新型高科技合成纖維性能優(yōu)勢(shì)及其對(duì)泛運(yùn)動(dòng)領(lǐng)域影響分析

張玉波 王利娟

摘 要：競(jìng)技類體育活動(dòng)中，運(yùn)動(dòng)員為實(shí)現(xiàn)更高、更快、更強(qiáng)的目標(biāo)，不僅需要提升自身運(yùn)動(dòng)技能水平，還要通過(guò)先進(jìn)性科技產(chǎn)品對(duì)運(yùn)動(dòng)設(shè)備進(jìn)行改進(jìn)與強(qiáng)化。合成纖維作為有機(jī)高分子化合物，具備良好強(qiáng)度、彈性、耐磨性、耐腐蝕性等性能特征，基于此，高科技合成纖維在運(yùn)動(dòng)領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。文章首先對(duì)合成纖維材料優(yōu)勢(shì)性能進(jìn)行概述，之后對(duì)纖維材料、基體樹脂的應(yīng)用特征展開具體說(shuō)明，最后闡述合成纖維在泛運(yùn)動(dòng)領(lǐng)域中不同器材的實(shí)際應(yīng)用。

關(guān)鍵詞：合成纖維;力學(xué)性能;基體樹脂;運(yùn)動(dòng)器材;復(fù)合材料

中圖分類號(hào)：TQ342 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號(hào)：1001-5922（2021）07-0054-04

Analysis on the Performance Advantage of New High-tech Synthetic Fiber and Its Influence on the Field of Pan-sports

Zhang Yubo1， Wang Lijuan2

（1.Yangling Vocational & Technical College， Yangling 712100， China;

2.Sports Department of Hebei Vocational College of Political Science and Law， Shijiazhuang 050061， China）

Abstract：The effects of microstructure， high temperature environment and low temperature environment on rheological properties of crumb rubber modified asphalt， SBS modified asphalt and mixed modified asphalt were studied. The test results show that rubber powder modified asphalt and SBS modifier have good coMPatibility with asphalt， but the interfacial adhesion between rubber powder modified asphalt and stone is higher than SBS modified asphalt. DSR test shows that rubber powder modified asphalt has low temperature crack resistance and high temperature deformation resistance. In conclusion， the research on rheological properties of mixed modified asphalt aims to provide effective technical support for the research and development of new high-performance asphalt in China.

Key words：synthetic fiber; Mechanical properties; Matrix resin; Sports equipment; Composite materials

0 引言

當(dāng)代人民群眾生活質(zhì)量與以往相比得到明顯改善，對(duì)于參加體育運(yùn)動(dòng)的態(tài)度與觀念都發(fā)生一定程度的轉(zhuǎn)變。同時(shí)，競(jìng)技體育發(fā)展方向也指向更加科學(xué)先進(jìn)的訓(xùn)練規(guī)劃與器材制備，這使運(yùn)動(dòng)器材制備及相關(guān)材料研發(fā)受到鼓舞。由于合成纖維本身具備質(zhì)量輕、強(qiáng)度高、易加工、耐沖擊等優(yōu)勢(shì)特征，通過(guò)計(jì)量配比、性能增強(qiáng)等方法，合成纖維的質(zhì)輕與強(qiáng)度甚至可以優(yōu)于合金、塑料等材料。在泛運(yùn)動(dòng)領(lǐng)域中，玻璃纖維、碳纖維、芳綸等高性能纖維材料得到廣泛應(yīng)用。基于此，從合成纖維、樹脂基復(fù)合材料出發(fā)，對(duì)其性能及運(yùn)動(dòng)領(lǐng)域應(yīng)用影響展開分析。

1 合成纖維材料性能優(yōu)勢(shì)

1.1 質(zhì)輕

大部分體育設(shè)施是以人力為驅(qū)動(dòng)進(jìn)行運(yùn)動(dòng)的。因此，運(yùn)動(dòng)項(xiàng)目通常會(huì)對(duì)器材的質(zhì)量提出要求，例如網(wǎng)球拍、自行車、皮劃艇、跳高撐桿等，都需要所使用的的器材具備質(zhì)輕的特點(diǎn)。此外，盡管部分體育器材的驅(qū)動(dòng)來(lái)源是機(jī)械或其他動(dòng)力，在其他條件一致的情況下，質(zhì)輕的運(yùn)動(dòng)設(shè)備更具競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)，例如賽車、帆船、摩托艇等項(xiàng)目。合成纖維材料在這些項(xiàng)目中的應(yīng)用具有不可替代的作用。例如，通過(guò)碳纖維復(fù)合材料制備出的高爾夫球桿，在碳纖維布卷帶成型法的基礎(chǔ)上，能夠比傳統(tǒng)桿體輕30%～50%，同時(shí)，新型高爾夫球桿的力學(xué)性能還要比傳統(tǒng)金屬球桿高[1]。

