橡膠基球拍專用膠水的制備及粘接強度對比研究

成凌霄

(陜西鐵路工程職業技術學院,陜西 渭南 714000)

成品乒乓球拍通常已經將球拍拍底與海綿、膠皮等粘接在一起,消費者可以直接使用。但這種球拍大多數屬于初、中級乒乓球拍,價格也較為便宜。通常情況下較為專業的消費者或者職業運動員都會選擇自行購買球拍拍底、膠皮、膠水等自行對這些材料進行粘接。這種自行粘接球拍的好處在于運動員可以根據自己的實際需求選擇膠水的灌注量。對于職業運動員而言,自行粘接得到的球拍能夠根據自身的打法、對手的特色而進行靈活的調整。鑒于當前常見無機溶劑和有機溶劑都存在某些性能缺陷,研究以天然橡膠為基質制備了一種乒乓球拍粘接專用膠水,對該膠水的基本性能進行分析,對其替代傳統乒乓球拍粘接膠水的可信性進行了總結。

1 試驗材料與方法

1.1 試驗設備與材料

1.1.1試驗設備

本試驗所使用的實驗設備主要有雙輥筒煉膠機、黏度儀、電子萬能試驗機等。各設備型號及生產廠家信息如表1所示。

表1 試驗設備Tab.1 Test equipment

雙輥筒煉膠機用于對天然橡膠進行破膠處理,經過不斷塑煉得到分子量更小的天然橡膠擠出料。旋轉式黏度儀在一定溫度和壓力下,旋轉式黏度儀中的轉子以一定的旋轉力矩對試樣加以一定的剪切力,儀器測出橡膠的反剪切力矩[1]。電子萬能試驗機用于測量粘合膠的拉深度性能、撕裂度性能等。門尼黏度儀用于對天然橡膠進行膠料黏度和硫化指數的測定。

1.1.2試驗材料

橡膠基有機膠水的制備主要需要天然橡膠、環己烷、分析純等材料[2]。表2所示為幾種原料品牌及生產廠家信息。

表2 試驗材料Tab.2 Test materials

1.2 試驗方法

1.2.1橡膠基有機膠水制備流程

橡膠基有機膠水的制備流程可分為機械破膠、機械塑煉和塑煉填料3個主要環節。首先使用雙輥筒煉膠對天然橡膠進行破膠處理,對錕筒壓片進行厚度調節,使其參數設置為 0.5 mm,加工處理的時間分別設置為 10、20、30 min,其樣品分別記作為 A、B、C。在 A、B、C此3個樣品中分別加入環己烷,取樣時間分別為 10、20、30 min,10 min取樣的樣品記為A-1、A-2、A-3;20 min 取樣的記為 B-1、B-2、B-3;30 min取樣的記為C-1、C-2、C-3。然后在加上一組原料作為對照組,首先對這 10 組進行實驗,研究其哪種的性能最好,然后在最好的性能組中再加入單體和引發劑進行實驗,研究單體和引發劑對膠水性能的影響;具體如圖1所示。

圖1 橡膠基有機膠水制備流程

機械破膠環節的主要作用,是通過雙輥筒煉膠機將橡膠進行破碎處理,得到更容易進行塑煉的小顆粒橡膠;機械塑煉的基本目的在于降低固體生膠的分子量,亦即利用膠分子的降解反應降低天然橡膠的分子量和黏度,使之能夠具備更高的可塑性并獲得一定的流動性,滿足后續填料工藝的需要,不同的塑煉程度能夠得到不同分子量的試樣[3];填料是在機械塑煉降低分子量以后的膠液中加入環己烷這種填料劑,使膠液本身的粘性大幅提升,得到不同性能的粘合膠水。將制備得到的AⅠ、BⅠ、CⅠ,AⅡ、BⅡ、CⅡ,AⅢ、BⅢ、CⅢ試樣加入有機溶劑中進行充分攪拌,可以得到對應的有機膠水溶劑[4]。

1.2.2性能測試

利用電子萬能試驗機對9組試樣的拉伸度性能、撕裂度性能等進行測試。其中拉伸度性能測試保持萬能試驗機拉伸速度為500 m/min;撕裂度性能測試保持萬能試驗機拉伸速度為400 m/min。利用旋轉式黏度儀對試樣的黏度進行測試,保持室溫狀態26 ℃。利用門尼黏度儀對100 ℃狀態下試樣的黏度進行測試,得到不同塑煉程度試樣的門尼黏度變化情況。與其他氯丁膠膠水性能對比時,取長度為50 mm、寬度為25 mm的標準乒乓球海棉材料、普通乒乓球拍拍底及一般膠皮材料,按照相同的灌膠工藝均勻涂抹配置好的無機膠水和購買的氯丁膠膠水,對二者的黏度進行對比測試[5]。

