乒乓球拍用水性粘合劑的粘合性能與影響研究

尚龍盛

(西安汽車職業大學 文理學院,陜西 西安 710600)

球拍主要有海綿、膠皮和底板構成,目前市場上售賣的乒乓球拍都是成品售賣的,而競技賽場上運動員使用的球拍對球拍的彈性、硬度提出了更高的要求,因而競技場使用地專業球拍基本都是由自己粘合[1-3]。乒乓球拍傳統用膠水為氯丁膠,由膠體和有機溶劑組成,其中有機溶劑粘接拍面和膠體,并增加拍面的彈性性能[4-7]。傳統溶劑具備較好的膨脹效果同時,其中含有的二甲苯[8]、四氯化碳等成分對人體危害性較大[9-12],近些年已經被禁止使用。目前部分乒乓球拍在溶劑選擇上,更多的是尋找毒性較低,膨脹效果較好的有機溶劑[13-15]。如環乙烷、正庚烷等[16-17]。天然橡膠具有較好的膨脹性和低毒性,因而能在乒乓球拍制作過程中得到較好的應用[18]。本文以天然橡膠為基材,為提高材料較好的粘接性,通過進行不同配方配比,塑煉,獲得性能優異的環保性溶劑,以代替傳統乒乓球拍拍面粘合劑。

1 實驗部分

1.1 實驗原料和設備

實驗原料:天然橡膠工業品,分子量1.36×106;環己烷、油溶性偶氮二異丁酸二甲酯(AIBME)引發劑(分析純),天津市紅巖化學試劑廠。表1中給出了實驗使用儀器相關信息。

表1 實驗用儀器

1.2 實驗方法

采用XK-160雙輥筒煉膠對天然橡膠破膠處理,輥筒壓片厚度參數設置為0.5 mm,塑煉加工時間設置10、20、30 min,將樣品編號分為A、B、C組,將環乙烷加入A、B、C樣品中,每一組設定取樣時間10、20、30 min,編號分別為i-1、i-2、i-3,其中i為A、B、C,共設定9組,再以原料作為對照組D,進行試驗組和對照組性能比較。

1.3 測試方法

分別對設定的10個樣品進行拉伸性能、撕裂性能、黏度、粘接強度等指標性能測試,具體測試項目為:根據GB/T 528—2009進行拉伸性能測試,設定拉伸速度500 mm/min;根據GB/T 529—2009進行撕裂度性能測試,設定拉伸速度500 mm/min;根據GB/T 22235—2008進行黏度測試;根據GB 27925—81剝離強度方法進行粘接強度測試;根據GB/T 1232.1—2000進行門尼黏度測試,設定測試溫度100 ℃。

2 結果與討論

2.1 塑煉對分子量影響

天然橡膠分子量龐大,分子間作用力也很大,使得天然橡膠溶解度低,黏度大,直接用于乒乓球拍粘接不易形成良好的彈性。表2給出了10組試驗對象在不同塑煉時間下的分子量、黏度對照結果。

表2 塑煉對分子量的影響

由表2可知,隨著試樣取樣時間邊長,試驗塑煉程度越大,分子量逐漸變小。天然橡膠塑煉就是剪切力作用下打斷天然橡膠的大分子鏈,當塑煉時間越長,分子鏈鍛煉越多,分子量也就越小[19]。由表2可知,分子量最小的試驗組為C-3,分子量下降率為89.7%。由于分子量與分子下降率同比增率成正相關,即分子量越小,大分子斷裂越多,塑煉對分子作用越小。

2.2 塑煉對物理性能影響

天然橡膠塑煉后分子量發生變化,相應的物理機械性能也會變化。塑煉低溫度時,天然橡膠受機械剪切力的作用大分子斷裂生成自由基,塑煉高溫時,由機械剪切力的活化作用,引發大分子斷裂,形成不穩定的過氧化物,最終分解為較小分子量的橡膠制品[20]。比較實驗組和對照組在不同塑煉程度下的物理性能和機械性能,結果如表3所示。

