碳纤维网球拍粘接剂配方优化方法研究

吕思琪

摘要：随着材料的发展，制作网球拍的材料也经历了从木制到铁制到铝制到如今的碳纤维的转变。本文简述了网球拍的历史发展过程，研究了碳纤维网球拍的粘接过程，得知粘接剂是目前碳纤维网球拍制作过程中必不可少的材料。为了得到更加坚实、弹性高的碳纤维网球拍，我们提出了一种用于碳纤维网球拍粘接的粘接剂的优化方法。

关键词：碳纤维;网球拍;粘接剂

中图分类号：TQ437+.1 文献标识码：A 文章编号：1001-5922（2019）12-0100-04

网球运动最早是在英国诞生的，后经美国的发展得以盛行。最初的网球还是贵族们的运动，现在网球已经成为了人们日常生活中较为常见的运动方式[1]。随着网球运动的盛行，网球拍的需求也随之增加，为了扩大网球市场，生产厂家也对网球拍的性能越来越重视。从材料的发展来看，网球拍已经经历了从木制到铁质，到铝制再到如今的碳纤维的演变;从制作过程来看，网球拍已经从原本木制拼接到铁、铝的焊接，再到如今胶粘剂的粘接。但是，不论网球拍经历何种改变，都是为了更好地提高球拍的性能，让使用者获得更好的体验感。本文从网球拍的发展历史出发，主要介绍了现如今碳纤维网球拍的制作过程，并针对过程中的重要部分一粘接剂，提出了一种用于碳纤维网球拍粘接的粘接剂的优化方法。

1 网球拍的发展

随着新材料的发展，网球拍的材料和制作方式都发生了巨大变化，但每次变革都是基于新材料的发展。最初工业并不发达，制作网球拍的材料都是取自大自然，再经过能工巧匠花费大量精力研制得到，因此成本高，只在贵族中才有。随着工业的发展，金属材料、人工合成材料的发展以及机器的运行大大提高了网球拍制作的效率，降低了成本，使得平民也能享受这项运动[2]。

1.1木制网球拍

网球运动最早出现在12世纪，但是網球拍直到1874年才出现真正的标准，这个标准对网球拍的构造、形状、大小都有了明确规定，网球拍的后续发展都是在这个基础上进行改进[3]。最早的网球拍是木制的，外形与羽毛球拍很像，如图1所示为19世纪所用的网球拍，由图可以看出当时的木制网球拍的框头较小，而手柄却较长。当时由于材料发展有限，网球制作方式简单，主要是用绳索将木柄与框头连接起来，因此坚实度较差。现在已经几乎见不到木制网球拍的身影，但是在金属材料得到广泛运用之前，网球拍一直是木制的。

1.2金属网球拍

1967年后，由于金属材料的广泛生产与应用，铁、铝等金属材料也被应用于网球拍的制作，如图2所示为早期金属网球拍的照片。后来在新材料被研制出来之前，金属在网球拍制作中的应用越来越多。相对于最早的木制球拍，金属球拍的坚实性更强，使用寿命较长，然而也正由于材料为金属，因此重量会比木制球拍更大。最早用于制作网球拍的金属为铁，后来在使用中发现铁质网球拍虽然比木制网球拍结实耐用，但是重量较大，抗震能力不好，不利于长时间锻炼。因此生产厂家引入密度较小的铝制作网球拍，但是铝也有不足的地方，铝的韧性较小，制作的网球拍承受力较小，容易弯曲。随着合金的发展，合金相比于纯金属具有更加优异的性能，因此也被广泛应用于网球拍的制作中。

1.3碳纤维网球拍

近年来，随着新材料的发展，碳纤维材料因为具有强度大、抗摩擦性好、耐疲劳等优异性能被应用于网球拍的制作中[4]，如图3所示为市面上常见的碳纤维网球拍。除此之外，树脂粘接剂具有优良的弹性以及粘接能力。而碳纤维和树脂胶粘剂都是密度很小的材料，将二者结合起来应用到网球拍中，能够在明显减小球拍重量的同时提高球拍的弹性、刚性、抗震能力以及耐磨的性能。

