纖維材料緩沖護具在運動訓(xùn)練中的應(yīng)用研究

于寧 張龍

摘 要： 此文玄武巖纖維表面化學(xué)惰性而表現(xiàn)出較弱的界面性能，采用靜電紡絲方法制備聚丙烯腈（PAN）納米纖維包覆玄武巖纖維（SBFC），進一步合成具有增強界面性能的新型纖維緩沖護具復(fù)合材料。通過纖維拔出試驗用于評估緩沖護具材料的界面剪切強度。結(jié)果表明：在最佳電紡絲參數(shù)下引入PAN納米纖維后，緩沖護具材料的剪切強度增加了31.33%。這種改進主要源于在玄武巖纖維和有機材料環(huán)氧樹脂基質(zhì)之間形成梯度界面層。梯度界面層能夠使應(yīng)力從環(huán)氧樹脂均勻轉(zhuǎn)移到玄武巖纖維中，并促進界面粘附。比較了2名運動員的橈骨關(guān)節(jié)在運動康復(fù)訓(xùn)練中使用和不使用纖維材料緩沖護具的康復(fù)情況，使用納米纖維的運動康復(fù)訓(xùn)練的康復(fù)效果優(yōu)于不使用納米纖維的運動康復(fù)訓(xùn)練。

關(guān)鍵詞： 玄武巖纖維材料；緩沖護具；運動訓(xùn)練；

中圖分類號： TQ342

文獻標志碼： A ?文章編號： 1001-5922（2023）08-0083-04

Study on the application of fiber cushion in sports training

YU Ning1，ZHANG Long2

（1.Shaanxi Police College，Xi’an 710021，China；2.Xi’an University of Technology，Xi’an 710049，China）

Abstract： Due to the basalt fiber shows a weak interface performance due to its chemical inertness，therefore，polyacrylonitrile （PAN） nanofiber coated basalt fiber （SBFC） was prepared by electrospinning method，and a new type of fiber cushion protection composite with enhanced interface performance was further synthesized.The fiber pull-out test was used to evaluate the interfacial shear strength of the cushioning and protection materials.The test results showed that the shear strength of the cushion protector material increased by 31.33% after the introduction of PAN nanofibers under the optimal electrospinning parameters.This improvement has been mainly due to the formation of gradient interface layer between basalt fiber and organic material epoxy resin matrix.The gradient interface layer has made the stress uniformly transfer from the epoxy resin to the basalt fiber and promote the interface adhesion.also we also compared the rehabilitation of the two athletes’ radial joints in the exercise rehabilitation training with and without the use of fiber material buffer protectors，and found that the rehabilitation effect of the exercise rehabilitation training using nanofibers was better than that of the exercise rehabilitation training without nanofibers.

Key words： basalt fiber material;cushion protectors;sports training

在運動訓(xùn)練中，緩沖護具對保護人體起著非常重要的作用，可以大大避免人身傷害[1]。因此，對緩沖護具進行深入研究非常必要。 目前，對緩沖護具的研究大多在膠體、棉、羊毛、皮革、植物纖維、混合緩沖材料等方面。比較典型的有發(fā)泡聚乙烯、玄武巖纖維等[2]。

