劉曉濤

摘 要：高順式聚異戊二烯在體育用品中應(yīng)用比較廣泛。乒乓球拍面橡膠的基礎(chǔ)材料要能夠提供給拍面橡膠高彈性、耐老化性、高粘性等優(yōu)良性能。高順式聚異戊二烯橡膠在關(guān)于輪胎方面的研究己經(jīng)有著很久的歷史，其配方設(shè)計及工藝研究已經(jīng)較為成熟，但是在乒乓球拍面橡膠方面還沒有較為系統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)。 本文以高順式聚異戊二烯和配合劑的種類為探討對象，并詳細(xì)的研究了橡膠、促進(jìn)劑的配比和加工工藝對乒乓球拍橡面膠性能的影響。

關(guān)鍵詞：高順式聚異戊二烯；乒乓球拍；設(shè)計

國際乒聯(lián)要求新塑料球一律采用“40+”的標(biāo)注方法，與之前的“40”區(qū)分，這意味著乒乓球由此進(jìn)入了“40+時代”。隨著乒乓球運(yùn)動的不斷發(fā)展，乒乓球的速度越來越快，旋轉(zhuǎn)越來越強(qiáng)，這對乒乓球器材的質(zhì)量及規(guī)格要求也越來越高。乒乓球拍由底板、拍面橡膠和海綿三部分組成，三者的合理搭配決定了一塊球拍的質(zhì)量。其中乒乓球拍橡面膠物理性質(zhì)在很大程度上影響著一塊球拍的質(zhì)量，對于乒乓球拍面橡膠制品的生產(chǎn)，在選擇合適的膠種的基礎(chǔ)上，通過合理的調(diào)節(jié)橡膠配合和生產(chǎn)工藝，從而獲得具有最佳性能的制品。

1.高順式聚異戊二烯

通常我們所說的高順式聚異戊二烯，是指從巴西橡膠樹上采集的天然膠乳，經(jīng)過凝固、干燥等加工工序而制成的彈性固狀物。高順式聚異戊二烯是一種以順-1，4-聚異戊二烯為主要成分的天然高分子化合物，其橡膠烴（順-1，4-聚異戊二烯）含量在90%以上，還含有少量的蛋白質(zhì)、脂肪酸、糖分及灰分等。一般為片狀固體，相對密度0.94，折射率1.522，彈性模量2～4MPa，130～140℃時軟化，150～160℃粘軟，200℃時開始降解。常溫下有較高彈性，略有塑性，低溫時結(jié)晶硬化。有較好的耐堿性，但不耐強(qiáng)酸。不溶于水、低級酮和醇類，在非極性溶劑如三氯甲烷、四氯化碳等中能溶脹。 高順式聚異戊二烯是一種非極性大分子，在常溫下具有高彈性，受熱時逐漸變軟。具有優(yōu)良的介電性能、良好的自粘性、優(yōu)良的彈性、很好的耐屈撓性等優(yōu)點(diǎn)。但是它的分子結(jié)構(gòu)中的不飽和雙鍵使其易進(jìn)行氧化、加成等反應(yīng)，耐老化性能不佳?？傮w來說，高順式聚異戊二烯具有一系列突出的寶貴性能，特別是高彈性和工藝加工性能較為優(yōu)異，現(xiàn)代科學(xué)研究結(jié)果已經(jīng)證明，普通的高順式聚異戊二烯是異戊二烯聚合而成。

2.乒乓球拍面橡膠的加工配合

橡膠的配合是指根據(jù)成品的性能要求，考慮加工工藝性能和成本因素，將生膠與各種配合劑組合在一起的過程。一般配合都包括生膠、硫化體系、補(bǔ)強(qiáng)填充體系、防護(hù)體系和增塑體系，有時還包括其他配合體系。上述各體系進(jìn)一步細(xì)分還會有許多品種及類別，且各自的作用機(jī)理及使用要領(lǐng)不同，要想獲得力學(xué)性能、耐久性優(yōu)異的乒乓球拍面橡膠，在橡膠的五大配合體系中硫化體系和補(bǔ)充填料體系的影響是最顯著的。

