乒乓球拍用水性粘合剂的粘合性能与影响研究

尚龙盛

(西安汽车职业大学 文理学院,陕西 西安 710600)

球拍主要有海绵、胶皮和底板构成,目前市场上售卖的乒乓球拍都是成品售卖的,而竞技赛场上运动员使用的球拍对球拍的弹性、硬度提出了更高的要求,因而竞技场使用地专业球拍基本都是由自己粘合[1-3]。乒乓球拍传统用胶水为氯丁胶,由胶体和有机溶剂组成,其中有机溶剂粘接拍面和胶体,并增加拍面的弹性性能[4-7]。传统溶剂具备较好的膨胀效果同时,其中含有的二甲苯[8]、四氯化碳等成分对人体危害性较大[9-12],近些年已经被禁止使用。目前部分乒乓球拍在溶剂选择上,更多的是寻找毒性较低,膨胀效果较好的有机溶剂[13-15]。如环乙烷、正庚烷等[16-17]。天然橡胶具有较好的膨胀性和低毒性,因而能在乒乓球拍制作过程中得到较好的应用[18]。本文以天然橡胶为基材,为提高材料较好的粘接性,通过进行不同配方配比,塑炼,获得性能优异的环保性溶剂,以代替传统乒乓球拍拍面粘合剂。

1 实验部分

1.1 实验原料和设备

实验原料:天然橡胶工业品,分子量1.36×106;环己烷、油溶性偶氮二异丁酸二甲酯(AIBME)引发剂(分析纯),天津市红岩化学试剂厂。表1中给出了实验使用仪器相关信息。

表1 实验用仪器

1.2 实验方法

采用XK-160双辊筒炼胶对天然橡胶破胶处理,辊筒压片厚度参数设置为0.5 mm,塑炼加工时间设置10、20、30 min,将样品编号分为A、B、C组,将环乙烷加入A、B、C样品中,每一组设定取样时间10、20、30 min,编号分别为i-1、i-2、i-3,其中i为A、B、C,共设定9组,再以原料作为对照组D,进行试验组和对照组性能比较。

1.3 测试方法

分别对设定的10个样品进行拉伸性能、撕裂性能、黏度、粘接强度等指标性能测试,具体测试项目为:根据GB/T 528—2009进行拉伸性能测试,设定拉伸速度500 mm/min;根据GB/T 529—2009进行撕裂度性能测试,设定拉伸速度500 mm/min;根据GB/T 22235—2008进行黏度测试;根据GB 27925—81剥离强度方法进行粘接强度测试;根据GB/T 1232.1—2000进行门尼黏度测试,设定测试温度100 ℃。

2 结果与讨论

2.1 塑炼对分子量影响

天然橡胶分子量庞大,分子间作用力也很大,使得天然橡胶溶解度低,黏度大,直接用于乒乓球拍粘接不易形成良好的弹性。表2给出了10组试验对象在不同塑炼时间下的分子量、黏度对照结果。

表2 塑炼对分子量的影响

由表2可知,随着试样取样时间边长,试验塑炼程度越大,分子量逐渐变小。天然橡胶塑炼就是剪切力作用下打断天然橡胶的大分子链,当塑炼时间越长,分子链锻炼越多,分子量也就越小[19]。由表2可知,分子量最小的试验组为C-3,分子量下降率为89.7%。由于分子量与分子下降率同比增率成正相关,即分子量越小,大分子断裂越多,塑炼对分子作用越小。

2.2 塑炼对物理性能影响

天然橡胶塑炼后分子量发生变化,相应的物理机械性能也会变化。塑炼低温度时,天然橡胶受机械剪切力的作用大分子断裂生成自由基,塑炼高温时,由机械剪切力的活化作用,引发大分子断裂,形成不稳定的过氧化物,最终分解为较小分子量的橡胶制品[20]。比较实验组和对照组在不同塑炼程度下的物理性能和机械性能,结果如表3所示。

