高性能高顺式聚异戊二烯乒乓球拍面橡胶的配方设计与制备

高性能高顺式聚异戊二烯乒乓球拍面橡胶的配方设计与制备
作者：刘晓涛
来源：《山东青年》2019年第02期
摘要：高顺式聚异戊二烯在体育用品中应用比较广泛。

乒乓球拍面橡胶的基础材料要能够提供给拍面橡胶高弹性、耐老化性、高粘性等优良性能。

高顺式聚异戊二烯橡胶在关于轮胎方面的研究己经有着很久的历史，其配方设计及工艺研究已经较为成熟，但是在乒乓球拍面橡胶方面还没有较为系统的标准。

本文以高顺式聚异戊二烯和配合剂的种类为探讨对象，并详细的研究了橡胶、促进剂的配比和加工工艺对乒乓球拍橡面胶性能的影响。

关键词：高顺式聚异戊二烯；乒乓球拍；设计
国际乒联要求新塑料球一律采用“40+”的标注方法，与之前的“40”区分，这意味着乒乓球由此进入了“40+时代”。

随着乒乓球运动的不断发展，乒乓球的速度越来越快，旋转越来越强，这对乒乓球器材的质量及规格要求也越来越高。

乒乓球拍由底板、拍面橡胶和海绵三部分组成，三者的合理搭配决定了一块球拍的质量。

其中乒乓球拍橡面胶物理性质在很大程度上影响着一块球拍的质量，对于乒乓球拍面橡胶制品的生产，在选择合适的胶种的基础上，通过合理的调节橡胶配合和生产工艺，从而获得具有最佳性能的制品。

1.高顺式聚异戊二烯
通常我们所说的高顺式聚异戊二烯，是指从巴西橡胶树上采集的天然胶乳，经过凝固、干燥等加工工序而制成的弹性固状物。

高顺式聚异戊二烯是一种以顺-1，4-聚异戊二烯为主要成分的天然高分子化合物，其橡胶烃（顺-1，4-聚异戊二烯）含量在90%以上，还含有少量的蛋白质、脂肪酸、糖分及灰分等。

一般为片状固体，相对密度0.94，折射率1.522，弹性模量2～4MPa，130～140℃时软化，150～160℃粘软，200℃时开始降解。

常温下有较高弹性，略有塑性，低温时结晶硬化。

有较好的耐碱性，但不耐强酸。

不溶于水、低级酮和醇类，在非极性溶剂如三氯甲烷、四氯化碳等中能溶胀。

高顺式聚异戊二烯是一种非极性大分子，在常温下具有高弹性，受热时逐渐变软。

具有优良的介电性能、良好的自粘性、优良的弹性、很好的耐屈挠性等优点。

但是它的分子结构中的不饱和双键使其易进行氧化、加成等反应，耐老化性能不佳。

总体来说，高顺式聚异戊二烯具有一系列突出的宝贵性能，特别是高弹性和工艺加工性能较为优异，现代科学研究结果已经证明，普通的高顺式聚异戊二烯是异戊二烯聚合而成。

2.乒乓球拍面橡胶的加工配合
橡胶的配合是指根据成品的性能要求，考虑加工工艺性能和成本因素，将生胶与各种配合剂组合在一起的过程。

一般配合都包括生胶、硫化体系、补强填充体系、防护体系和增塑体
系，有时还包括其他配合体系。

上述各体系进一步细分还会有许多品种及类别，且各自的作用机理及使用要领不同，要想获得力学性能、耐久性优异的乒乓球拍面橡胶，在橡胶的五大配合体系中硫化体系和补充填料体系的影响是最显著的。

3. 研究内容
采用天然橡胶作为主胶料制备乒乓球拍面橡胶，通过改变硫化体系研究配方性能，确定最优硫化体系，这主要研究硫磺用量对拍面橡胶性能的影响和通过改变补强体系研究配方性能，确定最优填料种类，这主要研究碳酸镁、高岭土、碳酸钙、硅藻土、白炭黑这等五种填料对拍面橡胶性能的影响。

4.高性能40+拍面胶的制备研究
4.1主要原料
本文使用的材料，全部由学校提供，主要有：高顺式聚异戊二烯，碳酸鋅，SA，MB，防老剂264，甘油，促进剂M，促进剂TMTD，宝红，硫磺，碳酸镁，碳酸钙，高岭土，硅藻土，白炭黑。