3. 研究內(nèi)容

采用天然橡膠作為主膠料制備乒乓球拍面橡膠，通過改變硫化體系研究配方性能，確定最優(yōu)硫化體系，這主要研究硫磺用量對拍面橡膠性能的影響和通過改變補(bǔ)強(qiáng)體系研究配方性能，確定最優(yōu)填料種類，這主要研究碳酸鎂、高嶺土、碳酸鈣、硅藻土、白炭黑這等五種填料對拍面橡膠性能的影響。

4.高性能40+拍面膠的制備研究

4.1主要原料

本文使用的材料，全部由學(xué)校提供，主要有：高順式聚異戊二烯，碳酸鋅，SA，MB，防老劑264，甘油，促進(jìn)劑M，促進(jìn)劑TMTD，寶紅，硫磺，碳酸鎂，碳酸鈣，高嶺土，硅藻土，白炭黑。

4.2主要儀器與設(shè)備

主要儀器設(shè)備見表1

4.3 試樣制備

實(shí)驗(yàn)步驟：準(zhǔn)備高順式聚異戊二烯→稱量填料→打開開煉機(jī)→天然膠翻練→加入填料混練→割膠打三角包→壓片，壓片之后均分成5份，標(biāo)號1，2，3，4，5硫磺用量分別為2.1g，2.52g，2.94g，3.36g，3.78g。然后重復(fù)煉膠過程，分別出片。待硫化。

用該配方煉等量的膠5份，分別加入碳酸鎂49g，高嶺土49g，碳酸鈣49g，硅藻土49g，白炭黑28g繼續(xù)進(jìn)行煉膠，重復(fù)開煉機(jī)煉膠步驟，出片保存，待硫化。

開煉機(jī)使用注意事項(xiàng)：a、打開開煉機(jī)前必須查看電路（電流電壓等）、油路（減速機(jī)、軸承等潤滑）、水路等是否正常！然后戴好皮革護(hù)手腕（嚴(yán)禁戴手套作業(yè)），混煉操作要戴口罩，避免腰系繩、帶、40+拍面膠等，嚴(yán)禁披衣操作。仔細(xì)查看大小齒輪及輥筒間有無雜物。每班首次開車，必須測試緊急剎車裝置，檢查制動是否靈敏可靠（如是膝碰式裝置，一定要習(xí)慣把膝蓋接觸到剎車裝置），正常操作時嚴(yán)禁用緊急剎車裝置關(guān)車。如兩人以上共同操作時，必須相互呼應(yīng)，確認(rèn)無任何危險后，方可開車。b、輥筒預(yù)熱升溫要掌握溫升速度，尤其是在北方寒冷的冬季，輥筒外部與室溫相一致，輥內(nèi)突然通入高溫蒸汽，內(nèi)外溫差可能在120℃以上，溫差造成輥筒應(yīng)力可達(dá)到130.0～～I(xiàn) 50.OMPa，這已超過鑄鐵的U.1= 140.OMPa。如再過早的加上膠料，在橫壓力的疊加作用下，輥簡非常容易受到破壞。為了安全起見，應(yīng)當(dāng)空車預(yù)熱，同時進(jìn)行空車加油潤滑，升溫至或接近溫度設(shè)定值時再投料，需向操作人員突出強(qiáng)調(diào)。c、投料前對膠料也應(yīng)檢查，若混有硬的金屬雜物，隨膠投入煉膠機(jī)，致使橫壓力突然加大，會造成設(shè)備損壞。

硫化步驟：

清理模具→預(yù)熱硫化機(jī)→預(yù)熱模具→稱膠料→放料→閉合模具→保溫保壓硫化→開啟模具，取出硫化膠片。硫化試片冷卻后，在室溫環(huán)境中停放24小時之后進(jìn)行制樣和性能測試。

