CN1063638A - 特别适于用作网球拍的长纤维增强的热塑性框架 - Google Patents

Abstract

由碳纤维或其它增强材料形成的一种用于制作 网球拍或其它器具的长纤维热塑性框架，所说增强材 料按所需角度取向并紧密嵌入热塑性树脂中。本发 明框架具有长纤维热固性框架的强度和刚性，但不同 于热固性框架的是，由于具有热塑性树脂的粘弹性， 本发明的框架具有动力刚性。

Description

本发明涉及特别适于用作网球拍的纤维增强树脂框架的制造。

现今大多数高性能网球拍框架是用纤维、尤其是用碳纤维增强的树脂材料制成的，它们被称为所谓石墨框架。

制备复合材料网球拍框架的标准方法是采用热固性的预浸制品，这些材料可制成单向性的薄层、纺织品、或编织管。

在常规方法中，衬入了纤维的树脂网球拍框架由用未固化热固性树脂如B阶段环氧树脂浸注的成束碳纤维构成的多层预浸带制成。未固化热固性树脂既不是液态的，也不是固态的，可形成一种非常易褶皱的、柔软的和易成型的预浸制品。它也非常发粘，以致于各股之间相互粘着，并可缠绕起来并在模制机中被压密实。

按该方法，薄层材料按特定角度切割，并卷制成管状。后续的各层以不同角度取向，以增强框架成品的定向刚度和强度。通常，所说管是借助一根置于可充气气胆外围的芯轴制成的，或是手卷制的，然后抽出芯轴，而仍包含着气胆的管子被放入形如框架的模具中。在该模具中，使胆充气，迫使该预浸管符合模具的形状，然后热固化并硬化。

上述方法具有的优点是能生产高质量网球拍框架，但其缺点是，在制成预浸品并把它装入模具中时需要相当大的劳动量。同时，当使用该方法时，预制管需保存在冷的环境中。当从模具中移出时，固化的框架也需要相当大的手工整饰工作量。

按另一个方法，浸涂有B阶环氧树脂的增强纤维编成管。把一个气胆插入管中，管子从内壁受压，并在一模具中按上述预浸品薄层的加工方法固化。但是，浸涂有环氧树脂的纤维是粘性的，因而难于制成编织管并对它进行加工操作。因此，可能需要选用那些在B阶段不粘着的环氧树脂。

还有人建议采用热塑性而非热固性树脂来制造网球拍。但事实上，上述方法中不能采用热塑性塑料。与室温下可褶皱的未固化环氧树脂预浸品对照，热塑性预浸品将是非常坚硬的，为了采用上述方法，因此首先需把该树脂加热到一个非常高的温度，以形成管材，同时为了把管材装入模具中，在网球拍成型操作中操作人员将遇到困难。同样，热塑性预浸品将不具有粘着性，这使得使用多层材料制成一管状预材料坯的过程变得困难，此外，热塑性材料在靠近熔点附近、开始流动前只有相对小的软化区。即使假定该预浸品可被加热到软化点而不熔化其树脂，也难于在加工中保持恒定的温度。

已有多种制备的建议，并有多种网球拍进入市场，它们是由纤维增强的热塑性塑料注模生产的。但这些产品并非采用制备热固性网球拍的方法生产，且并不具有同样的纤维结构。取而代之的是，注模热塑性网球拍是采用一个树脂与短长度纤维的混合物制成的，该混合物注入一个网球拍模子中。纤维被无规则分散在树脂中，以制得各向同性的材料。这种方法具有简化网球拍成型工艺的优点，因为它省却了许多手工步骤。但是，注模工艺受到许多限制，因为纤维穿过注入口，它们不能超过约1/2英寸（1英寸＝2.54cm，以下同）。因此，增强纤维大大短于在预浸热固性树脂工艺中所用纤维，与热固性网球拍中较长纤维比，短纤维不能获得同样的强度和总体刚性。此外，已知的热塑性工艺具有其纤维取向不能控制的缺点。

