亞麻纖維增強可降解樹脂基復合材料　在體育用品上的應用

李勝業(yè)　徐培明　王偉　卞青峰　宋小龍

復合材料是當今發(fā)展最快的高性能材料之一，但傳統(tǒng)高性能纖維在體育用品領域的應用廣泛。國際體操聯(lián)合會對高低杠表面功能層的要求是：（1）橫杠的外表面必須具有（手的）滑動性和轉(zhuǎn)動性能，但不可發(fā)滑;（2）為保證抓牢，橫杠表面必須吸潮濕。為滿足這兩點要求，高低杠杠面采用力學性能優(yōu)異的進口楓木加工成厚度0.5mm的木頁，使用膠黏劑將木頁粘貼在高低杠杠芯上。木頁上不能有大的疤痕，長度2.4m長度、寬度120mm的木頁不能有加工或存儲過程中的裂紋;木頁的厚度僅有不足1mm，在高低杠使用過程中運動員經(jīng)常使用砂紙打磨高低杠表面附著的鎂粉，因此厚度僅0.5mm左右的木頁很快就會磨損完畢而使整根杠面報廢。什么材料既有木頁的摩擦性能、優(yōu)良的力學性能和工藝性能呢？隨著人們對天然植物纖維研究的不斷深入，人們發(fā)現(xiàn)天然纖維具有一些獨特的優(yōu)勢：亞麻纖維作為一種天然纖維，具有密度低、強度大，來源廣泛、價格低廉、吸水吸汗性強、天然可降解、資源可再生等優(yōu)點。本文在對比研究木頁和亞麻纖維增強可降解環(huán)氧樹脂基復合材料性能的基礎上，對亞麻復合材料在高低杠上的應用研究做了一些探索。

1 亞麻預浸料復合材料性能

1.1 亞麻增強環(huán)氧樹脂基亞麻復合材料的熱性能

圖1a中所示，亞麻復合材料環(huán)氧樹脂固化溫度初定為135℃/1.5h，玻璃化轉(zhuǎn)變溫度在120℃以上，可以判定亞麻纖維復合材料在室溫至75℃下使用力學性能不會突變。圖1b中是亞麻預浸料加熱前和經(jīng)135℃/1.5h加熱后樣品紅外光譜，圖中913cm-1處是環(huán)氧基官能團，固化后譜圖中環(huán)氧官能團消失，說明135℃/1.5h材料固化完全。

1.2 亞麻增強環(huán)氧樹脂基復合材料摩擦性能

不同亞麻纖維質(zhì)量分數(shù)復合材料干態(tài)摩擦性能與進口北美楓木木頁的縱向擺動摩擦性能見表1和表2所示。

表1中，亞麻纖維增強環(huán)氧樹脂基復合材料的縱向摩擦系數(shù)隨亞麻纖維含量的增加而增加。進口北美楓木木頁順紋理方向摩擦系數(shù)為0.774，當亞麻纖維含量約55%時，亞麻纖維增強環(huán)氧樹脂基復合材料縱向摩擦系數(shù)為0.762，與北美楓木木頁摩擦系數(shù)相近。表2中，亞麻纖維增強環(huán)氧樹脂基復合材料的橫向摩擦系數(shù)隨亞麻纖維含量的增加而增加。進口北美楓木木頁垂直于紋理方向摩擦系數(shù)為0.828，當亞麻纖維含量約55%時，亞麻纖維增強環(huán)氧樹脂基復合材料縱向摩擦系數(shù)為0.834，與北美楓木木頁摩擦系數(shù)相近。因此可以初步判定當亞麻纖維含量為55%時，亞麻復合材料與進口北美楓木木頁具有相近的摩擦系數(shù)。因此本文以下部分著重研究了纖維含量為55%的亞麻纖維復合材料性能，并與進口北美楓木木頁做了對比研究，最后制作了高低杠樣品并進行性能測試。