1.2 力學(xué)性能高

在體育器材制備過(guò)程中，尤其需要注意材料的力學(xué)性能，例如強(qiáng)度、韌性、彈性等。合成纖維不僅具備更高的強(qiáng)度，還具備更加突出的彈性模量，這些因素均表明合成纖維材料非常適用于體育器材的制備。此外，合成材料還具備良好的阻尼減震性，這同樣是其成為體育器材制備原料的重要原因之一。常見體育用材的力學(xué)性能如表1所示。

1.3 易設(shè)計(jì)加工

傳統(tǒng)材料制備出的體育設(shè)備受到材料自身特性的限制，缺少一定的可設(shè)計(jì)性，且一旦發(fā)生器材損壞，則不易進(jìn)行維修，而合成纖維材料加工技術(shù)的不斷發(fā)展，強(qiáng)化了體育器材設(shè)計(jì)方面的自由度，不同應(yīng)用特征的產(chǎn)品都能具備多樣化的成型方案。因此，合成纖維材料能夠結(jié)合不同應(yīng)用情況，進(jìn)行個(gè)性化設(shè)計(jì)，這也是傳統(tǒng)加工材料難以做到的[2]。

1.4 其他方面

設(shè)計(jì)開發(fā)體育器材時(shí)，必須保證器材的衛(wèi)生性與性價(jià)比均在規(guī)定范圍內(nèi)。衛(wèi)生性要求器材在應(yīng)用過(guò)程中不會(huì)傳播有毒、有害氣體及化學(xué)元素，確保運(yùn)動(dòng)員在使用過(guò)程中具備良好體驗(yàn)感與舒適性;運(yùn)動(dòng)器材的性價(jià)比是設(shè)計(jì)與開發(fā)過(guò)程中需要明確的原則，在高級(jí)別賽事活動(dòng)中，可以使用性能好，但價(jià)格偏高的產(chǎn)品，而此類產(chǎn)品則難以在普通消費(fèi)群體中獲得較大市場(chǎng)。合成纖維材料通常具備較好的衛(wèi)生性，且制備復(fù)合材料的成本通常較低，降低了加工與生產(chǎn)資金投入，有助于新型體育器材的普及與推廣。

2 增強(qiáng)用合成纖維材料、織物結(jié)構(gòu)及基體樹脂

合成纖維與織物結(jié)構(gòu)中的主要材料包括玻璃纖維、聚乙烯纖維、維尼綸纖維等。上述材料均可以通過(guò)加工制成布、帶、短切原絲等形態(tài)。為確保對(duì)增強(qiáng)效果、生產(chǎn)成本等因素的有效控制，通常會(huì)將兩種或兩種以上纖維進(jìn)行合成混雜[3]。

2.1 無(wú)機(jī)纖維

2.1.1 玻璃纖維

玻璃纖維材料屬于開發(fā)時(shí)間較早、應(yīng)用范圍較廣的合成材料，此材料具備良好的耐熱性、耐腐蝕性、機(jī)械強(qiáng)度高的特征，且玻璃纖維的抗拉伸性性非常強(qiáng)，在常規(guī)狀態(tài)下，拉伸強(qiáng)度為6.3～6.9g/d，濕潤(rùn)狀態(tài)下的拉伸強(qiáng)度為5.4～5.8g/d，密度為2.4～2.76g/cm3。

2.1.2 碳纖維

碳纖維通過(guò)碳元素構(gòu)成，屬于特種纖維，其具備良好的耐摩擦、耐腐蝕、耐高溫的特性，其外部表征呈現(xiàn)出柔軟纖維狀，能夠制備成多種織物，廣泛應(yīng)用于運(yùn)動(dòng)領(lǐng)域。同時(shí)，由于石墨未經(jīng)結(jié)構(gòu)沿纖維軸擇優(yōu)取向，所以碳纖維材料具備較高模量與強(qiáng)度[4]。