美国专利No.4，643，857认识到了在注模热塑性网球拍中纤维长度的限制，并建议采用一种挤压工艺来生产网球拍，这样可增长纤维长度。然而，按照该专利，它的纤维长度仅为5或6mm。这种纤维显著短于上述热固性工艺中所用的增强纤维长度。

需要制备一种热塑性球拍框架，它含有更长的增强纤维，最好达到可与在已知热固性工艺中所用纤维的长度相比的长度。同样还需要制备一种热塑性球拍框架，其中，纤维的取向可得到控制，以获得一定角度的预定刚性。

本发明涉及一种热塑性框架，尤其适于制作网球拍的框架，它用长纤维增强，按所需角度取向，并使之紧密地埋入热塑性树脂中。按本发明，一个网球拍框架具有动力刚性性能，例如它有与热塑性树脂网球拍相应的劲击刚性，但它也有用于碰击和打高球的较软回弹力。

按照本发明，通过把许多增强纤维掺入挠性热塑性材料如热塑性材料长丝或热塑性粉末中，制成一种网球拍。在一优选的实施方案中，由搀合的或共绕的热塑性长丝与增强纤维构成的丝束被编织成挠性套。多个这种套可内部互套，把这种多层套放入网球拍形状的或其它器具形状的模具中，在套的内部放置一个气胆。然后闭合模具并加热，直至热塑性塑料熔化。同时，向气胆加压，使得套符合模具形状。热塑性塑料熔化后，冷却模具，使热塑性材料固化，同时维持内部压力，并移出固化的模制品。

在另一优选方法中，增强纤维丝束用粉末形式的热塑性塑料预浸渍。然后将该粉末预浸纤维丝束按上述方式编织并模制。

当器具是网球拍时，可能需要包含多层编织套，以制成多层框架，同时需要选择纤维在相连接的层中的取向角度。而且，为了额外增强，可能需要在纵向延伸的编织套之间布置增强纤维。最好是将这些纤维与将要熔化形成埋入基质的热塑性长丝或粉末结合起来。

穿绳孔可通过再熔热塑性塑料的热针注塑在框架的头部形成。热针注塑是需要的，因为可不折断增强纤维而形成孔。但另一种作法是方便地采用常规的钻孔方法。

按本发明的网球拍具有长纤维热固性球拍的强度，同时，类似于热固性工艺，它可对纤维取向角度进行控制。但是，不象已知热固性网球拍那样，按本发明的网球拍具有动力刚性，在一热固性网球拍中，树脂固化时发生交联。在热塑性树脂中并不形成交联链，这样，树脂就具有粘弹性质。不同于热固性聚合物的是，粘弹性的聚合物对不同的负荷力有不同的反作用。

对网球拍、尤其是具有超强刚性框架的宽体网球拍而言，这是有意义的，因为换用的强力球拍常常缺乏轻吊能力。当打出一个大力抽杀时，热塑性球拍能发挥更具刚性更能施加强力的球拍的功能，而当轻吊或打高球时，它又能起较软球拍的作用。

按本发明的网球拍或其它器具的框架具有多个其它优点。纤维增强的热塑性框架具有有利的耐冲击强度。热塑性树脂具有高的预应力失效率，因而在受到破坏前，热塑性复合材料能承受更大的冲击负荷。本发明的框架部件也具有所希望的减振性能，因为热塑性塑料本身能吸收振动。因此，本发明的长纤维热塑性框架的独特优点在于，它有如热固性框架同样的刚性性能，同时还具有短纤维增强的热塑性注模框架的耐冲击和减振性能。本发明框架部件的另一优点是，它从模具中取出时就比热固性树脂具有较光滑的外表面，且框架上不规则的和需整饰的表面积得以减少。同样，相对于热固性框架而言，这种框架的重量也可减少，因为热塑性树脂通常具有较低的密度。

参照下面对优选的实施方案的详细描述，并结合附图，可更好地理解本发明。

图1为用来制造图2编织套的纤维和长丝混合丝束前视图;

