专利名称：运动器材的复合材料管状物的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及一种运动器材的复合材料管状物，特别是涉及一种应用在运动器材上，可达到强度佳、避震效果良好的运动器材的复合材料管状物。
复合材料由于具有量轻质坚的特性，目前普遍受运动器材管状物所应用，例如球拍、高尔夫中管、曲棍球中管及球棒等。而复合材料以热塑性塑胶及热固性树脂两种复合材料最受厂商在制造运动器材上所应用热塑性塑胶简称TP，例如以聚乙烯、聚丙烯、聚碳酸酯或尼龙等与纤维材料如炭纤维、玻璃纤维、硼纤维、有机纤维或金属纤维等材料结合形成的纤维强化热塑性塑胶复合材料；热固性树脂简称TS，例如以不饱合聚酯、环氧树脂或酚-甲醛树脂等与纤维材料结合形成的纤维强化热固性塑胶复合材料。
如
图1球拍拍框的叠层示意图所示，由于热塑性塑胶与热固性树脂具有很难相互固结一体的特性，所以一般运动器材的复合材料管状物，都是由单一材料所制成，也就是采用纤维强化热塑性塑胶或纤维强化热固性塑胶其中一种为材料层1，该材料层1再依序叠层包覆而形成完整拍框的结构。由于热塑性塑胶为长链状构造的分子集团，通常具有较高的阻尼系数的性质。例如，在纤维强化热塑性塑胶中以最常应用的尼龙6与碳纤维所制成的网球拍为例，其阻尼系数约为0.004，由振动力学的观念可知，其复合材料结构本身振动的消除，主要是由结构中阻尼系数来决定。也就是在受相同外力作用下，结构本身阻尼系数愈大，此种复合材料结构的避震效果愈好。所以，具有较高阻尼系数的纤维强化热塑性塑胶生产的制品，通常可以降低制品本身受外力作用时所产生的冲击与振动，但是其结构强度远不如纤维强化热固性塑胶的制品，以该材质所制成的拍框本身不能承受太高的网线张力(约60磅)，以致在打击时无法获得较佳的控球性。
此外，纤维强化热固性塑胶中，以最常使用的石墨与环氧基树脂所制成的球拍为例，其加工热固成型后会形成为架桥式巨大分子结构，所以纤维强化热固性塑胶生产的制品，通常具有较佳的强度，能承受较高磅数的网线张力(约80磅)，但是，以此种材质制成的球拍，其阻尼系数约为0.002，所以纤维强化热固性塑胶阻尼系数约是纤维强化热塑性塑胶的二分之一，在降低结构本身受外力作用时所产生的冲击与振动能力远不如纤维强化热塑性塑胶，让使用者打击球时，必须承受球拍反震的力量，容易产生如“网球肘”的运动伤害。
因此，纤维强化塑性塑胶与纤维强化热固性塑胶单独使用时，分别有其材料特性的优缺点，如何结合两者使运动器材管状物获得更适用的性能，是厂商努力的目标。
本实用新型的目的在于提供一种运动器材的复合材料管状物，是以一层具有透孔的热塑性塑胶层做为中间塑胶层，并且上、下层纤维强化热固性塑胶层相互叠层，该上、下层纤维强化热固性塑胶层的热固性树脂可透过热塑性塑胶层的透孔而互相紧密地固结，而形成具有高强度、吸震效果也很好的复合材料层。
本实用新型运动器材的复合材料管状物，其主要是在上、下层的纤维热固性塑性层中间形成一层热塑性塑胶层，而固结形成复合材料层。该纤维热固性塑胶层是以至少一层的热固性树脂含浸纤维材料所形成的材料体，而该热塑性塑胶层是具有较高阻尼特性的热塑性制成具有透孔的材料体，该上、下层纤维热固性塑胶层的热固性树脂可透过热塑性塑性胶层的透孔，相互紧密地连结，且可使热塑性塑胶层固置在热固性塑胶层内。该纤维热固性塑胶层与热塑性胶层叠层的层数可依需要作单层或多层叠层的型式，也可依据复合材料管状物避震部位的需求强度上的考虑，该热塑性塑胶层可采取封闭型或开放型的组叠结构，使其具有热塑性塑胶及热固性树脂的特性，使整体具有强度高、吸震良好的优点。
下面通过最佳实施例及附图对本实用新型运动器材的复合材料管状物进行详细说明，附图中
图1是以往球拍拍框的叠层示意图；图2是本实用新型较佳实施例的组合剖面图；图3是本实用新型较佳实施例的结合示意图；图4是本实用新型较佳实施例封闭型叠层示意图；图5是本实用新型较佳实施例开放型叠层示意图；图6是沿图4中直线6-6的剖面图；图7是沿图5中直线7-7的剖面图；图8是本实用新型球拍振动实验的示意图；图9是以往网球拍振动实验所测出振动图形；
