體育器材中芳綸及復(fù)合材料的實(shí)踐運(yùn)用研究

王旭東

( 陜西中醫(yī)藥大學(xué), 陜西咸陽 712046)

我國(guó)對(duì)于芳綸的研究起步較晚，于20 世紀(jì)70、80年代期間完成了芳綸1313 與1414 的鑒定，并在2004年實(shí)現(xiàn)了芳綸1313 的工業(yè)化生產(chǎn)，通過擴(kuò)建工程，其總產(chǎn)能目前僅次于杜邦公司，成為了全球第二大芳綸制造供應(yīng)商。芳綸具備其自身獨(dú)特優(yōu)勢(shì)，尤其是阻燃性能，使其得以在防護(hù)領(lǐng)域中廣泛應(yīng)用，且需求以每年約30%的速度快速增長(zhǎng)[1]。而芳綸等紡織復(fù)合材料具備密度小、抗震性能強(qiáng)大、自由設(shè)計(jì)程度較高、加工操作便捷、節(jié)能環(huán)保等優(yōu)勢(shì)特性，所以在體育器材中實(shí)現(xiàn)了普遍應(yīng)用，且在市場(chǎng)上，此材料相關(guān)體育器材也深受歡迎。

1 芳綸及復(fù)合材料性能分析

1.1 芳綸性能分析

芳綸1414 是聚對(duì)苯二甲酰對(duì)苯二胺纖維，其大分子結(jié)構(gòu)排列緊密，具備高結(jié)晶度、高取向度、高強(qiáng)高模、耐高溫、耐腐蝕等優(yōu)勢(shì)特征，屬于優(yōu)質(zhì)高性能纖維，可切實(shí)應(yīng)用在復(fù)合材料制造中[2]。低溫溶液縮聚法合成芳綸聚合物是目前成熟度最高的工藝，具體制備方法即基于低溫溶液縮聚對(duì)苯二胺與對(duì)苯二甲酰氯，以獲取芳綸聚合物，并將其溶解于濃硫酸，從而以干噴濕紡法制備成芳綸纖維。

芳綸1313 是聚間苯二甲酰間苯二胺纖維，阻燃性、耐高溫性、化學(xué)穩(wěn)定性良好，是現(xiàn)階段耐高溫纖維中應(yīng)用最為廣泛的阻燃纖維[3]。芳綸1313 合成是基于低溫縮聚苯二甲酰氯與甲苯二胺聚合生成的，可通過干法紡絲、濕法紡絲、干噴濕紡法制成。

芳綸即將5(6)- 胺基-2-(4- 胺基苯基) 苯并咪唑引進(jìn)芳綸聚合物大分子鏈以共縮聚，且優(yōu)化纖維成型加工工藝，以此獲取附帶雜環(huán)結(jié)構(gòu)的三元共聚聚酰胺纖維。芳綸樹脂即將第三單元體M3 引進(jìn)縮聚反應(yīng)，局部替代對(duì)苯二胺與對(duì)苯二甲酰氯于低溫溶液縮聚反應(yīng)中獲取三元共聚物，并在聚合反應(yīng)過程中添加強(qiáng)極性的溶劑N,N- 二甲基乙酰胺、氧化鋰，具體生產(chǎn)工藝流程[4]如圖1 所示。

圖1 芳綸生產(chǎn)工藝流程Fig.1 Technological process of aramid fiber production

芳綸樹脂原液通過紡絲與熱處理生成芳綸，其不僅高強(qiáng)高模，耐酸耐堿、耐腐蝕，還超強(qiáng)耐高溫、電絕緣，可應(yīng)用在高強(qiáng)、耐高溫構(gòu)件生產(chǎn)制造中。