4.4測試方法

（1）硬度測試

利用邵氏硬度計來測試硬度，試樣厚度應(yīng)不小于5mm，讀數(shù)時，當(dāng)壓針平穩(wěn)而無沖擊與試樣完全接觸，并使負(fù)荷砝碼離開托架15秒后立即讀數(shù)，如規(guī)定要瞬時讀數(shù)，則在下壓板與試樣完全接觸后1秒內(nèi)讀數(shù)。以不用點(diǎn)測量的5次硬度值得算數(shù)平均值為結(jié)果。

（2）拉伸性能測試

利用電子拉力機(jī)測試?yán)煨阅堋?/p>

a.順序開啟主機(jī)、電腦系統(tǒng)，運(yùn)行測試系統(tǒng)程序；

b.選擇測試方法以及報告格式；

c.輸入試件規(guī)格，確定測試速度；

d.將試件順序放置在上下夾具之間；

e.鼠標(biāo)點(diǎn)擊測試，實(shí)驗(yàn)開始；

f.待到達(dá)試樣斷裂（或達(dá)到極限值），機(jī)臺自動回位，取出試樣；

g.做完一組試驗(yàn)后，打印圖表；

h.順序關(guān)閉測試系統(tǒng)程序、電腦系統(tǒng)、主機(jī)電源。

（3）回彈性能測試

a.調(diào)整試驗(yàn)機(jī)呈水平位置，將試樣平穩(wěn)的夾在夾持器上，使擺錘同試樣表面呈剛接觸狀態(tài)（相切）；

b.抬起擺錘至水平位置，并用機(jī)架上的掛鉤掛住，將指針調(diào)至零位；

c.松開掛鉤，擺錘自由落下沖擊試樣，對試樣進(jìn)行不少于3次但不多于7次的連續(xù)沖擊，不記錄回彈值，作為機(jī)械調(diào)節(jié)；

d.在進(jìn)行機(jī)械調(diào)節(jié)后，沖擊一次并讀取回彈值，每個試樣測定3個點(diǎn)，各點(diǎn)之間距離不小于10mm，取三點(diǎn)數(shù)值的中間值表示一個試樣的回彈性，兩個試樣中值的算術(shù)平均值作為該試樣的測試結(jié)果。

（4）摩擦系數(shù)測定

a.順序開啟主機(jī)、電腦系統(tǒng)，運(yùn)行測試系統(tǒng)程序；

b.選擇測試方法以及報告格式；

c.輸入試件規(guī)格，確定測試速度；

d.將試樣用雙面膠粘在測試板上，鼠標(biāo)點(diǎn)擊測試，實(shí)驗(yàn)開始；

e.待到達(dá)到最遠(yuǎn)行程之后（或達(dá)到極限值），結(jié)束測試，點(diǎn)擊使機(jī)臺自動回位，取下試樣；

f.做完一組試驗(yàn)后，打印圖表；

g.順序關(guān)閉測試系統(tǒng)程序、電腦系統(tǒng)、主機(jī)電源

5.結(jié)果分析與討論

5.1硫磺變量測試結(jié)果

從圖1中可以看出，隨著硫磺用量的不斷增加，試樣的拉伸強(qiáng)度逐漸增加，40+拍面膠的性能越好，等增加到3.36g后，繼續(xù)增加硫磺的用量，拉伸強(qiáng)度變化不大，說明硫磺用量有最佳值，一味增加并不能使拉伸性能越來越好。

從圖2中可以看出，隨著硫磺用量的增加，回彈性能整體呈上升趨勢，中間有所波動，當(dāng)硫磺用量為3.78g時，回彈性能最好?？梢钥闯龌貜椥阅芨蚧堑挠昧繜o類線性關(guān)系，有極大值，總體是隨著硫磺用量的增加回彈性能越來越好。

