專(zhuān)利名稱(chēng)：運(yùn)動(dòng)器材的復(fù)合材料管狀物的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型涉及一種運(yùn)動(dòng)器材的復(fù)合材料管狀物，特別是涉及一種應(yīng)用在運(yùn)動(dòng)器材上，可達(dá)到強(qiáng)度佳、避震效果良好的運(yùn)動(dòng)器材的復(fù)合材料管狀物。
復(fù)合材料由于具有量輕質(zhì)堅(jiān)的特性，目前普遍受運(yùn)動(dòng)器材管狀物所應(yīng)用，例如球拍、高爾夫中管、曲棍球中管及球棒等。而復(fù)合材料以熱塑性塑膠及熱固性樹(shù)脂兩種復(fù)合材料最受廠商在制造運(yùn)動(dòng)器材上所應(yīng)用熱塑性塑膠簡(jiǎn)稱(chēng)TP，例如以聚乙烯、聚丙烯、聚碳酸酯或尼龍等與纖維材料如炭纖維、玻璃纖維、硼纖維、有機(jī)纖維或金屬纖維等材料結(jié)合形成的纖維強(qiáng)化熱塑性塑膠復(fù)合材料；熱固性樹(shù)脂簡(jiǎn)稱(chēng)TS，例如以不飽合聚酯、環(huán)氧樹(shù)脂或酚-甲醛樹(shù)脂等與纖維材料結(jié)合形成的纖維強(qiáng)化熱固性塑膠復(fù)合材料。
如
圖1球拍拍框的疊層示意圖所示，由于熱塑性塑膠與熱固性樹(shù)脂具有很難相互固結(jié)一體的特性，所以一般運(yùn)動(dòng)器材的復(fù)合材料管狀物，都是由單一材料所制成，也就是采用纖維強(qiáng)化熱塑性塑膠或纖維強(qiáng)化熱固性塑膠其中一種為材料層1，該材料層1再依序疊層包覆而形成完整拍框的結(jié)構(gòu)。由于熱塑性塑膠為長(zhǎng)鏈狀構(gòu)造的分子集團(tuán)，通常具有較高的阻尼系數(shù)的性質(zhì)。例如，在纖維強(qiáng)化熱塑性塑膠中以最常應(yīng)用的尼龍6與碳纖維所制成的網(wǎng)球拍為例，其阻尼系數(shù)約為0.004，由振動(dòng)力學(xué)的觀念可知，其復(fù)合材料結(jié)構(gòu)本身振動(dòng)的消除，主要是由結(jié)構(gòu)中阻尼系數(shù)來(lái)決定。也就是在受相同外力作用下，結(jié)構(gòu)本身阻尼系數(shù)愈大，此種復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的避震效果愈好。所以，具有較高阻尼系數(shù)的纖維強(qiáng)化熱塑性塑膠生產(chǎn)的制品，通?？梢越档椭破繁旧硎芡饬ψ饔脮r(shí)所產(chǎn)生的沖擊與振動(dòng)，但是其結(jié)構(gòu)強(qiáng)度遠(yuǎn)不如纖維強(qiáng)化熱固性塑膠的制品，以該材質(zhì)所制成的拍框本身不能承受太高的網(wǎng)線張力(約60磅)，以致在打擊時(shí)無(wú)法獲得較佳的控球性。
此外，纖維強(qiáng)化熱固性塑膠中，以最常使用的石墨與環(huán)氧基樹(shù)脂所制成的球拍為例，其加工熱固成型后會(huì)形成為架橋式巨大分子結(jié)構(gòu)，所以纖維強(qiáng)化熱固性塑膠生產(chǎn)的制品，通常具有較佳的強(qiáng)度，能承受較高磅數(shù)的網(wǎng)線張力(約80磅)，但是，以此種材質(zhì)制成的球拍，其阻尼系數(shù)約為0.002，所以纖維強(qiáng)化熱固性塑膠阻尼系數(shù)約是纖維強(qiáng)化熱塑性塑膠的二分之一，在降低結(jié)構(gòu)本身受外力作用時(shí)所產(chǎn)生的沖擊與振動(dòng)能力遠(yuǎn)不如纖維強(qiáng)化熱塑性塑膠，讓使用者打擊球時(shí)，必須承受球拍反震的力量，容易產(chǎn)生如“網(wǎng)球肘”的運(yùn)動(dòng)傷害。