2 結果與討論

2.1 天然橡膠視角

2.1.1不同塑煉程度對天然橡膠分子量的影響

天然橡膠中91%～94%是橡膠烴,其余成分主要包含蛋白質、脂肪酸等非橡膠物質。分子量的大小和變化狀態是分析天然橡膠制品性能和具體工藝參數的重要指標。本試驗所使用的天然橡膠為東莞市晟邦高分子材料有限公司引進的原產自泰國的橡膠產品。天然橡膠的硬度較高,需要進行破碎以后才可以進行塑煉[6]。同時,天然橡膠的分子量很大,分子的鏈結構呈聚集態,分子間的作用力很大。

研究以天然橡膠溶液和按照圖1流程制備的A、B、C共4組試樣為例,進行了分子量、門尼黏度等性能測試。表3所示為根據不同塑煉程度為劃分條件得到的天然橡膠分子量變化情況[7]。

表3 不同塑煉程度天然橡膠分子量變化情況Tab.3 Molecular weight changes of natural rubber at different plasticizing degrees

由表3可知,塑煉工藝能夠明顯降低天然橡膠的分子量,且隨著塑煉程度的增長,天然橡膠的分子量下降率逐漸提升,試樣C的分子量下降率已經達到了50.7%。天然橡膠經過塑煉工藝以后,能夠一定程度上降低原有的橡膠平均分子量。但是,試樣C的分子量仍然高達0.67×106u,仍然難以直接應用于乒乓球拍的粘接環節,需要添加環己烷填料劑后繼續進行塑煉。

2.1.2不同塑煉程度對加入環己烷天然橡膠分子量變化的影響

以天然橡膠和按照圖1流程制備加入環己烷后的AⅠ、BⅠ、CⅠ,AⅡ、BⅡ、CⅡ,AⅢ、BⅢ、CⅢ共10組試樣為例,進行了分子量、門尼黏度等性能測試。表4所示為根據不同塑煉程度劃分條件,得到的加入環己烷后天然橡膠分子量變化變化情況[8]。

表4 加入環己烷后不同塑煉程度天然橡膠分子量變化情況Tab.4 Molecular weight changes of natural rubber at different plasticizing degrees after adding cyclohexane

由表4可知,隨著煉膠機塑煉程度由10 min增至30 min,試樣分子量仍然在逐漸降低,分子量的下降率依然逐漸提升,天然橡膠的門尼黏度仍然處于下降趨勢。可見,環己烷填料劑的加入也并不能完全抵消因為塑煉工藝帶來的材料黏度和分子量下降問題[9]。由于天然橡膠很難溶解,盡管溶解以后的溶液黏度較大,但一般情況下粘合效果并不理想,粘合表面層很容易因為出現結晶現象而形成一層膜。因此,天然橡膠都需要經過塑煉降低分子量的情況下添加有機溶劑制備粘合劑。

2.1.3不同塑煉程度對天然橡膠物理性能的影響

天然橡膠加入環己烷填料劑以后繼續進行塑煉,會持續促使橡膠的大分子鏈斷裂,進而繼續降低天然橡膠的平均分子量。當塑煉溫度為室溫狀態下時,由于塑煉溫度較低,機械剪切力作用于天然橡膠生成橡膠大分子自由基。當塑煉溫度為100 ℃時,塑煉溫度的提升使天然橡膠逐漸軟化甚至液化,機械剪切力切斷橡膠大分子鏈的幾率隨之降低,但機械剪切作用下誘發天然橡膠活動作用越來越明顯,使橡膠中形成的氫過氧化物分解成為分子量更小的大分子[10]。在這種情況下,天然橡膠的拉伸強度、斷裂伸長率等物理性能始終處于變化狀態。表5所示為加入環己烷填料劑經過100 ℃塑煉以后天然橡膠部分物理性能。

表5 加入環己烷填料劑經過100 ℃塑煉以后天然橡膠部分物理性能Tab.5 Physical properties of natural rubber after 100 ℃ plasticizing with cyclohexane filler