表3 塑炼对物流性能的影响

由表3可知,原料对照组拉伸强度24.75 MPa,直接撕裂强度25.84 kN/m,而到A-1组拉伸强度0.31 MPa,直接撕裂强度3.16 kN/m,即由对照度D到A-1组拉伸强度和直角撕裂强度发生突变,是由于机械开胶后导致大分子内聚力降低[21]。随着分子量较小,断裂伸长率逐渐增加,橡胶的可塑性和柔性增大,表明橡胶塑炼降低了橡胶分子内聚力,提高了可塑性。

2.3 塑炼对溶解度、黏度影响

对不同塑炼程度的实验组和对照组溶解度、黏度进行测试,结果见表4。由表4可知,随着天然橡胶分子量的降低,样品溶解度和黏度表现出逐渐增加的趋势,其中最高溶解度达到28.6%。经过塑炼后的天然橡胶中环乙烷饱和溶解度明显升高,有效解决了大分子有机物难溶的问题,相较于传统的化学法来降低分子量,采用塑炼方法成本度,环境污染小,对分子降解度高[12]。随着分子量较低,有机溶剂的溶解度和黏度均得到增加。

表4 塑炼对溶解度、黏度的影响

2.4 不同分子量胶水的粘接强度

由上述分析中可知,分子量不同的天然橡胶性能有所不同,对胶水性能造成影响,其中分子量越小,可塑性也就越好,获得不同分子量胶水对乒乓球拍粘合强度影响,见表5。由表5可知,分子量逐渐减小过程中,粘接强度呈现除以先增大后减小的变化过程,当分子量小到一定程度后,粘接强度随之降低,此时对应的分子量为临界点。试验组B-3时的黏度强度最大,因此可选择B-3来作为粘接胶水原料。

表5 塑炼对粘接强度的影响

2.5 引发剂对粘合胶水性能影响

引发剂作为附加用料,直接影响到胶水粘接的反应速率,对胶水性能造成影响,为保证胶水具有更好性能,对引发剂用量进行研究,获得不同引发剂用量下的测试结果见表6。

表6 引发剂对胶水性能影响

由表6可知,引发剂用量逐渐增多时,胶水乳液稳定性和黏度表现出一个先上升后下降到变化趋势,固含量随着引发剂用量增加而逐渐上升,但上述幅度不大。随着引发剂用量逐渐增大,胶膜外观逐渐变硬,当引发剂用量为0.6%时,最大黏度可达到42.7 MPa·s,此时乳液稳定性优良。因此,可选定引发剂用量0.6%时的胶水进行乒乓球拍粘接。

2.6 单体类型对粘合胶水性能影响

不同单体种类和单体用量可直接影响胶水物理性能、机械性能和粘接性能,分别比较不同MMA硬质单体和VAc共聚改性单体配比下胶水的性能,见表7所示。

表7 引发剂对胶水性能影响

由表7可知,当MMA∶VAc比例越大,胶水拉伸强度、黏度和吸水强度表现出先增多后减小的趋势,硬度逐渐增大,而胶水的固化率变化并不明显。当MMA∶VAc=20∶10时,胶水拉伸强度、黏度和吸水强度均达到最大值,可见该比例下的胶水具有更好的综合性能。

2.7 不同类型产品性能比较

选择采用样品B-3比例成分与国内应用较多的氯丁橡胶粘合剂、无机粘结剂进行性能比较,结果见表8。

表8 不同胶水的性能比较

在粘度相近条件下,氯丁胶的粘接强度最高,B-3样品粘结强度稍低,但B-3样品采用环乙烷作为溶剂,具有环保无毒性特点,因此可作为氯丁胶的替代品。

3 结语

(1)天然橡胶塑炼时间30 min,分子量降低,粘接性上升,有机溶剂中溶解度提高,当分子量降低到0.29×106,能有提升乒乓球拍胶水粘接轻度和弹性,降低胶水黏度,制得适合弹性、环保的有机胶水;

(2)引发剂量0.5%、单体m(MMA)∶m(VAc)%=20∶10时,乒乓球拍粘合胶水稳定性和黏度优异,用在乒乓球训练中能获得较好的使用效果。