因此，纖維強(qiáng)化塑性塑膠與纖維強(qiáng)化熱固性塑膠單獨(dú)使用時(shí)，分別有其材料特性的優(yōu)缺點(diǎn)，如何結(jié)合兩者使運(yùn)動(dòng)器材管狀物獲得更適用的性能，是廠商努力的目標(biāo)。
本實(shí)用新型的目的在于提供一種運(yùn)動(dòng)器材的復(fù)合材料管狀物，是以一層具有透孔的熱塑性塑膠層做為中間塑膠層，并且上、下層纖維強(qiáng)化熱固性塑膠層相互疊層，該上、下層纖維強(qiáng)化熱固性塑膠層的熱固性樹(shù)脂可透過(guò)熱塑性塑膠層的透孔而互相緊密地固結(jié)，而形成具有高強(qiáng)度、吸震效果也很好的復(fù)合材料層。
本實(shí)用新型運(yùn)動(dòng)器材的復(fù)合材料管狀物，其主要是在上、下層的纖維熱固性塑性層中間形成一層熱塑性塑膠層，而固結(jié)形成復(fù)合材料層。該纖維熱固性塑膠層是以至少一層的熱固性樹(shù)脂含浸纖維材料所形成的材料體，而該熱塑性塑膠層是具有較高阻尼特性的熱塑性制成具有透孔的材料體，該上、下層纖維熱固性塑膠層的熱固性樹(shù)脂可透過(guò)熱塑性塑性膠層的透孔，相互緊密地連結(jié)，且可使熱塑性塑膠層固置在熱固性塑膠層內(nèi)。該纖維熱固性塑膠層與熱塑性膠層疊層的層數(shù)可依需要作單層或多層疊層的型式，也可依據(jù)復(fù)合材料管狀物避震部位的需求強(qiáng)度上的考慮，該熱塑性塑膠層可采取封閉型或開(kāi)放型的組疊結(jié)構(gòu)，使其具有熱塑性塑膠及熱固性樹(shù)脂的特性，使整體具有強(qiáng)度高、吸震良好的優(yōu)點(diǎn)。
下面通過(guò)最佳實(shí)施例及附圖對(duì)本實(shí)用新型運(yùn)動(dòng)器材的復(fù)合材料管狀物進(jìn)行詳細(xì)說(shuō)明，附圖中
圖1是以往球拍拍框的疊層示意圖；圖2是本實(shí)用新型較佳實(shí)施例的組合剖面圖；圖3是本實(shí)用新型較佳實(shí)施例的結(jié)合示意圖；圖4是本實(shí)用新型較佳實(shí)施例封閉型疊層示意圖；圖5是本實(shí)用新型較佳實(shí)施例開(kāi)放型疊層示意圖；圖6是沿圖4中直線6-6的剖面圖；圖7是沿圖5中直線7-7的剖面圖；圖8是本實(shí)用新型球拍振動(dòng)實(shí)驗(yàn)的示意圖；圖9是以往網(wǎng)球拍振動(dòng)實(shí)驗(yàn)所測(cè)出振動(dòng)圖形；
圖10是本實(shí)用新型網(wǎng)球拍振動(dòng)實(shí)驗(yàn)所測(cè)出振動(dòng)圖形。
如圖2、3所示，本實(shí)用新型運(yùn)動(dòng)器材的復(fù)合材料管狀物，其主要應(yīng)用在運(yùn)動(dòng)器材圓管狀的結(jié)構(gòu)，是在上、下層的纖維熱固性塑膠層10、30之間加入一層的熱塑性塑膠層20，加熱固結(jié)后整體形成一復(fù)合材料層40。該上、下層纖維熱固性塑膠層10、30都是以纖維材料11、31含浸熱固性樹(shù)脂12、32所形成的材料體，而該熱塑性塑層20是以具有阻尼系數(shù)比熱固性樹(shù)脂高的熱塑性塑膠所制成具有透孔21的材料體，制作透孔21的方式可使用如不織布或孔狀編織物、薄膜穿孔等材料含浸熱塑性塑膠制成表面具有多孔的層體，借助兩纖維熱固性塑性層10、30中間加入熱塑性塑膠層20，上、下纖維熱固塑膠層10、30的熱固性樹(shù)脂12、32透過(guò)該熱塑性塑膠層20的透孔21而相互緊密連結(jié)，形成完整的結(jié)構(gòu)。