由表5可知,加入環己烷填料的天然橡膠在100 ℃條件下進行塑煉,隨著塑煉程度的增長,材料本身的拉伸強度和直角撕裂強度呈明顯的急劇降低后平穩提升狀態,CⅢ的拉伸強度進和直角撕裂強度分別達到了0.55 MPa和5.33 kN/m,這是因為天然橡膠經過機械開膠以后,材料內部的分子間內聚力急劇降低,導致材料的拉伸強度飛速降低,后隨著塑煉程度的延長,材料的拉伸強度和直角撕裂強度緩慢提升[11]。

天然橡膠斷裂伸長率呈急劇提升以后緩慢平穩提升狀態,這是因為溫度的提高材料的分子量降低,材料本身的柔軟度突然提升,但開膠以后盡管材料的分子量還在不斷減小,但變化幅度已經遠遠小于原樣到AⅠ時的變化幅度,材料本身的斷裂伸長率提升逐漸放緩。這表明,100 ℃條件下天然橡膠塑煉能夠顯著降低材料內部分子間內聚力,材料的可塑度、柔軟性等性能能夠得到明顯提升。

2.2 橡膠基粘合膠水視角

2.2.1不同塑煉程度對橡膠基粘合膠水溶解度、黏度的影響

將原樣、A1、B1、C1,A2、B2、C2,A3、B3、C3試樣加入有機溶劑中進行溶解,經過充分的攪拌以后得到對應的天然橡膠有機溶劑膠水材料。對有機溶劑膠水的溶解度、粘度進行測試,得到表6所示的測試結果[12]。

表6 不同塑煉程度橡膠基粘合膠水溶解度、粘度Tab.6 Solubility and viscosity of rubber base adhesive glue at different plasticizing degrees

由表6可知,橡膠基粘合膠水溶解度和黏度均隨塑煉程度的增強而逐漸增強,最高溶解度和黏度分別達到了28.9%和1 450 cP,表明經過機械塑煉以后的試樣能夠充分溶解在有機溶劑中,解決了一般粘合膠水難以溶解在有機溶劑中的問題。這種利用機械塑煉降低天然橡膠分子量,使天然橡膠能夠充分溶解于有機溶劑中制備粘合膠水的方法顯然比一般的化學降低橡膠分子量的方法更為簡單,成本更低。同時這種方法的污染性也較低。

2.2.2不同試樣粘合膠水對乒乓球拍粘接強度的影響

選擇天然橡膠質量占比為10%的有機粘合膠水溶液進行粘接強度測試,得到表7所示的不同試樣粘合膠水對乒乓球拍粘接強度的影響。

表7 不同試樣粘合膠水對乒乓球拍粘接強度的影響Tab.7 Influence of adhesive glue of different samples on adhesive strength of table tennis racket

由表7可知,由AⅠ至CⅢ試樣粘接強度變化狀態可知,9種試樣有機膠水的粘接強度呈先緩慢上升后下降的趨勢,在BⅢ試樣處達到最佳。表明盡管分子量的降低有助于增強膠水的粘接強度,但是這種增強存在一定的臨界值。在本文的試驗中,這一臨界值為試樣BⅢ的0.17×106u分子量狀態。本文認為BⅢ試樣制備的有機粘合膠水為最佳膠水。

2.2.3與常見膠水性能對比

選擇常寧市宏豐化工有限公司生產的氯丁膠粘合劑和某種國產乒乓球拍專用粘合劑為對比對象,對乒乓球拍拍底、海棉、膠皮的粘接強度和黏度進行對比,得到表8所示的試驗結果。

表8 相似黏度、粘接強度對比Tab.8 Comparison of bonding strength with similar viscosity

由表8可知,3種試樣的黏度均在500 cP左右,BⅢ的黏度最低僅為490 cP。但3種試樣的粘接強度測試結果為BⅢ的粘接強度最高,達到了7.2 kN/m,而專用粘合劑的粘接強度僅為5.6 kN/m。顯然,本文制備的橡膠基有機粘合膠水的粘接強度已經超過了一般的乒乓球拍專用無機粘合劑,較氯丁膠粘合劑的粘接效果也更為理想。

3 結語

橡膠基有機粘合膠水能為乒乓球拍提供超過一般無機粘合劑的粘接強度。研究所示的有機膠水制備方法改變了以往有機膠水制備過程中需要經過化學手段降低橡膠分子量的問題,一定程度上優化了有機膠水的制備流程。經過對天然橡膠和有機橡膠粘合劑的試驗分析,有機粘合膠水在制備方法、材料彈性、粘接強度等方面均已經達到了理想的應用效果,可以被應用于一般的乒乓球拍粘接環節。