亚麻纤维增强可降解树脂基复合材料 在体育用品上的应用

李胜业　徐培明　王伟　卞青峰　宋小龙

复合材料是当今发展最快的高性能材料之一，但传统高性能纤维在体育用品领域的应用广泛。国际体操联合会对高低杠表面功能层的要求是：（1）横杠的外表面必须具有（手的）滑动性和转动性能，但不可发滑;（2）为保证抓牢，横杠表面必须吸潮湿。为满足这两点要求，高低杠杠面采用力学性能优异的进口枫木加工成厚度0.5mm的木页，使用胶黏剂将木页粘贴在高低杠杠芯上。木页上不能有大的疤痕，长度2.4m长度、宽度120mm的木页不能有加工或存储过程中的裂纹;木页的厚度仅有不足1mm，在高低杠使用过程中运动员经常使用砂纸打磨高低杠表面附着的镁粉，因此厚度仅0.5mm左右的木页很快就会磨损完毕而使整根杠面报废。什么材料既有木页的摩擦性能、优良的力学性能和工艺性能呢？随着人们对天然植物纤维研究的不断深入，人们发现天然纤维具有一些独特的优势：亚麻纤维作为一种天然纤维，具有密度低、强度大，来源广泛、价格低廉、吸水吸汗性强、天然可降解、资源可再生等优点。本文在对比研究木页和亚麻纤维增强可降解环氧树脂基复合材料性能的基础上，对亚麻复合材料在高低杠上的应用研究做了一些探索。

1 亚麻预浸料复合材料性能

1.1 亚麻增强环氧树脂基亚麻复合材料的热性能

图1a中所示，亚麻复合材料环氧树脂固化温度初定为135℃/1.5h，玻璃化转变温度在120℃以上，可以判定亚麻纤维复合材料在室温至75℃下使用力学性能不会突变。图1b中是亚麻预浸料加热前和经135℃/1.5h加热后样品红外光谱，图中913cm-1处是环氧基官能团，固化后譜图中环氧官能团消失，说明135℃/1.5h材料固化完全。

1.2 亚麻增强环氧树脂基复合材料摩擦性能

不同亚麻纤维质量分数复合材料干态摩擦性能与进口北美枫木木页的纵向摆动摩擦性能见表1和表2所示。

表1中，亚麻纤维增强环氧树脂基复合材料的纵向摩擦系数随亚麻纤维含量的增加而增加。进口北美枫木木页顺纹理方向摩擦系数为0.774，当亚麻纤维含量约55%时，亚麻纤维增强环氧树脂基复合材料纵向摩擦系数为0.762，与北美枫木木页摩擦系数相近。表2中，亚麻纤维增强环氧树脂基复合材料的横向摩擦系数随亚麻纤维含量的增加而增加。进口北美枫木木页垂直于纹理方向摩擦系数为0.828，当亚麻纤维含量约55%时，亚麻纤维增强环氧树脂基复合材料纵向摩擦系数为0.834，与北美枫木木页摩擦系数相近。因此可以初步判定当亚麻纤维含量为55%时，亚麻复合材料与进口北美枫木木页具有相近的摩擦系数。因此本文以下部分着重研究了纤维含量为55%的亚麻纤维复合材料性能，并与进口北美枫木木页做了对比研究，最后制作了高低杠样品并进行性能测试。

1.3 亚麻增强环氧树脂基复合材料性能

将55%纤维含量的亚麻纤维增强环氧树脂单向预浸料裁切为310mm*310mm，采用135℃模压1h的工艺进行样品制作，按单向纤维层压板力学性能测试标准进行性能测试，结果见表3所示。

表3中可见亚麻/环氧复合材料纵向拉伸强度为229MPa是进口枫木木页纵向拉伸强度95.8MPa的2.4倍;亚麻/环氧复合材料横向拉伸强度为12.9MPa、延伸率0.87%，是进口枫木木页横向拉伸强度0.92MPa的14倍，延伸率基本相同。因此可以判定纤维含量为55%时的亚麻增强环氧树脂基复合材料满足替代进口北美枫木木页用于高低杠杠面表面功能层包覆的力学性能要求。

1.4 亚麻增强环氧树脂基复合材料界面性能

亚麻增强环氧树脂基复合材料横向拉伸断口原始形貌喷金后扫描电镜观察并拍照，见图1a和图1b所示。

由图2中所示，亚麻增强环氧树脂基复合材料纤维方向一致性较好、排列紧密;图1所示，高放大倍数下可见亚麻纤维表面附着大量环氧树脂，说明亚麻纤维与环氧树脂间具有良好的界面性能。

1.5 亚麻增强环氧树脂基复合材料吸水后性能研究

高低杠在使用过程中运动员会在杠面喷水，使得高低杠杠面粘附镁粉。因此，本文测试了亚麻增强环氧树脂基复合材料在潮湿状态下的力学性能和摩擦性能。本文按标准裁切后的试样分为三种，一组常温环境下放置24h为干燥对照组;一组使用喷壶两面喷水至样品有水珠滴落后在28℃、湿度75%的环境下放置24h;最后一组放入蒸馏水中浸泡24h，为水浸组，其力学性能测试结果见表5所示。