图2为用来制造本发明框架的部分编织套前视图;

图3为图2套沿3-3线的截面图;

图4为示出编织图案一个实施例的套的断面放大前视图;

图5为示出套置于模中用以制造网球拍的长度的前视图

图6为本发明制成的网球拍框架前视图。

图1示出了可按本发明应用的多股长丝丝束10，它由多根热塑性长丝12再加上多根增强纤维，如碳纤维14构成。例示实施方案中，碳纤维束为7200旦（7，200gms/9，000束长）的12K束（12，000根纤维），而尼龙丝束12最低包括136根尼龙长丝，以达到大约4，050旦。适用于本发明的碳纤维丝丝束以及尼龙多长丝束已市售。丝束10优选涂有大约0.5-2.0wt%的与塑料相容的浆料，以促进后续模制期间对纤维的润湿。

共绕的增强纤维丝束14和热塑性丝束12可形成丝束10，即如图1所示使纤维丝束和长丝丝束侧面相接。还可如下述，混编纤维丝束和热塑性长丝丝束或采用粉末预浸法。但一般来说，任何方法中要求比例为大约38wt%树脂和62wt%增强纤维。

如图2-3，多条丝束10编织成挠性管或套16。图2和2示出了编织图案举例，其中丝束10以选定角度，如相对于套轴35呈大约15-30°取向。

在图2例中，编织套16由按一个方向螺旋缠绕的16根侧面相接丝束10a和反向螺旋交叉绕过丝束10a的16根交叉丝束10b构成。从图4所示4根交错丝束10的适当编织图案例中可清楚地看出，丝束40跨过一对交叉丝束36，37后，编在了下一对交叉丝束38，39之下。这一图案中编入了一系列依次相续的交叉丝束对（图4中为清楚起见而略去了）。丝束41从交叉丝束36下经过，然后跃过丝束对37，38并继续上下穿过一系列丝束时，图案同于丝束40，但右面交替一根丝束。同样，丝束42，43上下经过交叉丝束对，其中每一连续图案中向右交替一根丝束。

给定直径时，编织物可用一系列复合丝束以特殊角度编织。该框架可由多个不同大小如24支，28支和32支的编织物构成，以形成多层结构，当向外层设置更大数量的支数时，偏织物优选较大直径。

在优选实施方案中，12K（12，000支长丝）碳纤维丝束与尼龙热塑性长丝组合，以达到62wt%纤维增强结构。内编织物具有24支编织束，以25°角（相对于套轴）编织成0.562英寸直径套。第二个28支编织物，以22°角达到0.625英寸直径，处于内编织物之上。在装入外编织物前，第二编织物用轴向排列的纤维增强，其位置典型的是设于球拍框架的12钟点位置，或绳线平面的向外表面。轴向增强纤维可为单向编织带，大约25mm宽，400mm长。该单向带可附于第二编织物上，其中用尼龙单丝螺旋卷绕第二编织物。3/4英寸直径的32支编织物以20°角在上两层编织物上形成外层编织物。

优选的是，所有3层编织物均套于0.563英寸刚性芯轴上。在装入模具之前，这会促进适当整体尺寸的形成。这也会有助于控制重量。

去除芯轴并将气胆插入内编织物以形成主管结构。气胆通长，每端伸出编织物5或6英寸。

上述仅为举例，还可采用任何适宜的编织图案。而且，不必预先编织丝束。但是，编织要制成挠性套，以便于后续步骤中操作和使用而不会散开。而且，目的是要以最终产品中要求的角度编排丝束，并同时保证热塑性长丝分布在整个套中且相当接近增强纤维12，以便在加热时热塑性物质绕纤维流动。

图5示出了模具底部，可用来用图2的编织套16制造网球拍框架。该模具界定出连续的型腔49，从拍框架的柄端47伸过拍的颈和头部并还在柄端47结束。为制成框架，套16长度应沿型腔49延伸，其另一端在柄端47终止。如上述，优选用2或3个套件相互内裹形成多层结构。层数取决于要求壁厚和框架重量。

