專利名稱：運動器材的復合材料管狀物的制作方法
技術領域：
本實用新型涉及一種運動器材的復合材料管狀物，特別是涉及一種應用在運動器材上，可達到強度佳、避震效果良好的運動器材的復合材料管狀物。
復合材料由于具有量輕質堅的特性，目前普遍受運動器材管狀物所應用，例如球拍、高爾夫中管、曲棍球中管及球棒等。而復合材料以熱塑性塑膠及熱固性樹脂兩種復合材料最受廠商在制造運動器材上所應用熱塑性塑膠簡稱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、有機纖維或金屬纖維等材料結合形成的纖維強化熱塑性塑膠復合材料；熱固性樹脂簡稱TS，例如以不飽合聚酯、環氧樹脂或酚-甲醛樹脂等與纖維材料結合形成的纖維強化熱固性塑膠復合材料。
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脂具有很難相互固結一體的特性，所以一般運動器材的復合材料管狀物，都是由單一材料所制成，也就是采用纖維強化熱塑性塑膠或纖維強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構。由于熱塑性塑膠為長鏈狀構造的分子集團，通常具有較高的阻尼系數的性質。例如，在纖維強化熱塑性塑膠中以最常應用的尼龍6與碳纖維所制成的網球拍為例，其阻尼系數約為0.004，由振動力學的觀念可知，其復合材料結構本身振動的消除，主要是由結構中阻尼系數來決定。也就是在受相同外力作用下，結構本身阻尼系數愈大，此種復合材料結構的避震效果愈好。所以，具有較高阻尼系數的纖維強化熱塑性塑膠生產的制品，通常可以降低制品本身受外力作用時所產生的沖擊與振動，但是其結構強度遠不如纖維強化熱固性塑膠的制品，以該材質所制成的拍框本身不能承受太高的網線張力(約60磅)，以致在打擊時無法獲得較佳的控球性。
此外，纖維強化熱固性塑膠中，以最常使用的石墨與環氧基樹脂所制成的球拍為例，其加工熱固成型后會形成為架橋式巨大分子結構，所以纖維強化熱固性塑膠生產的制品，通常具有較佳的強度，能承受較高磅數的網線張力(約80磅)，但是，以此種材質制成的球拍，其阻尼系數約為0.002，所以纖維強化熱固性塑膠阻尼系數約是纖維強化熱塑性塑膠的二分之一，在降低結構本身受外力作用時所產生的沖擊與振動能力遠不如纖維強化熱塑性塑膠，讓使用者打擊球時，必須承受球拍反震的力量，容易產生如“網球肘”的運動傷害。
因此，纖維強化塑性塑膠與纖維強化熱固性塑膠單獨使用時，分別有其材料特性的優缺點，如何結合兩者使運動器材管狀物獲得更適用的性能，是廠商努力的目標。
本實用新型的目的在于提供一種運動器材的復合材料管狀物，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、下層纖維強化熱固性塑膠層相互疊層，該上、下層纖維強化熱固性塑膠層的熱固性樹脂可透過熱塑性塑膠層的透孔而互相緊密地固結，而形成具有高強度、吸震效果也很好的復合材料層。
本實用新型運動器材的復合材料管狀物，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，而固結形成復合材料層。該纖維熱固性塑膠層是以至少一層的熱固性樹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脂可透過熱塑性塑性膠層的透孔，相互緊密地連結，且可使熱塑性塑膠層固置在熱固性塑膠層內。該纖維熱固性塑膠層與熱塑性膠層疊層的層數可依需要作單層或多層疊層的型式，也可依據復合材料管狀物避震部位的需求強度上的考慮，該熱塑性塑膠層可采取封閉型或開放型的組疊結構，使其具有熱塑性塑膠及熱固性樹脂的特性，使整體具有強度高、吸震良好的優點。
下面通過最佳實施例及附圖對本實用新型運動器材的復合材料管狀物進行詳細說明，附圖中
圖1是以往球拍拍框的疊層示意圖；圖2是本實用新型較佳實施例的組合剖面圖；圖3是本實用新型較佳實施例的結合示意圖；圖4是本實用新型較佳實施例封閉型疊層示意圖；圖5是本實用新型較佳實施例開放型疊層示意圖；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是本實用新型球拍振動實驗的示意圖；圖9是以往網球拍振動實驗所測出振動圖形；