2 用于网球拍粘接的粘接剂配方优化方法

现在盛行的碳纤维网球拍的生产主要通过碳纤维材料和树脂粘接剂混合调配，再利用吹气热压法使球拍成型得到的[5]。对于碳纤维网球拍的制作，工艺比较成熟的是滚筒缠绕法。不论通过何种方法制作，都需要用到树脂胶粘剂的粘接，因此胶粘剂的性能对网球拍性能的影响很大。因此，这里我们对粘接剂的配方进行了优化。

2.1优化配方后的粘接剂的制备

普通用于碳纤维网球拍制作的粘接剂的主要成分为环氧树脂和固化剂。这里我们将对其主要成分的比例配方进行优化，除此之外，我们还将向粘接剂中引入触变剂，进一步改善粘接剂的性能，使其具有触变性流体性。

在胶粘剂的研究中，一般称树脂部分为a组分，称固化剂部分为b组分，为了叙述方便，本研究中也将主要成分按照这两个名称代号进行称呼。

具体优化后的粘接剂配方比例如下：

a组分主要为环氧树脂，调配a的配方中主要试剂的质量比为m（环氧树脂）：m（增韧剂）：m（稀释剂）=100： 10：9，后面加入的各种试剂质量分数都是以本配方中的环氧树脂为标准，定义环氧树脂为100。此配方中还需要加入2%的偶联剂作为助剂，使前面三种试剂能够充分偶联。然后将各种试剂混合液置于容器中，放入电动搅拌机中，设置转速约为6000r/min，高速搅拌15min，使各种试剂混合均匀。最后，将混合均匀的试剂置于研磨机中研磨3遍，使胶液更加细腻。b组分的主要成分为固化剂，与a组分的调配一样，我们需要向b的固化剂中加入各种助剂，然后混匀，调配好了以后再与a组分混合，最后将a组分与b组分按照100： 45的比例搅拌混合。为了更好地进行应用，粘接剂调配好以后还需要确定其流体类型，做粘度、触变指数等测试，考察粘接剂的性能。

2.2粘接剂的流体类型确定以及性能测试

2.2.1粘接剂的流体类型

1）理想流体所谓理想流体就是服从牛顿第二定律，不可压缩、黏度为零的液体，因此这种液体又可以称为牛顿液体[6]。研究者们根据理想流体的运动，建立了如下的运动方程：

τ=η·dx/dr=η·γ

上面的公式中，τ表示受到的剪应力，γ表示流体的剪切速率，η表示液体的黏度。如图4a所示为理想流体的黏度特性曲线，由图中曲线可以看出，在温度一定的条件下，符合牛顿第二定律的液体在一定的剪切速率范围之内黏度不变。

黏度是指流体在流动过程中受到分子间相互吸引力以及热运动产生的分子间摩擦力大小。黏度越大，流体受到的摩擦力也就越大，流动阻力越大，流动越困难。

2）非理想流体与理想流体性质相反，非理想流体不符合牛顿第二定律，因此也称为非牛顿流体。非牛顿流体主要包括假塑性流体、膨胀性流体、触变性流体、震凝型流体等[7]。

如图4b所示为假塑性流体的黏度特性曲线，由图可知，当剪应力较小，产生的剪切速率较小，这时流体基本没有运动，因此黏度不变，当剪切力达到阻力最大值时，在这个剪切速率下，流體开始运动，黏度随着剪切速率的增大而减小。如图4c所示为膨胀性流体的黏度曲线，在未达到摩擦阻力最大值时，黏度值不变;当剪应力逐渐增大到超过阻力值时，流体开始流动，与假塑性不同的是，此时黏度随剪切速率的增大而增大，如图4d所示为触变性流体和震凝型流体的黏度曲线，这两种流体的黏度性质相似，开始时剪切速率增大，流体黏度变小，而当剪切力剪切速率撤离，黏度又逐渐恢复。我们通过黏度计对所制备得到的液体进行测定，并绘制黏度曲线，就可以判定为何种流体，再根据各种流体各自不同的性质，判断触变剂对碳纤维网球拍制作中的粘接剂流变特性的影响。