以上為本實(shí)用新型運(yùn)動(dòng)器材的復(fù)合材料管狀物各構(gòu)成材料相關(guān)構(gòu)造及位置，本實(shí)用新型所運(yùn)用的技術(shù)特點(diǎn)說(shuō)明如后。
本實(shí)用新型是針對(duì)管狀物制品，適合應(yīng)用在強(qiáng)度要求高，且必須降低沖擊與振動(dòng)的運(yùn)動(dòng)器材的結(jié)構(gòu)上，如球拍、高爾夫中管、曲混球中管、球棒等上。配合圖3所示，由于本實(shí)用新型在纖維材料11、31與熱固性樹(shù)脂12、32所制成的纖維熱固性塑膠層10、30之間，加入中間材質(zhì)熱塑性塑膠層20，該熱塑性塑膠層20是采用熱塑性塑膠構(gòu)成整面具有透孔性質(zhì)的材料，所以經(jīng)過(guò)疊層帛作時(shí)，位于熱塑性塑膠層20上層的上纖維熱固性塑膠層10，其熱固性樹(shù)脂12就借助該透孔21滲透過(guò)熱塑性塑膠層20，而與位在熱塑性塑膠層20下層的下纖維熱固性塑膠層30的熱固性樹(shù)脂32緊密地相互連結(jié)，上下兩層熱固性樹(shù)脂12、32能夠以架橋式巨大分子方式緊密地接合并經(jīng)加熱而維持原有的強(qiáng)度，而且本實(shí)用新型所運(yùn)用的復(fù)合材料層40中間材質(zhì)為阻尼系數(shù)高于熱固性樹(shù)脂的熱塑性塑膠，也具有降低沖擊及避震的良好效果。
本實(shí)用新型的上、下纖維熱固性塑膠層10、30與熱塑性塑膠層20疊層的數(shù)目可依實(shí)際需要，作適當(dāng)?shù)寞B層組合(例如TS＋TP＋TS＋TP＋TS＋TP……，或是TS＋TS＋TP＋TS＋TS＋TP＋TS＋TS等的組合形式)，以調(diào)整運(yùn)動(dòng)器材的強(qiáng)度及避震能力。另外，本實(shí)用新型也可依據(jù)復(fù)合材料管狀物避震部位的需求及強(qiáng)度上的考慮，管狀物熱塑性塑膠層20組疊方式可采取封閉型或開(kāi)放型的組疊結(jié)構(gòu)，配合圖4、6所示，為封閉型組疊結(jié)構(gòu)，其是指熱塑性塑膠層20為一個(gè)徑向剖面封閉的整圈環(huán)狀的層體，其避震效果可及整個(gè)管狀物。另外，配合圖5、7所示是所謂的開(kāi)放型組疊結(jié)構(gòu)，其是指熱塑性塑膠層20不是整圈封閉的環(huán)體，該熱塑性塑膠層20徑向剖面呈非連續(xù)層體，以預(yù)定的間隔搭配有適當(dāng)區(qū)間的熱固性樹(shù)脂12、32使該熱塑性塑膠層20呈非整圈封閉的層體，而可依特定部位的避震需求而設(shè)置。
為進(jìn)一步證明本實(shí)用新型可達(dá)到預(yù)期功效的要求，以五層纖維強(qiáng)化熱固性塑膠層10與四層纖維強(qiáng)化熱塑性塑膠層20的結(jié)合為例，估算其阻尼系數(shù)。對(duì)長(zhǎng)纖維的復(fù)合材料來(lái)說(shuō)，阻尼系數(shù)可以使用下述的公式計(jì)算Uc＝(VtpUtpEtp＋VtsUtsEts)/Ec其中，Uc為纖維強(qiáng)化熱固性塑膠層10及熱塑性塑膠層20結(jié)合后的復(fù)合材料層40的阻尼系數(shù)，Utp為熱塑性塑膠層20阻尼系數(shù)，而Uts為纖維強(qiáng)化熱固性塑膠層10的阻尼系數(shù)，Vtp為熱塑性塑膠層20的體積含有率，Vts為纖維中化熱固性塑膠層10的體積含有率，Ec為纖維強(qiáng)化熱固性塑膠層10及熱塑性塑膠層20結(jié)合后的復(fù)合材料層40的彈性模數(shù)，Etp膠層為熱塑性塑膠層20的彈性模數(shù)，而Ets為纖維強(qiáng)化熱固性塑膠層10的彈性模數(shù)。