圖10是本實用新型網球拍振動實驗所測出振動圖形。
如圖2、3所示，本實用新型運動器材的復合材料管狀物，其主要應用在運動器材圓管狀的結構，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，加熱固結后整體形成一復合材料層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是以具有阻尼系數比熱固性樹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的熱固性樹脂12、32透過該熱塑性塑膠層20的透孔21而相互緊密連結，形成完整的結構。
以上為本實用新型運動器材的復合材料管狀物各構成材料相關構造及位置，本實用新型所運用的技術特點說明如后。
本實用新型是針對管狀物制品，適合應用在強度要求高，且必須降低沖擊與振動的運動器材的結構上，如球拍、高爾夫中管、曲混球中管、球棒等上。配合圖3所示，由于本實用新型在纖維材料11、31與熱固性樹脂12、32所制成的纖維熱固性塑膠層10、30之間，加入中間材質熱塑性塑膠層20，該熱塑性塑膠層20是采用熱塑性塑膠構成整面具有透孔性質的材料，所以經過疊層帛作時，位于熱塑性塑膠層20上層的上纖維熱固性塑膠層10，其熱固性樹脂12就借助該透孔21滲透過熱塑性塑膠層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的熱固性樹脂32緊密地相互連結，上下兩層熱固性樹脂12、32能夠以架橋式巨大分子方式緊密地接合并經加熱而維持原有的強度，而且本實用新型所運用的復合材料層40中間材質為阻尼系數高于熱固性樹脂的熱塑性塑膠，也具有降低沖擊及避震的良好效果。
本實用新型的上、下纖維熱固性塑膠層10、30與熱塑性塑膠層20疊層的數目可依實際需要，作適當的疊層組合(例如TS＋TP＋TS＋TP＋TS＋TP……，或是TS＋TS＋TP＋TS＋TS＋TP＋TS＋TS等的組合形式)，以調整運動器材的強度及避震能力。另外，本實用新型也可依據復合材料管狀物避震部位的需求及強度上的考慮，管狀物熱塑性塑膠層20組疊方式可采取封閉型或開放型的組疊結構，配合圖4、6所示，為封閉型組疊結構，其是指熱塑性塑膠層20為一個徑向剖面封閉的整圈環狀的層體，其避震效果可及整個管狀物。另外，配合圖5、7所示是所謂的開放型組疊結構，其是指熱塑性塑膠層20不是整圈封閉的環體，該熱塑性塑膠層20徑向剖面呈非連續層體，以預定的間隔搭配有適當區間的熱固性樹脂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置。
為進一步證明本實用新型可達到預期功效的要求，以五層纖維強化熱固性塑膠層10與四層纖維強化熱塑性塑膠層20的結合為例，估算其阻尼系數。對長纖維的復合材料來說，阻尼系數可以使用下述的公式計算Uc＝(VtpUtpEtp＋VtsUtsEts)/Ec其中，Uc為纖維強化熱固性塑膠層10及熱塑性塑膠層20結合后的復合材料層40的阻尼系數，Utp為熱塑性塑膠層20阻尼系數，而Uts為纖維強化熱固性塑膠層10的阻尼系數，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為纖維強化熱固性塑膠層10及熱塑性塑膠層20結合后的復合材料層40的彈性模數，Etp膠層為熱塑性塑膠層20的彈性模數，而Ets為纖維強化熱固性塑膠層10的彈性模數。
該復合材料層40在此阻尼公式中，纖維強化熱固性塑膠層10的體積含有率Vts約為0.56(5層/9層)，阻尼系數Uts公知約為0.002，彈性模數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Utp公知約為0.004，彈性模數Etp約為89.28GPa，可以視為纖維的疊層。Etp與Ets數值相差不大，兩者結合后的Ec也接近此兩者的數值，上述公式分子與分母的各E值以相同值代入消去后，以本實用新型制成的網球拍最后可得到約為0.00288的阻尼系數，在降低沖擊與振動的能力上，明顯優于纖維強化熱固性樹脂，阻尼系數增加約0.00088，改善避震能力約44％，可減少因使用運動器具而發生運動傷害的機率。