图10是本实用新型网球拍振动实验所测出振动图形。
如图2、3所示，本实用新型运动器材的复合材料管状物，其主要应用在运动器材圆管状的结构，是在上、下层的纤维热固性塑胶层10、30之间加入一层的热塑性塑胶层20，加热固结后整体形成一复合材料层40。该上、下层纤维热固性塑胶层10、30都是以纤维材料11、31含浸热固性树脂12、32所形成的材料体，而该热塑性塑层20是以具有阻尼系数比热固性树脂高的热塑性塑胶所制成具有透孔21的材料体，制作透孔21的方式可使用如不织布或孔状编织物、薄膜穿孔等材料含浸热塑性塑胶制成表面具有多孔的层体，借助两纤维热固性塑性层10、30中间加入热塑性塑胶层20，上、下纤维热固塑胶层10、30的热固性树脂12、32透过该热塑性塑胶层20的透孔21而相互紧密连结，形成完整的结构。
以上为本实用新型运动器材的复合材料管状物各构成材料相关构造及位置，本实用新型所运用的技术特点说明如后。
本实用新型是针对管状物制品，适合应用在强度要求高，且必须降低冲击与振动的运动器材的结构上，如球拍、高尔夫中管、曲混球中管、球棒等上。配合图3所示，由于本实用新型在纤维材料11、31与热固性树脂12、32所制成的纤维热固性塑胶层10、30之间，加入中间材质热塑性塑胶层20，该热塑性塑胶层20是采用热塑性塑胶构成整面具有透孔性质的材料，所以经过叠层帛作时，位于热塑性塑胶层20上层的上纤维热固性塑胶层10，其热固性树脂12就借助该透孔21渗透过热塑性塑胶层20，而与位在热塑性塑胶层20下层的下纤维热固性塑胶层30的热固性树脂32紧密地相互连结，上下两层热固性树脂12、32能够以架桥式巨大分子方式紧密地接合并经加热而维持原有的强度，而且本实用新型所运用的复合材料层40中间材质为阻尼系数高于热固性树脂的热塑性塑胶，也具有降低冲击及避震的良好效果。
本实用新型的上、下纤维热固性塑胶层10、30与热塑性塑胶层20叠层的数目可依实际需要，作适当的叠层组合(例如TS＋TP＋TS＋TP＋TS＋TP……，或是TS＋TS＋TP＋TS＋TS＋TP＋TS＋TS等的组合形式)，以调整运动器材的强度及避震能力。另外，本实用新型也可依据复合材料管状物避震部位的需求及强度上的考虑，管状物热塑性塑胶层20组叠方式可采取封闭型或开放型的组叠结构，配合图4、6所示，为封闭型组叠结构，其是指热塑性塑胶层20为一个径向剖面封闭的整圈环状的层体，其避震效果可及整个管状物。另外，配合图5、7所示是所谓的开放型组叠结构，其是指热塑性塑胶层20不是整圈封闭的环体，该热塑性塑胶层20径向剖面呈非连续层体，以预定的间隔搭配有适当区间的热固性树脂12、32使该热塑性塑胶层20呈非整圈封闭的层体，而可依特定部位的避震需求而设置。
为进一步证明本实用新型可达到预期功效的要求，以五层纤维强化热固性塑胶层10与四层纤维强化热塑性塑胶层20的结合为例，估算其阻尼系数。对长纤维的复合材料来说，阻尼系数可以使用下述的公式计算Uc＝(VtpUtpEtp＋VtsUtsEts)/Ec其中，Uc为纤维强化热固性塑胶层10及热塑性塑胶层20结合后的复合材料层40的阻尼系数，Utp为热塑性塑胶层20阻尼系数，而Uts为纤维强化热固性塑胶层10的阻尼系数，Vtp为热塑性塑胶层20的体积含有率，Vts为纤维中化热固性塑胶层10的体积含有率，Ec为纤维强化热固性塑胶层10及热塑性塑胶层20结合后的复合材料层40的弹性模数，Etp胶层为热塑性塑胶层20的弹性模数，而Ets为纤维强化热固性塑胶层10的弹性模数。
该复合材料层40在此阻尼公式中，纤维强化热固性塑胶层10的体积含有率Vts约为0.56(5层/9层)，阻尼系数Uts公知约为0.002，弹性模数Ets约为89.17175GPa，可以视为纤维的叠层。热塑性塑胶层20其体积含有率Vtp约为0.44(4层/9层)，阻尼系数Utp公知约为0.004，弹性模数Etp约为89.28GPa，可以视为纤维的叠层。Etp与Ets数值相差不大，两者结合后的Ec也接近此两者的数值，上述公式分子与分母的各E值以相同值代入消去后，以本实用新型制成的网球拍最后可得到约为0.00288的阻尼系数，在降低冲击与振动的能力上，明显优于纤维强化热固性树脂，阻尼系数增加约0.00088，改善避震能力约44％，可减少因使用运动器具而发生运动伤害的机率。