在把套16（或多层套）装入模具18中之前，将可膨胀气胆46塞入套16中（或多层结构时的内层套中），使气胆46之另一端48伸出套的另一端。如图5所示。挠性套16位于模45中，因此气胆46的端部48就从模中伸出来。

颈部50可按常规方式位于模中。颈段50可为编织套的附加段，设在可膨胀泡沫芯周围。芯应为可承受热塑性物料熔化所需高温的物料，如热膨胀泡沫制成。

在图示例中，泡沫芯已预切，3层编织物套在芯上，如内层24支编织物，中层28支编织物，外层32支编织物。尼龙单丝用来在装入模中之前包裹和加固颈部。这有助于保持颈部结构的总体尺寸。

由于热塑性物料还未涂纤维并呈单丝状，因此主管部件的总体积大于最终框架体积。所以必须仔细装入和关闭模具，以避免折皱任何物料。为了促成这一点，优选用全长侧板代替用于热固性法（其中用顶板，底板和两块内插板）中所用内插板。主管部分位于底板内腔中。颈部部分位于其相应内腔中并且颈端绕主管部分缠绕。据此方案，顶板附到底板上。需要小心操作，以保证封闭顶板时，沿球拍框架内表面无材料折皱。

一旦顶板附到了底板上，就向内移侧板以使物料进入模具型腔。可能需要使劲才能达到这一点，并且重要的是侧板精确地进入在顶、底板间的空间。

将模具固定起来，这可能有利于加热和冷却循环中的处理。在加热和冷却时，模具应保持封闭状态，因为热塑性材料在其软化点以上呈柔软状态，并且在冷却时气胆内应保持内压直到热塑性材料足够硬化为止。

一旦编织套16处于模45中，就将该模关闭并使气胆膨胀。将模加热到足以使热塑性长丝12熔化的温度，这在用尼龙时一般为大约450-500°F，而气胆保持膨胀状态。在制造网球拍时，气胆可膨胀到大约100-500psi的内压。

气胆应由其熔点高于热塑性物料熔点的物料制成，如用硅橡胶，聚醚醚酮（PEEK）或高熔点尼龙。也可用氟弹性体气胆。除了耐高温外，气胆物料还应有很好的延伸性，良好的韧性和优异的耐撕裂性。

一旦热塑性物料熔化，就会在碳纤维间流动，将碳纤维嵌埋在热塑性材料之中。气胆加压有助于热塑性物料流动并可保证套16与模具形状一致。然后，将模冷却以使热塑性物料固化，并从模中取出框加。

加热和冷却循环时间仅需使热塑性物料熔化、使熔化物料绕纤维流动并再使其固化。在例示方法中，模具在500°F下进行40分钟加热周期和20分钟的冷却周期。但是，周期的长短取决于模具、所用温度和压力，并可大大缩短循环周期。

将球拍从模具中取出后，可类似于任何模制热固性球拍的作法对它进行处理。因此，可将未填充孔填平，球拍钻孔和上漆并在轴上装手柄。

根据气胆重量，气胆可保持或不保持在球拍框架中。0.003英寸壁厚的PEEK气胆重大约0.8gms，可留在球拍中。硅橡胶重大约30gms，需要取出。

如图6所示，从模具中取出的框架52包括网球拍常见构型，有头部54，颈部56，轴58，均用连续长度的编织套连同颈片50一起制成。如图1所示，轴上装有柄60。球拍上形成了拉绳孔，优选用热钻针62。用热针钻孔，热塑性物料会熔化，并形成绳孔，同时不会使增强碳纤维破裂。但是，用常见钻孔法也能达到好结果。

制成的球拍框架52是用以选定交错角取向并嵌埋在热塑性物料中的长增强纤维构成的。“长纤维”指长度大于1英寸，即大于用于已知注塑模制或挤出工艺的纤维长度的纤维。但是，在用增强纤维丝束和热塑性纤维或粉末的优选球拍形成方法中，增强纤维长度可远不止1英寸，事实上其长度可为以螺旋状连续缠绕用来制成框架的套时需要的整个长度。