1.3 亞麻增強環(huán)氧樹脂基復合材料性能

將55%纖維含量的亞麻纖維增強環(huán)氧樹脂單向預浸料裁切為310mm*310mm，采用135℃模壓1h的工藝進行樣品制作，按單向纖維層壓板力學性能測試標準進行性能測試，結(jié)果見表3所示。

表3中可見亞麻/環(huán)氧復合材料縱向拉伸強度為229MPa是進口楓木木頁縱向拉伸強度95.8MPa的2.4倍;亞麻/環(huán)氧復合材料橫向拉伸強度為12.9MPa、延伸率0.87%，是進口楓木木頁橫向拉伸強度0.92MPa的14倍，延伸率基本相同。因此可以判定纖維含量為55%時的亞麻增強環(huán)氧樹脂基復合材料滿足替代進口北美楓木木頁用于高低杠杠面表面功能層包覆的力學性能要求。

1.4 亞麻增強環(huán)氧樹脂基復合材料界面性能

亞麻增強環(huán)氧樹脂基復合材料橫向拉伸斷口原始形貌噴金后掃描電鏡觀察并拍照，見圖1a和圖1b所示。

由圖2中所示，亞麻增強環(huán)氧樹脂基復合材料纖維方向一致性較好、排列緊密;圖1所示，高放大倍數(shù)下可見亞麻纖維表面附著大量環(huán)氧樹脂，說明亞麻纖維與環(huán)氧樹脂間具有良好的界面性能。

1.5 亞麻增強環(huán)氧樹脂基復合材料吸水后性能研究

高低杠在使用過程中運動員會在杠面噴水，使得高低杠杠面粘附鎂粉。因此，本文測試了亞麻增強環(huán)氧樹脂基復合材料在潮濕狀態(tài)下的力學性能和摩擦性能。本文按標準裁切后的試樣分為三種，一組常溫環(huán)境下放置24h為干燥對照組;一組使用噴壺兩面噴水至樣品有水珠滴落后在28℃、濕度75%的環(huán)境下放置24h;最后一組放入蒸餾水中浸泡24h，為水浸組，其力學性能測試結(jié)果見表5所示。

表5中，層間剪切在吸潮后由9.82MPa降低至7.93MPa，水浸24h后層間剪切性能降低至2.77MPa，可見大量吸濕后亞麻增強環(huán)氧樹脂基復合材料層間剪切性能大幅降低，猜測可能是纖維吸水膨脹造成了層間具有較大的內(nèi)應力;縱向拉伸性能在吸潮和水浸后拉伸強度變化不大，斷裂伸長率分別增加了30%和95%，可能是纖維吸水后韌性增大。橫向拉伸試樣拉伸強度吸潮后降低32%、水浸后降低56%，因其模量的降低斷裂伸長率反而分別增加了1倍和2.4倍?？梢姶罅课鼭駥喡槔w維增強環(huán)氧樹脂基復合材料縱向拉伸和橫向拉伸性能有巨大的影響。為研究水浸對亞麻增強環(huán)氧樹脂基復合材料的力學性能影響是否可恢復，本文使用DMA測試了亞麻增強環(huán)氧樹脂基復合材料在干態(tài)、水浸24h和水浸24h后干燥的縱向彎曲試樣的動態(tài)力學性能，結(jié)果見圖2所示。

由圖2中可見，水浸后層壓板的動態(tài)儲能模量急劇下降，這一結(jié)果與吸水后亞麻復合材料縱向拉伸模量降低的結(jié)論一致;吸水后亞麻復合材料的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度和儲能模量有所下降，干燥后玻璃化轉(zhuǎn)變溫度和儲能模量都有所上升，并且超過了原有水平，說明吸水干燥后亞麻增強環(huán)氧樹脂基復合材料性能可以恢復至吸濕前水平，因此可以初步判定吸濕對亞麻增強環(huán)氧樹脂基復合材料不會造成不可恢復性傷害，恰前相反吸濕后干燥能夠提升亞麻復合材料性能，可能是吸濕、干燥過程中復合材料層壓板內(nèi)應力得到了釋放。