2.1.3 硼纖維

硼纖維屬于通過(guò)金屬絲上沉積硼而生成的高強(qiáng)高模纖維，能夠?qū)饘倩驑渲M(jìn)行強(qiáng)化。硼纖維具備高強(qiáng)度特性，在常規(guī)室溫環(huán)境下，斷裂強(qiáng)度達(dá)到了2744～3430MPa;硼纖維同樣具備較高彈性模量，達(dá)到了392000～411600MPa。作為增強(qiáng)效果較好的材料，硼纖維能夠與陶瓷、金屬以及塑料進(jìn)行復(fù)合制備。

2.1.4 碳化硅纖維

碳化硅纖維具備較強(qiáng)拉伸性、耐熱性、高模量的特性，此材料的最高使用溫度達(dá)到了1200℃，與碳纖維相比，碳化硅纖維具備耐熱性與耐氧化性更強(qiáng)，強(qiáng)度在1960～4410MPa之間，即時(shí)在最高使用溫度下，材料的強(qiáng)度保持率依舊超過(guò)了80%，模量達(dá)到了176.4～294GPa。作為增強(qiáng)材料，能夠與碳纖維、玻璃纖維復(fù)合加工，對(duì)金屬、陶瓷進(jìn)行加強(qiáng)，用于體育用品的生產(chǎn)與制備中[5]。

2.2 高強(qiáng)高模合成纖維

2.2.1 芳香族聚酰胺纖維

芳香族聚酰胺纖維，即芳綸，將芳香族與經(jīng)縮聚紡絲進(jìn)行復(fù)合制備而得出的合成纖維。此纖維具備的耐熱性、高模量、高強(qiáng)度以及低密度的特征，能夠與樹脂產(chǎn)生較好的粘結(jié)效果，從而制備出長(zhǎng)絲、粗砂、織物等材料。芳綸的彈性模量與拉伸強(qiáng)度比玻璃纖維、碳纖維更高，彈性模量是玻璃纖維的2倍。但是，其耐光性較差，在一年的暴曬環(huán)境下，其強(qiáng)度會(huì)下降約50%。因此，芳綸纖維需要增添耐光劑進(jìn)行合成制備。

2.2.2 聚乙烯纖維

聚乙烯纖維由高密度聚乙烯制備而成，結(jié)晶度超過(guò)85%，其熔融溫度達(dá)到了124～138℃。需要注意的是，聚乙烯纖維包括托普通型與高強(qiáng)高模型。普通型聚乙烯纖維的強(qiáng)度為4.4～7.9cN/dtex，斷裂伸長(zhǎng)率為8%～35%;而高強(qiáng)高模聚乙烯是以超高分子量聚乙烯為基礎(chǔ)，采用超拉伸法或凝膠紡絲法進(jìn)行制備的，產(chǎn)品主要應(yīng)用于防切割物、纜繩等方面。

2.2.3 混雜纖維

混雜纖維表示的是兩種短纖維混雜或兩種長(zhǎng)絲單向混雜，之后將復(fù)合纖維與樹脂基體結(jié)合?；祀s纖維中的包芯復(fù)合紗的組成類型較為多樣，例如玻璃纖維/聚酯纖維、碳纖維/液晶聚合物纖維等。此外，混雜合成纖維還具備個(gè)性化、特殊化的使用性能，能夠應(yīng)用于多種生產(chǎn)加工項(xiàng)目中[6]。

2.3 增強(qiáng)用織物結(jié)構(gòu)

合成纖維增強(qiáng)材料不僅可以應(yīng)用于短纖維及長(zhǎng)絲束中，還能夠采用織物成型的方法進(jìn)行不同你那個(gè)結(jié)構(gòu)織物的制備，這種預(yù)成型體構(gòu)件，沒有單一化纖維所具備的纏結(jié)、剪切效應(yīng)等不足，能夠參照合成纖維材料最終的生產(chǎn)設(shè)計(jì)需求，支撐差異化結(jié)構(gòu)與形態(tài)美麗如機(jī)織物、編織物、多層織物等，通過(guò)這樣的紡織結(jié)構(gòu)材料不需要進(jìn)行重復(fù)加工，可以實(shí)現(xiàn)異形結(jié)構(gòu)的一次成型。

2.4 基體樹脂

基體樹脂以不飽和樹脂為主，但是近年來(lái)，在體育領(lǐng)域的器材設(shè)計(jì)與研發(fā)中，環(huán)氧樹脂的應(yīng)用出現(xiàn)持續(xù)增長(zhǎng)。

首先，是不飽和樹脂，其固化后將會(huì)轉(zhuǎn)變?yōu)閳?jiān)韌的固體，不具備良好的耐光性，但是有較好的力學(xué)性能、耐腐蝕性、拉伸性以及電氣性，能夠和諸多增強(qiáng)纖維進(jìn)行合成，且生產(chǎn)成本較低。