4.2主要仪器与设备
主要仪器设备见表1
4.3 试样制备
实验步骤：准备高顺式聚异戊二烯→称量填料→打开开炼机→天然胶翻练→加入填料混练→割胶打三角包→压片，压片之后均分成5份，标号1，2，3，4，5硫磺用量分别为2.1g，2.52g，2.94g，3.36g，3.78g。

然后重复炼胶过程，分别出片。

待硫化。

用该配方炼等量的胶5份，分别加入碳酸镁49g，高岭土49g，碳酸钙49g，硅藻土49g，白炭黑28g继续进行炼胶，重复开炼机炼胶步骤，出片保存，待硫化。

开炼机使用注意事项：a、打开开炼机前必须查看电路（电流电压等）、油路（减速机、轴承等润滑）、水路等是否正常！然后戴好皮革护手腕（严禁戴手套作业），混炼操作要戴口罩，避免腰系绳、带、40+拍面胶等，严禁披衣操作。

仔细查看大小齿轮及辊筒间有无杂物。

每班首次开车，必须测试紧急刹车装置，检查制动是否灵敏可靠（如是膝碰式装置，一定要习惯把膝盖接触到刹车装置），正常操作时严禁用紧急刹车装置关车。

如两人以上共同操作时，必须相互呼应，确认无任何危险后，方可开车。

b、辊筒预热升温要掌握温升速度，尤其是在北方寒冷的冬季，辊筒外部与室温相一致，辊内突然通入高温蒸汽，内外温差可能在120℃以上，温差造成辊筒应力可达到130.0～～I 50.OMPa，这已超过铸铁的U.1= 140.OMPa。

如再过早的加上胶料，在横压力的叠加作用下，辊简非常容易受到破坏。

为了安全起见，应当空车预
热，同时进行空车加油润滑，升温至或接近温度设定值时再投料，需向操作人员突出强调。

c、投料前对胶料也应检查，若混有硬的金属杂物，随胶投入炼胶机，致使横压力突然加大，会造成设备损坏。

硫化步骤：
清理模具→预热硫化机→预热模具→称胶料→放料→闭合模具→保温保压硫化→开启模具，取出硫化胶片。

硫化试片冷却后，在室温环境中停放24小时之后进行制样和性能测试。

4.4测试方法
（1）硬度测试
利用邵氏硬度计来测试硬度，试样厚度应不小于5mm，读数时，当压针平稳而无冲击与试样完全接触，并使负荷砝码离开托架15秒后立即读数，如规定要瞬时读数，则在下压板与试样完全接触后1秒内读数。

以不用点测量的5次硬度值得算数平均值为结果。

（2）拉伸性能测试
利用电子拉力机测试拉伸性能。

a.顺序开启主机、电脑系统，运行测试系统程序；
b.选择测试方法以及报告格式；
c.输入试件规格，确定测试速度；
d.将试件顺序放置在上下夹具之间；
e.鼠标点击测试，实验开始；
f.待到达试样断裂（或达到极限值），机台自动回位，取出试样；
g.做完一组试验后，打印图表；
h.顺序关闭测试系统程序、电脑系统、主机电源。

（3）回弹性能测试
a.调整试验机呈水平位置，将试样平稳的夹在夹持器上，使摆锤同试样表面呈刚接触状态（相切）；
b.抬起摆锤至水平位置，并用机架上的挂钩挂住，将指针调至零位；
c.松开挂钩，摆锤自由落下冲击试样，对试样进行不少于3次但不多于7次的连续冲击，不记录回弹值，作为机械调节；
d.在进行机械调节后，冲击一次并读取回弹值，每个试样测定3个点，各点之间距离不小于10mm，取三点数值的中间值表示一个试样的回弹性，两个试样中值的算术平均值作为该试样的测试结果。