表3 塑煉對物流性能的影響

由表3可知,原料對照組拉伸強度24.75 MPa,直接撕裂強度25.84 kN/m,而到A-1組拉伸強度0.31 MPa,直接撕裂強度3.16 kN/m,即由對照度D到A-1組拉伸強度和直角撕裂強度發生突變,是由于機械開膠后導致大分子內聚力降低[21]。隨著分子量較小,斷裂伸長率逐漸增加,橡膠的可塑性和柔性增大,表明橡膠塑煉降低了橡膠分子內聚力,提高了可塑性。

2.3 塑煉對溶解度、黏度影響

對不同塑煉程度的實驗組和對照組溶解度、黏度進行測試,結果見表4。由表4可知,隨著天然橡膠分子量的降低,樣品溶解度和黏度表現出逐漸增加的趨勢,其中最高溶解度達到28.6%。經過塑煉后的天然橡膠中環乙烷飽和溶解度明顯升高,有效解決了大分子有機物難溶的問題,相較于傳統的化學法來降低分子量,采用塑煉方法成本度,環境污染小,對分子降解度高[12]。隨著分子量較低,有機溶劑的溶解度和黏度均得到增加。

表4 塑煉對溶解度、黏度的影響

2.4 不同分子量膠水的粘接強度

由上述分析中可知,分子量不同的天然橡膠性能有所不同,對膠水性能造成影響,其中分子量越小,可塑性也就越好,獲得不同分子量膠水對乒乓球拍粘合強度影響,見表5。由表5可知,分子量逐漸減小過程中,粘接強度呈現除以先增大后減小的變化過程,當分子量小到一定程度后,粘接強度隨之降低,此時對應的分子量為臨界點。試驗組B-3時的黏度強度最大,因此可選擇B-3來作為粘接膠水原料。

表5 塑煉對粘接強度的影響

2.5 引發劑對粘合膠水性能影響

引發劑作為附加用料,直接影響到膠水粘接的反應速率,對膠水性能造成影響,為保證膠水具有更好性能,對引發劑用量進行研究,獲得不同引發劑用量下的測試結果見表6。

表6 引發劑對膠水性能影響

由表6可知,引發劑用量逐漸增多時,膠水乳液穩定性和黏度表現出一個先上升后下降到變化趨勢,固含量隨著引發劑用量增加而逐漸上升,但上述幅度不大。隨著引發劑用量逐漸增大,膠膜外觀逐漸變硬,當引發劑用量為0.6%時,最大黏度可達到42.7 MPa·s,此時乳液穩定性優良。因此,可選定引發劑用量0.6%時的膠水進行乒乓球拍粘接。

2.6 單體類型對粘合膠水性能影響

不同單體種類和單體用量可直接影響膠水物理性能、機械性能和粘接性能,分別比較不同MMA硬質單體和VAc共聚改性單體配比下膠水的性能,見表7所示。

表7 引發劑對膠水性能影響

由表7可知,當MMA∶VAc比例越大,膠水拉伸強度、黏度和吸水強度表現出先增多后減小的趨勢,硬度逐漸增大,而膠水的固化率變化并不明顯。當MMA∶VAc=20∶10時,膠水拉伸強度、黏度和吸水強度均達到最大值,可見該比例下的膠水具有更好的綜合性能。

2.7 不同類型產品性能比較

選擇采用樣品B-3比例成分與國內應用較多的氯丁橡膠粘合劑、無機粘結劑進行性能比較,結果見表8。

表8 不同膠水的性能比較

在粘度相近條件下,氯丁膠的粘接強度最高,B-3樣品粘結強度稍低,但B-3樣品采用環乙烷作為溶劑,具有環保無毒性特點,因此可作為氯丁膠的替代品。

3 結語

(1)天然橡膠塑煉時間30 min,分子量降低,粘接性上升,有機溶劑中溶解度提高,當分子量降低到0.29×106,能有提升乒乓球拍膠水粘接輕度和彈性,降低膠水黏度,制得適合彈性、環保的有機膠水;

(2)引發劑量0.5%、單體m(MMA)∶m(VAc)%=20∶10時,乒乓球拍粘合膠水穩定性和黏度優異,用在乒乓球訓練中能獲得較好的使用效果。