其次，是環(huán)氧樹脂，環(huán)氧樹脂具備良好的耐堿性、耐熱性、耐化學(xué)品性的優(yōu)勢(shì)特征，且能夠?qū)饘佼a(chǎn)生較強(qiáng)的附著力。而環(huán)氧樹脂所具備的脆性則可以通過(guò)引入增韌劑進(jìn)行改善，達(dá)成更優(yōu)質(zhì)的使用效果。

最后，是熱塑性樹脂，目前，在合成纖維體育器材的制備中，熱塑性樹脂的應(yīng)用范圍越來(lái)越廣，例如尼龍、橡膠、聚碳酸酯等[7]。

3 合成纖維增強(qiáng)材料在運(yùn)動(dòng)領(lǐng)域中的應(yīng)用

運(yùn)動(dòng)領(lǐng)域涉及的器材類型較多，對(duì)常見合成增強(qiáng)復(fù)合材料在運(yùn)動(dòng)器材設(shè)施中的應(yīng)用進(jìn)行概括，具體內(nèi)容如表2所示。下文還將對(duì)幾項(xiàng)產(chǎn)品進(jìn)行全面介紹。

3.1 滑雪板

在滑雪項(xiàng)目中，運(yùn)動(dòng)員所使用的滑雪器材直接決定了其比賽成績(jī)及自身安全，而滑雪板的構(gòu)造與材料選擇均相對(duì)復(fù)雜。一直以來(lái)人們最為關(guān)注的就是滑雪板的輕量化、回轉(zhuǎn)特征、減振性能以及耐損耗性能。通過(guò)將玻璃纖維與碳纖維引入滑雪板的制造中，有效改進(jìn)了滑雪板的性能?；┌逵刹牧项愋蛣澐挚梢苑譃槟举|(zhì)滑雪板、金屬滑雪板以及合成纖維滑雪板。木質(zhì)滑雪板的特征是性價(jià)比高且質(zhì)輕，缺點(diǎn)是易受潮、易變形;以鋁合金為代表的金屬滑雪板的特征是價(jià)格高、耐損耗，缺點(diǎn)是適應(yīng)性較差，對(duì)應(yīng)用場(chǎng)地的環(huán)境條件要求較高;而合成纖維滑雪板不僅能夠滿足多種雪地條件，其維護(hù)程序還相對(duì)簡(jiǎn)單。當(dāng)前合成纖維滑雪板的市場(chǎng)中，加芯復(fù)合材料的性能最佳。通常情況下，此類合成纖維滑雪板的芯是木材、聚氯乙烯、聚氨酯等，這些材料也為滑雪板提供彈性來(lái)源[8]。

3.2 高爾夫球桿

碳纖維合成材料制備而成的高爾夫棒頭比傳統(tǒng)木質(zhì)棒頭重一倍左右，有效提升擊球的初速度。且由于碳纖維材料的可設(shè)計(jì)性較強(qiáng)，所以置球點(diǎn)的位置范圍更廣。此外，還能夠研制出中空棒頭，提高球的飛行速度，保證球的穩(wěn)定性。為與球的飛行距離進(jìn)行匹配，還需要對(duì)其輕量、負(fù)荷、尺寸等方面進(jìn)行改善。通過(guò)碳纖維復(fù)合材料制備而成的高爾夫球桿密度更小、強(qiáng)度更高、更耐沖擊，能夠向運(yùn)動(dòng)員提供足夠的揮桿力量。不同材料制備成的球桿應(yīng)用效果如表3所示。

3.3 自行車

自行車不僅廣泛應(yīng)用于日常的交通與運(yùn)輸活動(dòng)中，同時(shí)還具備健身、競(jìng)賽等多項(xiàng)功能。高科技合成纖維材料在自行車領(lǐng)域的應(yīng)用如表4所示。

合成纖維在自行車領(lǐng)域制備與研發(fā)的工作基本可以分為兩個(gè)方向：①通過(guò)熱固性樹脂基合成材料來(lái)控制自行車的重量，提高車體自身的附加值，用樹脂基合成材料代替賽車級(jí)與高檔級(jí)自行車的車架、車輪等元件;②通過(guò)熱塑性合成材料進(jìn)行兒童自行車、輕量化自行車以及微型自行車的部件制備。目前，通常會(huì)采取樹脂傳遞模塑工藝進(jìn)行批量生產(chǎn)，其相應(yīng)的自行車加工流程如圖1所示[9]。