從圖3中可以看出，隨著硫磺用量的增加，試樣硬度呈上升趨勢。中間有平緩期，說明硬度的變化對硫磺用量不敏感，用量變化較大時，會出現(xiàn)明顯的硬度變化，在硫磺用量達(dá)到3.36時，硬度最大，說明硫磺對增強(qiáng)40+拍面膠的硬度有明顯作用。

從圖4中可以看出，隨著硫磺用量的增加，試樣的動摩擦力呈現(xiàn)先增加后減小的趨勢，在用量為3.36時取得一極值。說明硫磺對于40+拍面膠的摩擦性能有影響，隨著用量的增加，摩擦性能變好，過量時，摩擦性能下降，并不是硫磺越多，性能越好，有最佳用量。

從圖5中可以看出，選用碳酸鎂作為補(bǔ)強(qiáng)填充體系時，拍面橡膠的拉伸強(qiáng)度最大，拉伸性能最好；選用碳酸鈣作為補(bǔ)強(qiáng)填充體系時，拍面橡膠拉伸強(qiáng)度也比較好；選用硅藻土作為補(bǔ)強(qiáng)填充體系時，拍面橡膠的拉伸強(qiáng)度最低。

從圖6中可以看出，選用硅藻土作為補(bǔ)強(qiáng)填充體系時，回彈性能較為突出，拍面橡膠的彈性較好。

從圖7中可以看出，選用硅藻土作為補(bǔ)強(qiáng)填充體系時，硬度較大；選用碳酸鎂作為補(bǔ)強(qiáng)填充體系時，硬度太低。

從圖8中可以看出，選用硅藻土作為補(bǔ)強(qiáng)填充體系時，拍面橡膠的動摩擦力較大；而選用白炭黑作為補(bǔ)強(qiáng)填充體系時，拍面橡膠的動摩擦力太小。

5.2小結(jié)

通過實(shí)驗(yàn)高順式聚異戊二烯制備高檔球拍40+拍面膠，研究了不同填料和硫磺用量對膠料性能的影響，發(fā)現(xiàn)采用高順式聚異戊二烯140份，硫磺3.36份時，此時膠料相容性最好，膠料的拉伸強(qiáng)度、拉斷伸長率最大；采用碳酸鈣填料時，膠料的綜合力學(xué)性能較好。

6 結(jié)論與展望

6.1結(jié)論

（1）高性能乒乓球拍40+拍面膠的配方（質(zhì)量份）：高順式聚異戊二烯100，碳酸鋅2.5，SA 0.5，MB 0.5，防老劑264 1，甘油1，促進(jìn)劑M 0.4，促進(jìn)劑TMTD 0.1，寶紅 0.1，硫磺2.4；該配方制得的硫化膠在拉伸強(qiáng)度、拉斷伸長率、硬度、摩擦性能都有顯著地提升。

（2）高性能乒乓球拍40+拍面膠膠料的硫化工藝：硫化溫度135攝氏度，硫化時間8分鐘。

（3）適量的加入碳酸鈣填料對膠料的強(qiáng)度有明顯提升，可以降低生產(chǎn)成本，但不能加入太多，碳酸鈣過量會影響40+拍面膠的彈性。

6.2存在的問題及展望

高性能乒乓球拍40+拍面膠在不影響力學(xué)性能的前體下，適當(dāng)添加一些填料，降低成本，選擇環(huán)保型的促進(jìn)劑或者可溶性硫磺降低環(huán)境污染及工業(yè)危害；還可以適當(dāng)加入交聯(lián)劑解決噴霜問題。

乒乓球的打法分為很多種，包括：直＼橫拍兩面反膠打法，直＼橫拍兩面正膠，長膠。每種打法都有其獨(dú)特的優(yōu)勢，因此乒乓球拍面橡膠的研究與發(fā)展道路仍然很漫長。

6.3環(huán)保問題

本實(shí)驗(yàn)所有采用的原料以及工藝流程都是環(huán)保無污染的，所有操作在按照正規(guī)操作程序下也都是安全的，環(huán)保和安全問題是第一位的。

（作者單位：青島科技大學(xué)，山東 青島 266061）