為了確實證明本實用新型具有良好的避震效果及降低沖擊的能力，以一網球拍振動試驗測試其結果，將該試驗評述如下
配合圖8所示，此球拍振動試驗是將球拍50的拍柄51固定在一個夾具52上，再以一敲擊物53捶擊球拍50網面54，并在拍柄51上裝有一個加速度偵測器55，以感應震動波，經電腦繪圖儀將其振動波形繪出，以測知其振動幅度的大小。影響振動試驗有以下的因素(1)夾具52夾具52相當于給予網球拍50束縛，松緊度對試驗的結果影響很大，為了試驗過程讓邊界條件一致，所以使用扭力扳手控制夾具52的松緊度。
(2)敲擊物53為了使試驗與實際情況近似，使用網球作為敲擊物，放置于固定高度后自由落下，撞擊網球拍50。
(3)加速度偵測器55加速度偵測器55大小影響接受的靈敏度，本實驗中以較小型的540-N感應器進行測試。
本試驗是對以往網球拍(纖維強化熱固性樹脂)與以本實用新型的網球拍施以相同的力量測試，并記錄其振圖形，振動圖形激震(最大振幅)較大，讓使用者受到的沖擊力則愈大，最容易產生運動傷害，而余震(激震以后的振幅)時間較長的，其避震效果不良，讓使用者受到振動力的時間更久，容易造成使用者肢體酸麻。經過試驗后測試的結果，以往網球拍的振動圖形如圖9所示，而以本實用新型的網球拍則如
圖10所示，以試驗結果可歸納出以下的結果(1)振動幅度由試驗圖形可明顯看出以往網球拍最大振動幅度103毫伏特，約為以本實用新型制成的網球拍67毫伏特的1.5倍，因此本實用新型在避免沖擊的能力上比以往網球拍好。
(2)振動衰減由試驗圖形可看出以往網球拍振動衰減一半所需時間約87.6毫秒，本實用新型振動衰減一半所需時間約22.4毫秒，以往網球拍的比值約為本實用新型網球拍的4.0倍，因此以本實用新型制成的網球拍在避免振動的能力上比以往的網球拍好。
由測試的試驗數據可以分辨出以本實用新型制成的網球拍無論在避免沖擊與振動能力上都比以往網球拍好，所以，本實用新型對于防止運動傷害發生，比以往網球拍(纖維強化熱固性樹脂)有效。
綜上所述，本實用新型運動器材的復合材料管狀物應用具有透孔的熱塑性塑膠層，使上下兩熱固性樹脂層透過該透孔而連結的特有結合技術，可將熱固性樹脂及熱塑性塑膠緊密地貼合，由此材質所制成的復合材料可兼具以上兩種材質的優點，具有強度高、降低沖擊能力及具有良好的避震效果。
權利要求1.一種運動器材的復合材料管狀物，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，而固結形成一復合材料層；該纖維熱固性塑膠層是以至少一層的熱固性樹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熱塑性塑膠層的透孔互相緊密連結。
2.如權利要求1所述的運動器材的復合材料管狀物，其特征在于該熱塑性塑膠層是一徑向剖面呈整圈環狀的封閉型層體。
3.如權利要求1所述的運動器材的復合材料管狀物，其特征在于該熱塑性塑膠層是徑向剖面不是連續的層體，且以預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.如權利要求1所述的運動器材的復合材料管狀物，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。
專利摘要一種運動器材的復合材料管狀物，以纖維含浸熱固性樹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脂相互固結密合，而形成具有高強度、降低沖擊能力好及避震效果強的復合材料層。
文檔編號B29D23/00GK2239883SQ9522844
公開日1996年11月13日 申請日期1995年11月8日 優先權日1995年11月8日
發明者鄭文山 申請人:羅光男