粘膠纖維與Lyocell纖維增強聚乳酸材料對籃球訓練器材及裝備性能的比較

楊 宏

(榆林學院，陜西 榆林 719000)

高分子材料中公認最有前途的可生物降解的是聚乳酸( PLA) 材料，其是高分子纖維材料中最為典型的纖維材料，于具有特殊的調溫、力學、記憶等功能被廣泛應用于工業(yè)生產(chǎn)、群眾生活的各個領域?；@球運動是一項對先進材料依賴程度較高的體育運動，高端籃球鞋中的碳纖維板中底、聚酯纖維鞋面等均是其中極具代表性的產(chǎn)品。隨著運動人員對體育參與程度的提升，粘膠纖維材料在籃球領域的應用程度越來越高。而具有高力學性能的高分子纖維材料將會成為最具發(fā)展?jié)摿Φ睦w維材料之一。因此，本文對能夠應用于籃球運動領域的高分子纖維材料進行分類，對其中的高力學性能高分子材料抗拉強度、抗彎強度、抗沖擊強度等性能優(yōu)勢進行分析，以粘膠纖維等為例對高力學性能高分子纖維材料在籃球領域中的應用進行綜述，旨在為纖維材料與體育產(chǎn)業(yè)的融合發(fā)展提供借鑒。

1 實驗部分

1.1 實驗原料及儀器

REVODE190聚乳酸(PLA)切片( 熔點 =159.3 ℃，相對分子質量= 6.4 × 10) ，浙江海正生物材料股份有限公司; 粘膠短纖(38 mm) ， 山東海龍股份有限公司; Lyocell 短纖(38 mm) ， 上海里奧纖維企業(yè)發(fā)展有限公司。

1.2 纖維性能測試

形態(tài)結構

采用Quanta 250型環(huán)境掃描電子顯微鏡( ESEM，F(xiàn)EI 香港有限公司) 觀察粘膠纖維與 Lyocell 纖維的表面形態(tài)。

力學性能

采用 XQ-1 型單絲強力儀( 中國紡織大學) 測定不同纖維的拉伸強度、模量和斷裂伸長率。每種纖維樣品重復測定至少 20 次，結果取平均值。

2 纖維材料分類

2.1 材料定義

生產(chǎn)工藝劃分，目前再生纖維材料可分為2類：一是以粘膠纖維為主的傳統(tǒng)型工藝；另一種是以Lyocell 纖維為主的新型溶劑法工藝。從一般視角來看，纖維材料指的是長徑比大于10(納米或微米級)的天然或人工合成的高分子材料。纖維材料普遍具有一定的強度和韌性，而大多數(shù)人工合成的高分子材料都具有某些特殊的材料功能如調溫性、力學性能等。纖維材料的應用極為廣泛，在紡織、能源、醫(yī)療、體育、航空航天等領域均有極為良好的發(fā)展前景。

2.2 材料分類

纖維材料的分類方法和原則有很多，根據(jù)纖維成分可以將高分子纖維材料分為天然高分子纖維、合成高分子纖維；根據(jù)纖維的尺寸可以將高分子纖維材料分為納米級纖維、微米級纖維；根據(jù)纖維材料的功能可以將高分子纖維材料分為調溫纖維、力學纖維、呼吸纖維、彈性纖維等。

根據(jù)纖維成分分類

天然高分子纖維材料指的是在天然狀態(tài)下自然存在的一類高分子纖維材料。其中最具代表性的有明膠纖維、殼聚糖纖維、膠原纖維等。這些天然高分子纖維材料的主要成分是大分子蛋白質和纖維素等，由于原料易得、價格低廉和較好的生理活性而被廣泛應用于生物、醫(yī)藥等領域。

合成高分子纖維材料是指采用人工合成的方法進行制備的一類高分子纖維材料。目前知名度較高的高分子纖維材料有聚乳酸纖維、聚乙烯纖維、聚己內酯纖維等。合成高分子纖維材料由于可以定制材料屬性，被廣泛應用于群眾生活、社會生產(chǎn)等各個領域。