2.2.2测试粘接剂性能所需仪器

如图5a为本实验中用于测定粘接剂黏度的旋转式黏度计，这款黏度计型号为NDJ-1，里面配套的有0、l、2、3、4、5号5种型号的转子。其中0号转子主要用于黏度较低的流体测试，5号为黏度较大的流体测试。由于本实验的温度是恒定的，因此我们还用到了如图5b所示的恒温水槽，一般设置水温为25℃。

2.2.3粘接剂性能测试方法

1）黏度的测定。被测试的液体如果不是理想流体，那么利用黏度计测试得到的黏度值就是表观黏度，这时黏度值并不是一成不变的，因此在测定非理想流体的黏度时必须标注对应的剪切速率大小。尤其是触变性流体的黏度测定，由于在移除剪应力后黏度逐渐恢复的曲线与增加剪应力时的黏度变化曲线不重合，导致在同一个剪切速率下测得的黏度值不一定相同，因此更加需要对剪切速率有明显的标注。

为了使测定数据更加准确，我们需要保证读数在刻度盘30%～70%范围内，因此需要选择合适的转子以及测定速率范围。进行实验时，为了保证流体温度恒定，我们将装有被测液体的容器置于恒温水槽中，使水槽内水面高度高于试液液面。转子需要垂直插入被测液体中，并使液面完全没过转子，达到液位标志线。最后，打开旋转黏度计，读取剪切速率变化过程中黏度值，所有过程都需要等指针在圆盘上不变时再进行读数。首先将黏度计的转速设置为5r/min，让所测液体从静止状态下开始施加剪应力，直到转速变为60r/min，这个过程中黏度可能会随着剪切速率的增大而变小;随后我们将转速由高到低进行调节，使转速从60r/min又变回5r/min，这个过程中流体受到的剪切力会慢慢变小直到消失。

2）触变指数的测定。若黏度计转速为5r/min时对应的黏度值为Vr，转速升高到60r/min时的黏度值为Vo，那么触变指数可以根据如下公式进行计算得到：

TI= Vr/Vo

公式中如果TI=1，那么该流体就没有触变性;若TI>l，表明该流体是正触变性流体，此时剪切速率越大对应的黏度值就越小，并且TI数值越大触变性越强;若TI

正触变性越大的粘接剂，受到剪应力作用后黏度降低，有利于粘接涂抹，不会变形，并且固化后弹性更大，耐摩性更强，因此被用于碳纤维网球拍制作中的粘接剂正触变性越大越好。

2.3优化配方后粘接剂的黏度与触变指数测定

如图6所示为测定得到的优化配方的粘接剂黏度变化曲线，由图可知，该粘接剂为触变性流体，并且粘度值随剪切速率增大而减小，是正触变流体。

由上述测定得到的粘度数据，我们可以计算得到该粘接剂的触变指数为5.01，远大于1，因此具有较好的触变能力，有利于碳纤维网球拍的制作。

3 结语

由于粘接剂是碳纤维网球拍的制作中的常用材料，为了提高网球拍的性能，本文提出了一种用于碳纤维网球拍粘接的粘接剂的优化方法。通过实验对配方优化后的粘接剂进行性能测试，结果表明该粘接剂具有较好的触变能力，能够增大网球拍的弹性、抗震能力以及耐磨性，有利于碳纤维网球拍的制作。

参考文献

[1]网球拍设计中的材料与工艺研究[D].武汉：武汉理工大学，2009.

[2]金属增材制造技术的关键因素及发展方向[J].工程科学学报，2019，41（02）：20-34.

[3]网球拍的演变对网球击球效果和正手技术的影响研究[D].北京：北京体育大学，2014.

[4]应用于热塑性基体的碳纤维水性上浆剂的制备及性能研究[D].杭州：浙江理工大学，2016.

[5]碳纤维增强树脂基复合材料的回收及其再利用研究进展[J].纺织学报，2019，40（6）：152-157.

[6]张锦科.流体中牛顿第二定律应用错解剖析[J].中学生数理化（高一数学），2011（11）：23-23.

[7]曹秀芹，崔伟莎，王洪臣，等.污泥流变特性及其变化规律的研究进展[J].环境工程，2014，32（10）：9-12.