該復(fù)合材料層40在此阻尼公式中，纖維強(qiáng)化熱固性塑膠層10的體積含有率Vts約為0.56(5層/9層)，阻尼系數(shù)Uts公知約為0.002，彈性模數(shù)Ets約為89.17175GPa，可以視為纖維的疊層。熱塑性塑膠層20其體積含有率Vtp約為0.44(4層/9層)，阻尼系數(shù)Utp公知約為0.004，彈性模數(shù)Etp約為89.28GPa，可以視為纖維的疊層。Etp與Ets數(shù)值相差不大，兩者結(jié)合后的Ec也接近此兩者的數(shù)值，上述公式分子與分母的各E值以相同值代入消去后，以本實(shí)用新型制成的網(wǎng)球拍最后可得到約為0.00288的阻尼系數(shù)，在降低沖擊與振動(dòng)的能力上，明顯優(yōu)于纖維強(qiáng)化熱固性樹(shù)脂，阻尼系數(shù)增加約0.00088，改善避震能力約44％，可減少因使用運(yùn)動(dòng)器具而發(fā)生運(yùn)動(dòng)傷害的機(jī)率。
為了確實(shí)證明本實(shí)用新型具有良好的避震效果及降低沖擊的能力，以一網(wǎng)球拍振動(dòng)試驗(yàn)測(cè)試其結(jié)果，將該試驗(yàn)評(píng)述如下
配合圖8所示，此球拍振動(dòng)試驗(yàn)是將球拍50的拍柄51固定在一個(gè)夾具52上，再以一敲擊物53捶擊球拍50網(wǎng)面54，并在拍柄51上裝有一個(gè)加速度偵測(cè)器55，以感應(yīng)震動(dòng)波，經(jīng)電腦繪圖儀將其振動(dòng)波形繪出，以測(cè)知其振動(dòng)幅度的大小。影響振動(dòng)試驗(yàn)有以下的因素(1)夾具52夾具52相當(dāng)于給予網(wǎng)球拍50束縛，松緊度對(duì)試驗(yàn)的結(jié)果影響很大，為了試驗(yàn)過(guò)程讓邊界條件一致，所以使用扭力扳手控制夾具52的松緊度。
(2)敲擊物53為了使試驗(yàn)與實(shí)際情況近似，使用網(wǎng)球作為敲擊物，放置于固定高度后自由落下，撞擊網(wǎng)球拍50。
(3)加速度偵測(cè)器55加速度偵測(cè)器55大小影響接受的靈敏度，本實(shí)驗(yàn)中以較小型的540-N感應(yīng)器進(jìn)行測(cè)試。
本試驗(yàn)是對(duì)以往網(wǎng)球拍(纖維強(qiáng)化熱固性樹(shù)脂)與以本實(shí)用新型的網(wǎng)球拍施以相同的力量測(cè)試，并記錄其振圖形，振動(dòng)圖形激震(最大振幅)較大，讓使用者受到的沖擊力則愈大，最容易產(chǎn)生運(yùn)動(dòng)傷害，而余震(激震以后的振幅)時(shí)間較長(zhǎng)的，其避震效果不良，讓使用者受到振動(dòng)力的時(shí)間更久，容易造成使用者肢體酸麻。經(jīng)過(guò)試驗(yàn)后測(cè)試的結(jié)果，以往網(wǎng)球拍的振動(dòng)圖形如圖9所示，而以本實(shí)用新型的網(wǎng)球拍則如
