si（OC2H5）418mL 和C2H6O 98ml 混合均匀，再滴入NH3·H20 18mL和C2H6O 380mL。

1.2 球拍尺寸设计

球拍所用材料为碳纤维（carbon fiber）及环氧树脂（epoxy resin）的混合材料，其外观尺寸为中心控制的杆状。其中长度为459mm，厚度为1.53mm，直径为7.45mm；拍框设计为短半轴为椭圆形长度为102mm，长半轴为143mm，厚度为14.2mm，最长直径为0.71mm。球拍的编织是利用单元构建的，其使用的材料为拉线材料是一种Bisphenol A epoxy resin carbon fiber 增强复合材料[3]，该材料的单胞模型（Cell model）含有4 个编织纱和3 个轴向纱。如表1所示通过加权平均算出的材料弹性参数，由此可以看出纤维的增强与编织角和纤维体积有很大关系。

表1 以上材料所用的基质材料属性Tab.1 Matrix material properties used for the above materials

在分析羽毛球拍的受力时，需要分析两端的和垂直向上的力，因为羽毛球拍在使用是，不单单有垂直向上的力，还有球拍两侧的外力。

1.3 实验原理与方法

使用有限元区域叠加法对材料性质进行匹配，匹配时只需要两相模型耦合无误，就说明材料的刚度适合，可以完成匹配。如公式（1）所示线弹性属性材料代表的同性材料的应力应变刚度矩阵为负，公式：

公式（1）中T代表材料的弹性模量；b代表泊松比；Fa代表负材料。

1.4 拍杆弹性性能预测

在分析新型高性能纤维材料时，以分析弹性性能为主[4]，分析的弹性模量也是在单细胞基础上进行的，主要是Poisson"s ratio 和shear modulus 的分析。有限区域元叠合法分析的羽毛球拍弹性比较科学准确，通过数据分析可以看出，羽毛球拍因纤维轴的承担载荷比普通球拍的二维三向编制更好。

2 结果与分析

通过对比纤维织物A（Carbon fiber fabric A）、纤维织物B（Carbon fiber fabric B）和原始纤维织物（pristine Carbon fiber fabric）的红外光谱图如图3 所示，可以看出织物A 与织物B 的红外光谱差距不大，而与原始纤维织物的差距较大。Stretching vibration peak 和Absorption peak of carboxyl group三种材料都具有[5]，织物A是在1100cm-1时、织物B是在3450cm-1和1650cm-1时、原始纤维织物是在3450cm-1时，但是峰值更强的是织物A和织物B。从峰值对比可以看出原始纤维织物在制备中已经被刻蚀（H2SO4、HNO3），而织物A出现1100cm-1、797cm-1说明纤维布上的SiO2颗粒已经成型。

图3 复合纤维材料的红外光谱图Fig.3 Infrared spectrum of composite carbon fiber material

通过显微镜观察织物A和织物B可以看出，经过刻蚀（H2SO4、HNO3）后的织物B表面出现了深浅程度不一的沟槽，与pristine Carbon fiber fabric 相比较表面积增加了，而Epoxy resin更适合附着与表面结构粗糙的织物[6]；而织物A在显微镜中呈现出的是表面覆盖一层颗粒状析出物，而且还在局部形成团聚现象，结合图3可知，织物A在经过stober法处理后，纤维布表面形成了纳米级SiO2颗粒，从而提高了新型高性能纤维采莲的疏水性能，其表面同时也形成了微结构。

如图4 所示，将pristine Carbon fiber fabric 和ep-oxy resin 的表面湿润性用折线B 表示，Carbon fiber fabric A和epoxy resin的表面湿润性用折线A表示。通过图4对比分析可知，折线A和折线B随着可溶性聚四氟乙烯（PFA）的增加表面接触角都呈现出先增加而后减小的特征，当表面接触角值最大时，PFA的含量为45%，折线B与折线A的表面接触角最大值为（151.6±1.6）°和（138.6±1.8）°，此时这些材料具有超疏水性特征。可见，纤维材料表面接触角受PFA含量的影响较大，由于PFA为低表面能物质，对物质表面具有较大影响，因此，一定含量的PFA可以帮助纤维材料提升其表面的疏水性能[7]。但是由图可以看出，当PFA的含量大于50%之后，纤维材料的疏水性能会降低。

图4 可溶性四氟乙烯对高性能纤维材料接触角的影响Fig.4 Effect of soluble tetrafluoroethylene on contact angle of high performance fiber materials

如图4所示，当PFA的含量为45%时纤维材料的接触角最大，随着磨损次数的增加磨损量和表面接触角都成下降趋势。由于纤维材料在摩擦初期会出现断裂和SiO2颗粒脱落的现在，因此在初期磨损较大。之后随着摩擦的持续材料表面的epoxy resin 会发生反应，可以有效简繁磨损，而表面粗糙程度的变化会导致接触角的变化[8]。由图4可知折线E的接触角在经历长时间摩擦后仍然保持在较高水平为（140.9±1.9）°，因此，此刻的纤维材料扔具有较高的疏水性。通过显微镜观察折线E的摩擦情况，折线E在经历长时间摩擦后表面仍然比较平整，虽有局部断裂出现，但是部分纤维没有折断。再将材料的磨损面进行高倍放大后，其在低表面扔可以看到PFA，而由于纤维与epoxy resin具有较好的相容性，因此在发生较大的摩擦时该材料仍然具有较强的疏水性。

在不同的pH 值溶液中检测了A 类材料的耐酸碱性，当pH值从1逐渐增大时A类材料的接触角变化明显。取一个固定的pH值1，纤维材料的表面接触角为（147.4±1.1）°，PH 值取最大值14 时，纤维材料的表面接触角为（148.8±2.2）°。通过PH 值对比可以看出，新型高性能纤维材料具有较强的耐腐蚀性[9]。

3 结语

PEA 的 含 量 对pristine Carbon fiber fabric、ep-oxy resin 和碳纤维织物A 等材料的表面接触角有影响，表面接触角随PFA的影响呈现出先增大后减小的特点。当PFA的含量为45%时，该材料的表面触角为最大值，折线B（pristine Carbon fiber fabric 和ep-oxy resin）的表面触角最大值为（138.6±1.8）°，折线A（Carbon fiber fabric A 和epoxy resin）的表面触角最大值为（151.6±1.6）°。

表面接触角随着摩擦周次的增加呈下降趋势，Carbon fiber fabric A 和epoxy resin 在经历长时间摩擦后，表面接触角仍然保持的较好，也就是依然具有较强的疏水特性[10]。

Ph值从最低增加到最高时（1~14），新型高性能纤维材料的表面接触角没有明显变化。当pH 值固定为1 时，纤维材料的表面接触角为（147.4±1.1）°，Ph 值取最大值14 时，纤维材料的表面接触角为（148.8±2.2）°。通过Ph 值对比可以看出，新型高性能纤维材料具有较强的耐腐蚀性。