如上所述，用来制成框架的丝束10的形成方法有共绕增强纤维和热塑性长丝、混绕这种纤维和长丝或粉末浸渍增强纤维几种。在共绕法中，结构纤维丝束与热塑性长丝丝束侧面相对而绕。开始并不出现明显的纤维和长丝间混绕，但在模具中有强的固结压力和加热并有足够浸润时，热塑性物料会流动并绕纤维而形成高强度框架。

制成框架的混绕方法类似于共绕法，只是纤维和热塑性长丝在形成编织套前混绕。取一卷纤维增强丝束物料并将其以一定比例与热塑性长丝结合以使纤维和长丝出现某些初期交替，即可实现这一点。结合丝束可绕在贮轴上以备后用。将混绕丝束置于加热和固结压力下，热塑性物料将会流动而象共同缠绕纤维和长丝一样而环绕增强纤维。但是，应用混绕丝束可促使混合更好地进行并达到更好的润湿作用，因此在某些应用情况下为优选。

在粉末预浸法中，增强纤维丝束如7200旦碳纤维12K丝束导送过细粉态热塑性物料的流化床。在浸入流化床之前，丝束中纤维足够散开以使热塑性物料紧密嵌埋在纤维丝束中。在用热塑性粉浸渍之后，纤维丝束必要时可卷成例如大约0.001英尺厚的热塑性物料外皮，以便于粉末夹持在丝束中。粉末预浸的丝束然后按上述进行编织并加工。可用于热塑性粉末以及热塑性包裹外皮材料操作的流化床装置已市售，并且可采用任何适宜的体系。

优选的是，编织套预制成后存于辊上。然后，在制造网球拍或其它器具时，从辊上取下带状套并切割后，将它放入类似于热固性预浸材料所用的模中。需要应用编织物，因为编织物是自持性的并且纤维可保持在编织物中合适位置。在制造网球拍时，优选相互重叠放置两或三件管状编织物，这取决于每一编织物的密度，从而可达到要求的壁厚和框架部件重量。在模具内，膨胀的气胆除了使产品符合模的形状之外，还使多层密实。受热树脂一旦达到熔点以上，就开始流动且浸润所有的增强纤维。维持内压，就可使复合材料密实固结。

上述实例用了碳纤维作增强纤维。但是，也可采用常用于热固性球拍的任何增强纤维以及其它任何增强纤维，其中包括玻璃纤维，Kevlar，Boron和陶瓷。所用纤维应涂热塑性浆料（涂料），该浆料可与熔融的热塑性树脂的润湿作用相匹配，为的是改进共绕或混绕丝束的处理效果并增强润湿。

本发明可用各种热塑性材料，尼龙6熔点低，流动性好且韧性好，所以是首选的，而且该材料易得并可制成长丝或粉状。但是，也可用其它热塑性材料，如尼龙6/6，尼龙11，尼龙12，尼龙6/12，聚酯，聚碳酸酯，聚丙烯，ABC，聚乙烯或聚醚醚酮（REEK）。

上述为本发明优选实施方案。在不偏离上述本发明构思情况下，本专业人员当然还可对上述组合情形和方法作出各种改进和修正。例如，虽然在制备本发明的纤维和热塑性物料的混合挠性丝束时，优选考虑了共绕法，混绕法和粉末浸渍法，但也可用其它合适的方法。应注意到，所有这类改进和修正均属于本发明下述权利要求限定的受保护范围。

Claims (20)

1、由下面方法制得的运动器具框架：

使许多长增强纤维与干的、挠性形态的热塑性材料掺合，以形成挠性的丝束；

由至少一股掺合的纤维和热塑性塑料丝束制成挠性套，其中，纤维按至少一个选定的角度取向；

把该套放入具有一种运动器具形状的模具中；

把套加热到热塑性塑料的熔点以上的温度，同时向套加压，使得热塑性塑料在纤维间流动，使套符合模具的形状；且

在维持内压时，冷却该套以使热塑性材料固化。

2、制备一种框架的方法，包括以下步骤：

使许多长增强纤维与干的、挠性形态的热塑性材料掺合，形成挠性丝束;