圖10所示，以試驗(yàn)結(jié)果可歸納出以下的結(jié)果(1)振動(dòng)幅度由試驗(yàn)圖形可明顯看出以往網(wǎng)球拍最大振動(dòng)幅度103毫伏特，約為以本實(shí)用新型制成的網(wǎng)球拍67毫伏特的1.5倍，因此本實(shí)用新型在避免沖擊的能力上比以往網(wǎng)球拍好。
(2)振動(dòng)衰減由試驗(yàn)圖形可看出以往網(wǎng)球拍振動(dòng)衰減一半所需時(shí)間約87.6毫秒，本實(shí)用新型振動(dòng)衰減一半所需時(shí)間約22.4毫秒，以往網(wǎng)球拍的比值約為本實(shí)用新型網(wǎng)球拍的4.0倍，因此以本實(shí)用新型制成的網(wǎng)球拍在避免振動(dòng)的能力上比以往的網(wǎng)球拍好。
由測(cè)試的試驗(yàn)數(shù)據(jù)可以分辨出以本實(shí)用新型制成的網(wǎng)球拍無(wú)論在避免沖擊與振動(dòng)能力上都比以往網(wǎng)球拍好，所以，本實(shí)用新型對(duì)于防止運(yùn)動(dòng)傷害發(fā)生，比以往網(wǎng)球拍(纖維強(qiáng)化熱固性樹(shù)脂)有效。
綜上所述，本實(shí)用新型運(yùn)動(dòng)器材的復(fù)合材料管狀物應(yīng)用具有透孔的熱塑性塑膠層，使上下兩熱固性樹(shù)脂層透過(guò)該透孔而連結(jié)的特有結(jié)合技術(shù)，可將熱固性樹(shù)脂及熱塑性塑膠緊密地貼合，由此材質(zhì)所制成的復(fù)合材料可兼具以上兩種材質(zhì)的優(yōu)點(diǎn)，具有強(qiáng)度高、降低沖擊能力及具有良好的避震效果。
權(quán)利要求1.一種運(yùn)動(dòng)器材的復(fù)合材料管狀物，具有上、下層的纖維熱固性塑膠層，其特征在于在該上、下層的纖維熱固性塑膠層之間具有一層熱塑性塑膠層，而固結(jié)形成一復(fù)合材料層；該纖維熱固性塑膠層是以至少一層的熱固性樹(shù)脂含浸纖維材料所形成的材料體，而該熱塑性塑膠層是以具有高阻尼特性的熱塑性塑膠制成具有透孔的材料體，該上、下層的纖維熱固性塑膠層透過(guò)熱塑性塑膠層的透孔互相緊密連結(jié)。
2.如權(quán)利要求1所述的運(yùn)動(dòng)器材的復(fù)合材料管狀物，其特征在于該熱塑性塑膠層是一徑向剖面呈整圈環(huán)狀的封閉型層體。
3.如權(quán)利要求1所述的運(yùn)動(dòng)器材的復(fù)合材料管狀物，其特征在于該熱塑性塑膠層是徑向剖面不是連續(xù)的層體，且以預(yù)定的間隔搭配有纖維熱固性塑膠，該熱塑性塑膠層不是整圈封閉的層體。
4.如權(quán)利要求1所述的運(yùn)動(dòng)器材的復(fù)合材料管狀物，其特征在于該熱塑性塑膠層是使用不織布或孔狀編織物、薄膜穿孔材料含浸熱塑性塑膠制成表面具有多孔的層體。
專(zhuān)利摘要一種運(yùn)動(dòng)器材的復(fù)合材料管狀物，以纖維含浸熱固性樹(shù)脂制成纖維熱固性塑膠層，且以具有透孔的熱塑性塑膠制成一層熱塑性塑膠層，該熱塑性塑膠層夾固在上下兩層的纖維熱固塑膠層中，借助該透孔使上下層纖維熱固性塑膠的熱固性樹(shù)脂相互固結(jié)密合，而形成具有高強(qiáng)度、降低沖擊能力好及避震效果強(qiáng)的復(fù)合材料層。
文檔編號(hào)B29D23/00GK2239883SQ9522844
公開(kāi)日1996年11月13日 申請(qǐng)日期1995年11月8日 優(yōu)先權(quán)日1995年11月8日
發(fā)明者鄭文山 申請(qǐng)人:羅光男