根據(jù)纖維尺寸分類

納米級的高分子纖維材料一般指直徑為1～100 nm的纖維材料。納米纖維的可塑性極強，采用不同的納米顆?？梢蚤_發(fā)出阻燃、抗菌、抗靜電等具有截然不同功能的納米纖維材料。因而，納米級高分子纖維可以在光、熱、磁等多種領域內應用。

微米級的高分子纖維材料指直徑為1～100 μm的纖維材料。一般的微米級高分子纖維材料直徑約在10 μm內。微米級高分子纖維材料在纖維材料中占大多數(shù)，常見的高分子聚乙烯纖維、聚丙綸纖維等都是較為常見的微米級纖維。

根據(jù)纖維功能分類

高分子纖維材料功能極為多元。尤其人工合成的纖維材料更具有多種多樣的不同性能。

(1)調溫纖維是一種能夠在一定范圍內自行調節(jié)自身環(huán)境溫度的纖維材料。一旦溫度上升，調溫纖維可以從外界自主吸收熱量并儲存以減緩環(huán)境溫度的上升速度；當外界環(huán)境溫度下降時，纖維材料又可以對外釋放熱量，從而減緩外界溫度的下降速度；

(2)力學纖維是一種具有高力學性能的纖維材料。通常這種纖維材料的強度超過17.6 cN/dtex，彈性模量在440 cN/dtex以上，可以直接加工成特種織物，也可以與樹脂材料復合加工成高性能復合材料等；

(3)呼吸纖維指的是一種能夠起到非常好的防水透氣功能的纖維材料。呼吸纖維能夠透過人體汗液蒸發(fā)水分從而帶走人體熱量，但是外界水分卻無法透過纖維逆向接觸人體。一般常見的呼吸纖維有多微孔聚四氟乙烯膜、超細纖維等。

3 PLA與Lyocell/PLA 復合材料的結構與性能比較

PLA及不同纖維增強的PLA 復合材料熔融時均出現(xiàn)了雙熔融峰，這是由于在升溫過程中發(fā)生了熔融重結晶的原因。不同纖維增強的PLA復合材料的熔點T變化不大，說明在成型工藝過程中，PLA材料沒有發(fā)生明顯的熱降解。由于PLA結晶速率較慢，而注塑成型的冷卻速度過快使PLA來不及結晶，因此復合材料的結晶度仍相對不高。相比之下，Lyocell纖維對PLA結晶度的提高效果更好，這可能是由于纖維表面形貌的差別造成的。因此，可推斷 Lyocell和粘膠纖維在表面形貌上的差別可能是復合材料結晶度不同的主要原因，相關研究仍在繼續(xù)進行中。

3.1 訓練器材對纖維材料的性能需求

籃球運動大多數(shù)場景中都會應用到纖維材料。例如，籃球運動員穿著的衣物通常是由透氣纖維制成；穿著的球鞋中有一部分需要應用粘膠纖維板作為中底材料；相當一部分籃球球皮材料開始使用超細纖維合成革材料等。但并不是所有織物都需要粘膠纖維材料，大多數(shù)對纖維力學性能要求較高的環(huán)節(jié)集中在運動訓練器械、運動鞋，運動服裝等部分。通常情況下纖維材料在運動領域的應用有纖維直接應用及制備復合材料應用2種。

3.2 高力學性能高分子纖維材料性能優(yōu)勢

籃球運動器材、運動鞋、服裝等要求所使用的纖維材料具有抗拉強度、抗彎強度、抗沖擊強度等性能中的一種或幾種。圖1所示為根據(jù)功能劃分的高力學性能高分子纖維材料性能優(yōu)勢。

圖1 高力學性能高分子纖維材料性能優(yōu)勢

高抗拉強度

抗拉強度是用于描述籃球健身器械中某些設備使用的高分子纖維或其復合材料機械性能的重要指標。一般情況下纖維材料的抗拉強度越低，則表示材料的斷裂抗力越低，相同結構下越容易出現(xiàn)拉斷現(xiàn)象；反之，抗拉強度越高則越不容易出現(xiàn)拉斷現(xiàn)象?；@球領域中應用高力學性能纖維材料的場景多集中在健身手套、籃球防護服等方面，能夠為人體提供較好的防沖擊性能。表1所示為幾種籃球領域常見高分子纖維材料抗拉強度與一般金屬材料抗拉強度對比情況。