1.2 芳綸復(fù)合材料性能分析

芳綸復(fù)合材料以其比剛度、耐沖擊性、抗電磁性等優(yōu)勢(shì)特性，在體育器材領(lǐng)域倍受青睞[5]。芳綸復(fù)合材料是基于芳綸纖維為增強(qiáng)相，樹脂為基體的復(fù)合材料，其纖維鋪層以芳綸纖維平紋編織而成的。其中芳綸纖維的性能具體見表1。

表1 芳綸纖維性能Table 1 Performance of aramid fiber

芳綸復(fù)合材料以樹脂為基體，負(fù)責(zé)固定纖維。不同于芳綸纖維，樹脂材料脆性更大，拉壓特性也相對(duì)較差，在復(fù)合材料中不屬于主要承受載荷材料。樹脂基體屬于各向同性材料，在與芳綸纖維共同構(gòu)成復(fù)合材料時(shí)，由于性質(zhì)不同，所以有序組合生成的復(fù)合材料屬于各向異性材料[6]。樹脂基體材料性能具體見表2。

表2 樹脂材料性能Table 2 Material properties of epoxy resin

芳綸復(fù)合材料通常是基于每層芳綸纖維與樹脂層鋪構(gòu)成，就芳綸纖維方向可將其劃分為單向與多向纖維復(fù)合材料。其中單向即層鋪復(fù)合材料的各層芳綸纖維鋪設(shè)方向相一致，而多向即層鋪復(fù)合材料的纖維絲存在多個(gè)不同鋪設(shè)方向。層鋪的芳綸復(fù)合材料以其結(jié)構(gòu)特性促使其具備一定的多向異性，且基于芳綸纖維超強(qiáng)特性促使芳綸復(fù)合材料具備良好的機(jī)械性能與力學(xué)性能。芳綸復(fù)合材料性能具體見表3。

表3 芳綸復(fù)合材料性能Table 3 Performance of aramid composite

由表3 可以看出，相同芳綸纖維采取不同層鋪方式構(gòu)成的芳綸復(fù)合材料性能存在顯著差異，單向芳綸復(fù)合材料不同層鋪方向上的性能差異明顯，其中橫向材料性能相對(duì)較弱；多向芳綸復(fù)合材料并不存在橫縱不同向差異。因此，芳綸復(fù)合材料具有輕質(zhì)、高強(qiáng)、韌性好等優(yōu)勢(shì)特性。

2 基于體育器材的芳綸及復(fù)合材料實(shí)踐應(yīng)用分析

2.1 芳綸及復(fù)合材料在防護(hù)設(shè)施中的應(yīng)用

體育鍛煉或者競(jìng)技的開展需要以強(qiáng)有力的防護(hù)設(shè)施為基礎(chǔ)，特別是抗擊性運(yùn)動(dòng)，即拳擊與擊劍等體育運(yùn)動(dòng)，完善的防護(hù)設(shè)施是其順利安全進(jìn)行的重要條件[7]。傳統(tǒng)防護(hù)設(shè)施制備主要以橡膠與皮革材料為主，但是在時(shí)代與科技推動(dòng)下，傳統(tǒng)防護(hù)設(shè)施由于體積與重量過大，且透氣性差等不足備受詬病。尤其是高強(qiáng)度體育競(jìng)賽中，傳統(tǒng)防護(hù)設(shè)施裝備舒適性與防護(hù)性較差，在很大程度上影響了體育運(yùn)動(dòng)員真實(shí)水平的有效發(fā)揮，甚至還會(huì)威脅到運(yùn)動(dòng)員的生命安全。而利用芳綸及復(fù)合材料生產(chǎn)加工體育鍛煉或競(jìng)技用防護(hù)設(shè)施，其透氣性與防震性較好。且基于材料高強(qiáng)度與低密度優(yōu)勢(shì)，防護(hù)設(shè)施更能夠滿足專業(yè)水平運(yùn)動(dòng)員的體育運(yùn)動(dòng)需求。特別是賽車運(yùn)動(dòng)與冰雪運(yùn)動(dòng)中，芳綸及復(fù)合材料加工制成的防護(hù)設(shè)施等可高效應(yīng)對(duì)在運(yùn)動(dòng)過程中發(fā)生的強(qiáng)大沖擊與撞擊，可切實(shí)保護(hù)運(yùn)動(dòng)事故發(fā)生時(shí)運(yùn)動(dòng)員的人身安全。