3.4 網(wǎng)球拍

目前，碳纖維合成材料已經(jīng)廣泛應(yīng)用于中、高檔網(wǎng)球拍的生產(chǎn)制備中。由碳纖維合成材料制成的網(wǎng)球拍具有更強(qiáng)的減震吸能效果，且設(shè)計(jì)自由度高。首先，碳纖維合成材料能夠應(yīng)用于大型網(wǎng)球拍的制作，與傳統(tǒng)木質(zhì)網(wǎng)球拍相比較，兩種網(wǎng)球拍若重量相同，則合成材料網(wǎng)球拍的球拍面積可增大1.25～1.5倍，且合成材料網(wǎng)線張力與傳統(tǒng)球拍相比提升20%～45%?？紤]到球拍框架面積有所增加，就必須采用輕質(zhì)、比模大的碳纖維合成材料進(jìn)行加工制備，確保球拍在擊球時(shí)不會(huì)出現(xiàn)變形問題;其次，碳纖維合成材料在網(wǎng)球拍的制備中能夠起到良好的減震阻尼效果，擊球時(shí)不易起振。球拍吸能與減振功能的疊加，進(jìn)一步提升了網(wǎng)球與球拍的接觸時(shí)間，增大網(wǎng)球的初速度，給使用者提供更加舒適的運(yùn)動(dòng)體驗(yàn);最后，碳纖維合成材料在網(wǎng)球拍的制備中，具有更大的設(shè)計(jì)自由度，同時(shí)，在設(shè)計(jì)研發(fā)網(wǎng)球拍時(shí)，需要注意拍框的縱向彎曲剛度、減振吸能特性、比強(qiáng)度以及比模量[10]。

4 結(jié)語(yǔ)

新型高科技合成纖維材料及其制品在泛運(yùn)動(dòng)領(lǐng)域已經(jīng)擴(kuò)展出較大的市場(chǎng)。高科技合成纖維想要實(shí)現(xiàn)體育設(shè)備市場(chǎng)需求的擴(kuò)大，需要堅(jiān)持以特色纖維為主要支撐，創(chuàng)建多元化、系列化、差別化特征的制造形式。同時(shí)，大力開發(fā)多種高性能纖維材料，全面推進(jìn)高科技合成纖維在運(yùn)動(dòng)領(lǐng)域的開發(fā)與應(yīng)用。

參考文獻(xiàn)

[1]田光亮，張文馨，靳向煜，等.非織造材料用纖維的研究進(jìn)展及發(fā)展趨勢(shì)[J].產(chǎn)業(yè)用紡織品，2019，37（09）：1-6.

[2]崔丙剛，宋曉芬.聚乙烯在體育器材領(lǐng)域的應(yīng)用研究進(jìn)展[J].合成樹脂及塑料，2019，36（04）：102-105.

[3]陳龍，李增俊，潘丹.聚丙烯纖維產(chǎn)業(yè)現(xiàn)狀及發(fā)展思考[J].產(chǎn)業(yè)用紡織品，2019，37（07）：12-17+35.

[4]江偉.塑料復(fù)合材料在體育設(shè)施和健身器材中的應(yīng)用[J].塑料工業(yè)，2019，47（01）：152-155.

[5]唐進(jìn)單，程浩南.紡織材料在體育運(yùn)動(dòng)領(lǐng)域的應(yīng)用及發(fā)展[J].產(chǎn)業(yè)用紡織品，2018，36（12）：1-4.

[6]楊潔，吳寧，李帥，等.織造中碳纖維束間的摩擦磨損試驗(yàn)?zāi)M[J].摩擦學(xué)學(xué)報(bào)，2019，39（01）：90-98.

[7]姜斌.聚氨酯在體育防護(hù)用品領(lǐng)域的應(yīng)用[J].合成樹脂及塑料，2018，35（05）：96-99.

[8]劉波.纖維增強(qiáng)樹脂復(fù)合材料在運(yùn)動(dòng)器材中的應(yīng)用[J].塑料科技，2017，45（12）：66-69.

[9]于辛，周杰，黃慶，等.合成纖維熔紡柔性化技術(shù)的開發(fā)與應(yīng)用[J].紡織導(dǎo)報(bào)，2017（04）：44-48.

[10]喬凱.生物基合成纖維單體發(fā)展現(xiàn)狀及展望[J].紡織導(dǎo)報(bào)，2017（02）：32-38.