（4）摩擦系数测定
a.顺序开启主机、电脑系统，运行测试系统程序；
b.选择测试方法以及报告格式；
c.输入试件规格，确定测试速度；
d.将试样用双面胶粘在测试板上，鼠标点击测试，实验开始；
e.待到达到最远行程之后（或达到极限值），结束测试，点击使机台自动回位，取下试样；
f.做完一组试验后，打印图表；
g.顺序关闭测试系统程序、电脑系统、主机电源
5.结果分析与讨论
5.1硫磺变量测试结果
从图1中可以看出，随着硫磺用量的不断增加，试样的拉伸强度逐渐增加，40+拍面胶的性能越好，等增加到3.36g后，继续增加硫磺的用量，拉伸强度变化不大，说明硫磺用量有最佳值，一味增加并不能使拉伸性能越来越好。

从图2中可以看出，随着硫磺用量的增加，回弹性能整体呈上升趋势，中间有所波动，当硫磺用量为3.78g时，回弹性能最好。

可以看出回弹性能跟硫磺的用量无类线性关系，有极大值，总体是随着硫磺用量的增加回弹性能越来越好。

从图3中可以看出，随着硫磺用量的增加，试样硬度呈上升趋势。

中间有平缓期，说明硬度的变化对硫磺用量不敏感，用量变化较大时，会出现明显的硬度变化，在硫磺用量达到3.36时，硬度最大，说明硫磺对增强40+拍面胶的硬度有明显作用。

从图4中可以看出，随着硫磺用量的增加，试样的动摩擦力呈现先增加后减小的趋势，在用量为3.36时取得一极值。

说明硫磺对于40+拍面胶的摩擦性能有影响，随着用量的增加，摩擦性能变好，过量时，摩擦性能下降，并不是硫磺越多，性能越好，有最佳用量。

从图5中可以看出，选用碳酸镁作为补强填充体系时，拍面橡胶的拉伸强度最大，拉伸性能最好；选用碳酸钙作为补强填充体系时，拍面橡胶拉伸强度也比较好；选用硅藻土作为补强填充体系时，拍面橡胶的拉伸强度最低。

从图6中可以看出，选用硅藻土作为补强填充体系时，回弹性能较为突出，拍面橡胶的弹性较好。

从图7中可以看出，选用硅藻土作为补强填充体系时，硬度较大；选用碳酸镁作为补强填充体系时，硬度太低。

从图8中可以看出，选用硅藻土作为补强填充体系时，拍面橡胶的动摩擦力较大；而选用白炭黑作为补强填充体系时，拍面橡胶的动摩擦力太小。

5.2小结
通过实验高顺式聚异戊二烯制备高档球拍40+拍面胶，研究了不同填料和硫磺用量对胶料性能的影响，发现采用高顺式聚异戊二烯140份，硫磺3.36份时，此时胶料相容性最好，胶料的拉伸强度、拉断伸长率最大；采用碳酸钙填料时，胶料的综合力学性能较好。

6 结论与展望
6.1结论
（1）高性能乒乓球拍40+拍面胶的配方（质量份）：高順式聚异戊二烯100，碳酸锌
2.5，SA 0.5，MB 0.5，防老剂264 1，甘油1，促进剂M 0.4，促进剂TMTD 0.1，宝红 0.1，硫磺2.4；该配方制得的硫化胶在拉伸强度、拉断伸长率、硬度、摩擦性能都有显著地提升。

（2）高性能乒乓球拍40+拍面胶胶料的硫化工艺：硫化温度135摄氏度，硫化时间8分钟。

（3）适量的加入碳酸钙填料对胶料的强度有明显提升，可以降低生产成本，但不能加入太多，碳酸钙过量会影响40+拍面胶的弹性。

6.2存在的问题及展望
高性能乒乓球拍40+拍面胶在不影响力学性能的前体下，适当添加一些填料，降低成本，选择环保型的促进剂或者可溶性硫磺降低环境污染及工业危害；还可以适当加入交联剂解决喷霜问题。

乒乓球的打法分为很多种，包括：直＼横拍两面反胶打法，直＼横拍两面正胶，长胶。

每种打法都有其独特的优势，因此乒乓球拍面橡胶的研究与发展道路仍然很漫长。

6.3环保问题
本实验所有采用的原料以及工艺流程都是环保无污染的，所有操作在按照正规操作程序下也都是安全的，环保和安全问题是第一位的。

（作者单位：青岛科技大学，山东青岛 266061）。