2.2 芳綸及復(fù)合材料在乒乓球拍中的應(yīng)用

以往乒乓球拍一般都是利用木質(zhì)膠合板進(jìn)行制作，其重量過大，反彈性較差[8]。而利用芳綸及復(fù)合材料加工制造的特種纖維底板可有效彌補(bǔ)以往球拍的缺陷，且在擊球動(dòng)作時(shí)，基于材料自身強(qiáng)大的剛性，可確保運(yùn)動(dòng)員擊打出球的反彈力更大，速度也更快。此外，在乒乓球拍生產(chǎn)中應(yīng)用芳綸及復(fù)合材料，可優(yōu)化球拍阻尼防震性能，保障運(yùn)動(dòng)員清晰利落的發(fā)球手感體驗(yàn)。

2.3 芳綸及復(fù)合材料在網(wǎng)球拍中的應(yīng)用

目前市場(chǎng)上最常見的網(wǎng)球拍多數(shù)都是通過碳纖維復(fù)合材料制造的，其延展性好，可塑性強(qiáng)，減震性能優(yōu)異，且類型也多元化。但是芳綸及復(fù)合材料雖延展性相對(duì)較差，可密度偏小，減震吸能性能較優(yōu)，抗沖擊性強(qiáng)大，經(jīng)濟(jì)性良好，相比更具優(yōu)勢(shì)。

2.4 芳綸及復(fù)合材料在運(yùn)動(dòng)帆板中的應(yīng)用

在體育運(yùn)動(dòng)中帆板運(yùn)動(dòng)的起步較晚，發(fā)展時(shí)間比較短，尚不成熟，但是在很多發(fā)達(dá)國(guó)家已經(jīng)舉辦了各式各樣的世界級(jí)比賽[9]。芳綸及復(fù)合材料大多應(yīng)用于帆板船板體，主要基于手動(dòng)糊或者層壓等工藝手段，融合芳綸及復(fù)合材料與帆船板體。以此工藝加工制成的帆板船板體可實(shí)現(xiàn)輕量化設(shè)計(jì)，可抵抗海水腐蝕，可長(zhǎng)期不變形。此外，芳綸及復(fù)合材料還會(huì)局部應(yīng)用在帆板船的拉帆索與角索加工中，制成的帆板器材實(shí)用效果良好，已實(shí)現(xiàn)了在許多專業(yè)帆板競(jìng)技中的廣泛應(yīng)用。

2.5 芳綸及復(fù)合材料在高端自行車中的應(yīng)用

自行車特別是體育運(yùn)動(dòng)用高端自行車已由單一交通工具逐步發(fā)展成了具備健身與競(jìng)技功能的綜合型體育器材。高端自行車一般都是大范圍使用纖維材料加工制造，輕質(zhì)高強(qiáng)。而芳綸及復(fù)合材料通常應(yīng)用于自行車鏈條加工中，其具備高載荷與高延展性等多項(xiàng)優(yōu)勢(shì)，可在很大程度上減少運(yùn)動(dòng)員騎行時(shí)的力量消耗，提高運(yùn)動(dòng)員的最終成績(jī)。