表1 常見高分子纖維材料抗拉強度

在所有高力學性能高分子材料中，PBO纖維和PPTA纖維是其中抗張強度優(yōu)勢最為明顯的兩種材料。PBO纖維的抗張強度最高可達5 800 MPa左右，遠高于一般鋼纖維材料；PPTA纖維的抗拉強度最高可到2 450 MPa左右，較一般的鋼纖維也具有明顯優(yōu)勢。這2種纖維材料的抗拉強度均遠遠超過一般高分子纖維材料如Zylon纖維等，PBO纖維是目前抗拉強度最高的合成纖維材料。

高抗彎強度

抗彎強度一般指的是材料抵抗彎曲而不斷裂的能力。對于纖維材料而言，抗彎強度主要考量的是其復合材料的強度。根據(jù)不同高力學性能高分子材料的抗彎強度進行分類，可以將高分子纖維復合材料分為6種不同類型，具體如圖2所示。

圖2 高分子纖維復合材料抗彎強度分類

籃球領域對高分子復合材料的性能需求多集中在硬而韌及軟而韌兩方面。其中，硬而韌的典型高分子纖維復合材料為碳纖維復合材料，該材料的彎曲強度為89 MPa左右，彎曲模量可達27 GPa左右；使用碳纖維板作為籃球鞋的中底材料，可以極大地提升籃球鞋的整體抗扭轉性能和球鞋的機動性。

高抗沖擊強度

抗沖擊強度是直接反映高力學性能高分子材料或其復合材料抵抗外部沖擊的能力。籃球運動是一種對抗極為激烈的體育運動，使用高抗沖擊強度的高分子纖維材料制備而成的防護器具能夠為運動員提供良好的防護功能，避免運動員受傷。高分子纖維材料通常與樹脂等材料進行復合加工，形成具有高抗沖擊強度的復合材料。

PE纖維即超高強度聚乙烯纖維，是目前已知比強度和比模量最高的纖維材料。以PE纖維制備而成的籃球護膝、護肘和防護衣具有極強的吸收能量的能力。由于該纖維材料斷裂伸長低、斷裂功大，因而能夠很好地在籃球運動員受到?jīng)_擊時形成防護效應。

尼龍纖維的抗沖擊強度盡管不如PE纖維材料，但是以尼龍材料為基礎開發(fā)出的新型尼龍材料如超韌PA尼龍材料卻具有很強的抗沖擊強度，也可以被用作籃球防護器具的填充物等。

3.3 聚乳酸材料纖維在運動領域中的應用

聚乳酸纖維復合材料具有優(yōu)異的機械強度和柔韌性優(yōu)勢。利用聚乳酸纖維復合材料制備的籃球護膝、護肘等具有制動、防撞擊、保溫等的效果。一種以尼龍與聚乳酸纖維制備而成的籃球護膝，如圖3所示。

圖3 以尼龍與聚乳酸纖維制備而成的籃球護膝

護膝大部分外層材料為尼龍材料，以內襯聚乳酸墊片的形式為籃球運動員提供良好的防沖擊性能和制動功能。一方面，利用聚乳酸材料的防沖擊性能保護籃球運動員膝蓋、關節(jié)部位在受到外部劇烈沖擊時不會受到損傷；另一方面，能夠利用尼龍材料的高韌性特征防止運動員髕骨在劇烈運動時發(fā)生位移等。

4 結語

采用纖維增強復合材料，可提高纖維材料的結晶度、力學性能，因此纖維材料的沖擊強度及拉伸強度在運動領域的應用較為優(yōu)異。本文以聚乳酸纖維對高分子纖維材料及其復合材料在運動領域中的應用進行綜述，旨在論證纖維材料性能優(yōu)勢，為籃球器械、裝備領域開發(fā)提供借鑒。