2 亞麻復合材料在高低杠杠面上的應用

2.1 木頁包覆玻纖拉擠高低杠杠芯結(jié)構(gòu)與工藝分析

圖3中所示，D為國際體聯(lián)要求成品高低杠杠面直徑，是以玻璃纖維增強環(huán)氧樹脂基復合材料為主承力部件，外部使用環(huán)氧樹脂包覆一層木頁作為表面功能層的高低杠杠面，其直徑為40mm;h為木頁厚度，黃色部分是木頁包覆用環(huán)氧樹脂膠黏劑。該工藝選用進口優(yōu)質(zhì)北美楓木機加工出厚度為h的楓木木頁，其長度為2.4m、寬度約125mm。

將表4中進口北美楓木木頁橫向拉伸斷裂延伸率2.128%代入公式4中可得不采取特殊工藝對木頁直接包覆高低杠杠面的情況下，最大木頁包覆厚度為0.8mm，厚度超過0.8mm時直接包覆北美楓木木頁一定開裂。

2.2 亞麻預浸料包覆玻纖拉擠高低杠芯結(jié)構(gòu)與工藝分析

（1）亞麻環(huán)氧樹脂預浸料包覆高低杠杠芯工藝：使用細砂紙粗化玻纖環(huán)氧拉擠高低杠杠芯，使用蘸有酒精的棉布擦洗高低杠杠面后晾干;使用丙酮稀釋后的環(huán)氧膠黏劑體系刷涂高低杠杠面，自然晾干后包覆樹脂含量45%的亞麻環(huán)氧樹脂預浸料，使用OPP纏繞施壓后放入120℃烤箱加溫1.5h后自然冷卻至60℃以下;取出加溫后的高低杠杠面，去掉表面OPP，使用細砂紙打磨至表面光滑、直徑40±0.5mm即可。

（2）工藝分析：由于包覆過程中亞麻環(huán)氧預浸料未固化，包覆厚度不受工藝過程中的彎曲拉應力影響。

2.3 杠面的性能測試與分析

委托體育用品檢測中心按照國際體聯(lián)標準和泰山體育產(chǎn)品標準進行了性能測試，測試結(jié)果數(shù)據(jù)見圖4所示。

圖4亞麻高低杠杠面測試報告

由圖4中所示測試數(shù)據(jù)表明，亞麻環(huán)氧樹脂復合材料包覆的高低杠杠面符合國際體聯(lián)標準高低杠杠面性能要求，且其150mm彎曲疲勞達到了10萬次，遠超同類國際大品牌產(chǎn)品的5萬次水平。

3 小結(jié)

（1）55%纖維質(zhì)量分數(shù)的亞麻纖維增強環(huán)氧樹脂復合材料單向?qū)訅喊甯蓱B(tài)和濕態(tài)摩擦系數(shù)和進口北美楓木木頁基本相同;

（2）亞麻纖維增強環(huán)氧樹脂基復合材料與進口北美楓木木頁相比具有良好的力學性能;

（3）使用亞麻纖維包覆高低杠杠面工藝過程中無表面開裂風險，具有木頁包覆工藝所不具備優(yōu)勢;

（4）使用亞麻纖維增強環(huán)氧樹脂基復合材料包覆的高低杠杠面滿足國際體聯(lián)性能要求。

該文出自《年產(chǎn)128萬平低溫強韌可回收再利用復合材料及應用項目》研發(fā)成果;項目備案代碼：2019-371481-24-03-021414。

（作者單位：1.泰山體育產(chǎn)業(yè)股份有限公司;2.泰山體育產(chǎn)業(yè)集團有限公司國家體育用品工程技術研究中心）