由至少一股掺合的纤维和热塑性塑料丝束制成挠性套，其中，纤维按至少一个选定的角度取向;

把该套装入具有一种运动器具形状的模具中;

使该套加热到热塑性塑料的熔点以上的温度，同时从套内侧向它加压，以使热塑性塑料在纤维间流动，使套符合模具的形状;且

在维持内侧施压时，冷却该套以固化热塑性材料。

3、按照权利要求2的方法，其中的热塑性材料是许多挠性热塑性长丝;其中的纤维和长丝被掺合起来，形成至少一股丝束;其中的套是由所说至少一股丝束形成的。

4、按照权利要求3的方法，其中的套是将至少一股丝束编织而成的。

5、按照权利要求4的方法，其中的纤维和长丝共绕形成所说丝束。

6、按照权利要求4的方法，其中的纤维和长丝掺和在一起，形成所说丝束。

7、按照权利要求2的方法，其中的热塑性材料是粉末状的;其中的纤维浸入热塑性粉末的流化床中，以形成粉末预浸的纤维丝束;其中，用至少一股粉末预浸的纤维丝束来制成套。

8、按照权利要求7的方法，其中的套是用至少一股丝束编织而成的。

9、按照权利要求2的方法，其中的套是由至少一股螺旋地缠绕的丝束制成的。

10、按照权利要求9的方法，其中所说的套包括至少一股交叉丝束，它螺旋地反向缠绕着所说的一股丝束。

11、按照权利要求10的方法，包括以下步骤：形成第二个套，该套包含一股螺旋缠绕的丝束和交叉丝束;在把套装入模具之前把所说各套相互内套，借此形成一种多层框架。

12、按照权利要求11的方法，其中，形成一个套的各丝束以不同于形成第二个套的相应丝束的一个角度缠绕。

13、一种用于网球和其它运动项目的运动球拍，包括一个带有用于系绳的头部的框架、一个杆轴、一对联结头部和杆轴的颈状部;其中，头部、颈部和杆轴由嵌入热塑性树脂的许多长增强纤维所形成的一种外廓连续的部件构成。

14、按照权利要求13的运动球拍，其中，外廓连续的部件是中空的，且有一个中心轴;其中，外廓连续的部件由至少一股纤维丝束（该丝束由许多长增强纤维形成）构成;其中，第一个纤维丝束按相对于所说中心轴的一个预定角取向，使它螺旋地缠绕住所说外廓。

15、按照权利要求14的运动球拍，其中，第二个纤维丝束按相对于所说轴的第二个预定角取向，使它以与第一个纤维丝束相反的方向螺旋地缠绕住外廓。

16、按照权利要求15的运动球拍，其中，第一和第二个纤维丝束构成第一纤维层;其中，外廓中包括至少一个另外的、由第三和第四个纤维丝束形成的纤维层;其中，第三和第四个纤维丝束按预定角取向，使它们反向螺旋地缠绕住外廓。

17、按照权利要求16的运动球拍，其中，第三和第四个纤维丝束按不同于相关的第一和第二纤维丝束的角度取向。

18、按照权利要求17的运动球拍，其中，外廓包含了至少一束排布在第一和第二层之间的、轴向延伸的增强纤维。

19、一种运动器具框架，它是由按选定角度嵌入热塑性树脂的许多长增强纤维形成的外廓连续的部件制成的。

20、按照权利要求19的运动器具，其中，外廓连续的部件是中空的且有一个中心轴;外廓连续的部件由至少一股由许多长增强纤维形成的纤维丝束构成;第一纤维丝束按相对于所说中心轴的预定角度取向，使它螺旋地缠绕住外廓。

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