2.6 芳綸及復(fù)合材料在比賽用艇中的應(yīng)用

起初我國(guó)所用賽艇都是由國(guó)外進(jìn)口，隨后才研發(fā)了特種纖維蜂窩結(jié)構(gòu)賽艇，相對(duì)于木質(zhì)賽艇與玻璃鋼賽艇，其剛性與韌性較高，輕質(zhì)高強(qiáng)，耐沖擊、耐蠕變、耐高溫、耐腐蝕，使用壽命較長(zhǎng)，與國(guó)際賽艇聯(lián)合會(huì)規(guī)定的體育競(jìng)技賽艇標(biāo)準(zhǔn)相符，以此便代替了進(jìn)口賽艇[10]。但是纖維復(fù)合材料制造的賽艇無法達(dá)到綜合要求，在此基礎(chǔ)上便提出了芳綸及復(fù)合材料賽艇，其不僅具備纖維蜂窩結(jié)構(gòu)賽艇的優(yōu)勢(shì)特征，且力學(xué)性能良好，使用效果較好。

2.7 芳綸及復(fù)合材料在滑雪板中的應(yīng)用

在專業(yè)滑雪運(yùn)動(dòng)項(xiàng)目中，通常分為下坡滑雪與越野滑雪兩種類型。下坡滑雪運(yùn)動(dòng)除了需要滑雪板具備質(zhì)輕、高強(qiáng)特征，還需要其在應(yīng)對(duì)運(yùn)動(dòng)中的彎曲與扭轉(zhuǎn)振動(dòng)具備強(qiáng)有力的控制能力，即滑雪板制成材料的阻尼性能良好。越野滑雪運(yùn)動(dòng)也明確要求滑雪板具備質(zhì)輕、高強(qiáng)特征，還需要其具備優(yōu)異的耐磨性與吸振性。而芳綸及復(fù)合材料可完全滿足滑雪運(yùn)動(dòng)用滑雪板的標(biāo)準(zhǔn)化要求，可助于運(yùn)動(dòng)員在滑雪競(jìng)技或者角度滑行時(shí)，以輕松自在、穩(wěn)定牢固的狀態(tài)順利安全完成。而且芳綸及復(fù)合材料可長(zhǎng)久使用，這便在一定程度上降低了滑雪運(yùn)動(dòng)的綜合成本。

2.8 芳綸及復(fù)合材料在運(yùn)動(dòng)繩索中的應(yīng)用

芳綸及復(fù)合材料在運(yùn)動(dòng)繩索中的應(yīng)用十分普遍，其自身具備高強(qiáng)度、耐磨性、耐腐蝕性等優(yōu)勢(shì)特征，利用芳綸及復(fù)合材料加工制造的劃水繩索、帆船角繩索、登山繩索、速降繩索等拉力大且抗風(fēng)。目前，國(guó)際上許多企業(yè)都已開始著手將基于芳綸及復(fù)合材料制造的運(yùn)動(dòng)繩索應(yīng)用于體育器材、船舶器材等多個(gè)領(lǐng)域。

3 結(jié)語

總而言之，在科學(xué)技術(shù)快速進(jìn)步發(fā)展下，芳綸在生產(chǎn)制造中的困境被一一瓦解，其一些不良性能被逐步改善，價(jià)格隨之降低，從而在多個(gè)領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)了廣泛應(yīng)用。現(xiàn)階段最關(guān)鍵的是強(qiáng)化芳綸材料的壓縮強(qiáng)度，改善其耐紫外線照射性能，提高其與樹脂界面之間的黏結(jié)性。此外，基于樹脂基體的芳綸纖維復(fù)合材料可融合二者的雙向優(yōu)勢(shì)，不僅能夠呈現(xiàn)芳綸優(yōu)勢(shì)特征，還能夠彌補(bǔ)其缺陷，所以芳綸復(fù)合材料也成為了當(dāng)前體育器材用材料的重點(diǎn)研究?jī)?nèi)容。據(jù)此，本文通過詳細(xì)分析芳綸及復(fù)合材料的性能，針對(duì)其在防護(hù)設(shè)施、乒乓球拍、網(wǎng)球拍、運(yùn)動(dòng)帆板、高端自行車、比賽用艇、滑雪板、運(yùn)動(dòng)繩索等領(lǐng)域的應(yīng)用做了探究。