为了确实证明本实用新型具有良好的避震效果及降低冲击的能力，以一网球拍振动试验测试其结果，将该试验评述如下
配合图8所示，此球拍振动试验是将球拍50的拍柄51固定在一个夹具52上，再以一敲击物53捶击球拍50网面54，并在拍柄51上装有一个加速度侦测器55，以感应震动波，经电脑绘图仪将其振动波形绘出，以测知其振动幅度的大小。影响振动试验有以下的因素(1)夹具52夹具52相当于给予网球拍50束缚，松紧度对试验的结果影响很大，为了试验过程让边界条件一致，所以使用扭力扳手控制夹具52的松紧度。
(2)敲击物53为了使试验与实际情况近似，使用网球作为敲击物，放置于固定高度后自由落下，撞击网球拍50。
(3)加速度侦测器55加速度侦测器55大小影响接受的灵敏度，本实验中以较小型的540-N感应器进行测试。
本试验是对以往网球拍(纤维强化热固性树脂)与以本实用新型的网球拍施以相同的力量测试，并记录其振图形，振动图形激震(最大振幅)较大，让使用者受到的冲击力则愈大，最容易产生运动伤害，而余震(激震以后的振幅)时间较长的，其避震效果不良，让使用者受到振动力的时间更久，容易造成使用者肢体酸麻。经过试验后测试的结果，以往网球拍的振动图形如图9所示，而以本实用新型的网球拍则如
图10所示，以试验结果可归纳出以下的结果(1)振动幅度由试验图形可明显看出以往网球拍最大振动幅度103毫伏特，约为以本实用新型制成的网球拍67毫伏特的1.5倍，因此本实用新型在避免冲击的能力上比以往网球拍好。
(2)振动衰减由试验图形可看出以往网球拍振动衰减一半所需时间约87.6毫秒，本实用新型振动衰减一半所需时间约22.4毫秒，以往网球拍的比值约为本实用新型网球拍的4.0倍，因此以本实用新型制成的网球拍在避免振动的能力上比以往的网球拍好。
由测试的试验数据可以分辨出以本实用新型制成的网球拍无论在避免冲击与振动能力上都比以往网球拍好，所以，本实用新型对于防止运动伤害发生，比以往网球拍(纤维强化热固性树脂)有效。
综上所述，本实用新型运动器材的复合材料管状物应用具有透孔的热塑性塑胶层，使上下两热固性树脂层透过该透孔而连结的特有结合技术，可将热固性树脂及热塑性塑胶紧密地贴合，由此材质所制成的复合材料可兼具以上两种材质的优点，具有强度高、降低冲击能力及具有良好的避震效果。
权利要求1.一种运动器材的复合材料管状物，具有上、下层的纤维热固性塑胶层，其特征在于在该上、下层的纤维热固性塑胶层之间具有一层热塑性塑胶层，而固结形成一复合材料层；该纤维热固性塑胶层是以至少一层的热固性树脂含浸纤维材料所形成的材料体，而该热塑性塑胶层是以具有高阻尼特性的热塑性塑胶制成具有透孔的材料体，该上、下层的纤维热固性塑胶层透过热塑性塑胶层的透孔互相紧密连结。
2.如权利要求1所述的运动器材的复合材料管状物，其特征在于该热塑性塑胶层是一径向剖面呈整圈环状的封闭型层体。
3.如权利要求1所述的运动器材的复合材料管状物，其特征在于该热塑性塑胶层是径向剖面不是连续的层体，且以预定的间隔搭配有纤维热固性塑胶，该热塑性塑胶层不是整圈封闭的层体。
4.如权利要求1所述的运动器材的复合材料管状物，其特征在于该热塑性塑胶层是使用不织布或孔状编织物、薄膜穿孔材料含浸热塑性塑胶制成表面具有多孔的层体。
专利摘要一种运动器材的复合材料管状物，以纤维含浸热固性树脂制成纤维热固性塑胶层，且以具有透孔的热塑性塑胶制成一层热塑性塑胶层，该热塑性塑胶层夹固在上下两层的纤维热固塑胶层中，借助该透孔使上下层纤维热固性塑胶的热固性树脂相互固结密合，而形成具有高强度、降低冲击能力好及避震效果强的复合材料层。
文档编号B29D23/00GK2239883SQ9522844
公开日1996年11月13日 申请日期1995年11月8日 优先权日1995年11月8日
发明者郑文山 申请人:罗光男