表5中，层间剪切在吸潮后由9.82MPa降低至7.93MPa，水浸24h后层间剪切性能降低至2.77MPa，可见大量吸湿后亚麻增强环氧树脂基复合材料层间剪切性能大幅降低，猜测可能是纤维吸水膨胀造成了层间具有较大的内应力;纵向拉伸性能在吸潮和水浸后拉伸强度变化不大，断裂伸长率分别增加了30%和95%，可能是纤维吸水后韧性增大。横向拉伸试样拉伸强度吸潮后降低32%、水浸后降低56%，因其模量的降低断裂伸长率反而分别增加了1倍和2.4倍。可见大量吸湿对亚麻纤维增强环氧树脂基复合材料纵向拉伸和横向拉伸性能有巨大的影响。为研究水浸对亚麻增强环氧树脂基复合材料的力学性能影响是否可恢复，本文使用DMA测试了亚麻增强环氧树脂基复合材料在干态、水浸24h和水浸24h后干燥的纵向弯曲试样的动态力学性能，结果见图2所示。

由图2中可见，水浸后层压板的动态储能模量急剧下降，这一结果与吸水后亚麻复合材料纵向拉伸模量降低的结论一致;吸水后亚麻复合材料的玻璃化转变温度和储能模量有所下降，干燥后玻璃化转变温度和储能模量都有所上升，并且超过了原有水平，说明吸水干燥后亚麻增强环氧树脂基复合材料性能可以恢复至吸湿前水平，因此可以初步判定吸湿对亚麻增强环氧树脂基复合材料不会造成不可恢复性伤害，恰前相反吸湿后干燥能够提升亚麻复合材料性能，可能是吸湿、干燥过程中复合材料层压板内应力得到了释放。

2 亚麻复合材料在高低杠杠面上的应用

2.1 木页包覆玻纤拉挤高低杠杠芯结构与工艺分析

图3中所示，D为国际体联要求成品高低杠杠面直径，是以玻璃纤维增强环氧树脂基复合材料为主承力部件，外部使用环氧树脂包覆一层木页作为表面功能层的高低杠杠面，其直径为40mm;h为木页厚度，黄色部分是木页包覆用环氧树脂胶黏剂。该工艺选用进口优质北美枫木机加工出厚度为h的枫木木页，其长度为2.4m、宽度约125mm。

将表4中进口北美枫木木页横向拉伸断裂延伸率2.128%代入公式4中可得不采取特殊工艺对木页直接包覆高低杠杠面的情况下，最大木页包覆厚度为0.8mm，厚度超过0.8mm时直接包覆北美枫木木页一定开裂。

2.2 亚麻预浸料包覆玻纤拉挤高低杠芯结构与工艺分析

（1）亚麻环氧树脂预浸料包覆高低杠杠芯工艺：使用细砂纸粗化玻纤环氧拉挤高低杠杠芯，使用蘸有酒精的棉布擦洗高低杠杠面后晾干;使用丙酮稀释后的环氧胶黏剂体系刷涂高低杠杠面，自然晾干后包覆树脂含量45%的亚麻环氧树脂预浸料，使用OPP缠绕施压后放入120℃烤箱加温1.5h后自然冷却至60℃以下;取出加温后的高低杠杠面，去掉表面OPP，使用细砂纸打磨至表面光滑、直径40±0.5mm即可。

（2）工艺分析：由于包覆过程中亚麻环氧预浸料未固化，包覆厚度不受工艺过程中的弯曲拉应力影响。

2.3 杠面的性能测试与分析

委托体育用品检测中心按照国际體联标准和泰山体育产品标准进行了性能测试，测试结果数据见图4所示。

图4亚麻高低杠杠面测试报告

由图4中所示测试数据表明，亚麻环氧树脂复合材料包覆的高低杠杠面符合国际体联标准高低杠杠面性能要求，且其150mm弯曲疲劳达到了10万次，远超同类国际大品牌产品的5万次水平。

3 小结

（1）55%纤维质量分数的亚麻纤维增强环氧树脂复合材料单向层压板干态和湿态摩擦系数和进口北美枫木木页基本相同;

（2）亚麻纤维增强环氧树脂基复合材料与进口北美枫木木页相比具有良好的力学性能;

（3）使用亚麻纤维包覆高低杠杠面工艺过程中无表面开裂风险，具有木页包覆工艺所不具备优势;

（4）使用亚麻纤维增强环氧树脂基复合材料包覆的高低杠杠面满足国际体联性能要求。

该文出自《年产128万平低温强韧可回收再利用复合材料及应用项目》研发成果;项目备案代码：2019-371481-24-03-021414。

（作者单位：1.泰山体育产业股份有限公司;2.泰山体育产业集团有限公司国家体育用品工程技术研究中心）