通常在緩沖護具中，需要將纖維材料與有機材料環(huán)氧樹脂相結(jié)合[3]。通常采用的玄武巖纖維的表面是光滑的，幾乎沒有任何活性化學(xué)基團，這實質(zhì)上影響了與有機材料環(huán)氧樹脂的結(jié)合[4-5]。玄武巖纖維（BFs）和樹脂之間的弱界面粘接導(dǎo)致玄武巖纖維增強復(fù)合材料的整體力學(xué)性能不足，因此玄武巖纖維的優(yōu)異力學(xué)性能在玄武巖纖維復(fù)合材料中沒有得到充分體現(xiàn)[6]。許多物理和化學(xué)方法，如等離子體處理、磁控濺射、氧化和接枝，已用于改性BFs并改善BFs和樹脂之間的界面粘合。例如，化學(xué)改性方法通常是復(fù)雜的，并且控制化學(xué)反應(yīng)速率是具有挑戰(zhàn)性的。磁控濺射難以在工業(yè)規(guī)模上應(yīng)用，并且該方法具有成本高和效率低的缺點。同時，氧化和等離子體處理可能會對纖維骨架造成一定程度的損傷。其中電紡納米纖維最近作為聚合物基復(fù)合材料中的增強填料受到關(guān)注。在用環(huán)氧樹脂層壓的BF層之間交織含有碳納米管的電紡聚氨酯膜，與純BFs增強的復(fù)合材料相比，聚氨酯納米纖維與碳納米管在復(fù)合材料中的結(jié)合，進一步提高其材料的拉伸強度和彎曲強度[7]。通過在碳纖維織物層之間添加靜電紡有機聚丙烯腈（PAN）納米纖維來增強碳纖維/環(huán)氧樹脂復(fù)合材料的力學(xué)性能[8]。先前的研究表明，電紡納米纖維可以顯著增強纖維增強層壓復(fù)合材料的層間性能。其中聚丙烯腈納米纖維表現(xiàn)出優(yōu)異的物理和化學(xué)性能，并廣泛用于靜電紡絲[9]。因此，使用靜電纏繞方法將PAN納米纖維直接纏繞在BFs表面上， 并制備具有微米和納米尺寸結(jié)構(gòu)特征的納米纖維包覆玄武巖纖維（SBFC）緩沖護具，進一步提高緩沖護具力學(xué)性能，防止運動員在訓(xùn)練過程中受傷。本文著重研究和SBFC增強環(huán)氧樹脂復(fù)合緩沖護具材料的界面結(jié)合性能及其增強機理。研究成果可為納米纖維膜不能插入層壓織物和3D整體織物的問題提供參考。

1 試驗材料與方法

1.1 試驗材料

在本研究中，從四川聚源玄武巖纖維技術(shù)有限公司購買了線密度為400 tex和6 000單絲的玄武巖纖維及分子量為150 000的聚丙烯腈。 N，N -二甲基甲酰胺（DMF）用作PAN的溶劑。采用JC-02A環(huán)氧樹脂，以雙酚A二縮水甘油醚為基料，加入JC-02B固化劑（改良的甲基四氫苯酐）作為基體。

1.2 ?納米纖維包覆玄武巖纖維緩沖護具制備

納米纖維包覆玄武巖纖維緩沖護具使用電紡設(shè)備制造。作為芯線的BF通過漏斗，并將PAN有機粉末溶解在磁力攪拌器（溫度70 ℃）下攪拌5 h，得到質(zhì)量分數(shù)10%的PAN有機聚合物溶液。將PAN溶解在磁力攪拌器中，用注射泵以0.6 mL/h的流量注入后，對針頭施加高電壓±6 kV以形成電場。PAN有機聚合物溶液從針頭中飛出，在電場下形成納米纖維。在電紡過程中，PAN納米纖維被聚集在漏斗上，并隨著漏斗的轉(zhuǎn)動被包裹在BFs的表面。針頭和漏斗之間的距離以及針頭本身的距離分別為10 cm和12 cm。所有的電紡實驗都是在室溫（20±2）℃、相對濕度（60±5）%的條件下進行。

設(shè)計了3組漏斗轉(zhuǎn)速和包芯紗移動速度，探討緩沖護具制作過程中漏斗轉(zhuǎn)速和包芯紗移動速度對納米纖維包覆玄武巖纖維緩沖護具復(fù)合材料的影響。參數(shù)的具體組合如表1所示。

1.3 纖維拔出測試

纖維拔出纖維推出和纖維微粘接測試通常用于評估剪切強度，其中纖維拔出測試因其簡單、操作方便和成本低而被廣泛采用。本文采用纖維拔出試驗來評估原始BFs復(fù)合增強材料（PBFC）和納米纖維包覆玄武巖纖維（SBFC）的剪切強度。

1.4 材料表征

使用Quanta-450-FEG掃描電子顯微鏡（SEM）和VHX-5000超場顯微鏡系統(tǒng)表征SBFC和斷裂纖維拉出樣品（PBFC和SBFC）的形貌。并進行FTIR光譜以研究樣品中化學(xué)官能團的存在。 光譜記錄在650～4 000 cm-1分辨率為 4 cm-1。為了降低光譜噪聲，測量進行了32次掃描，并通過原子力顯微鏡（AFM）研究了纖維/基體的界面相結(jié)構(gòu)。

2 結(jié)果與討論

2.1 化學(xué)結(jié)構(gòu)表征

PBFC、PAN納米纖維和SBFC的相應(yīng)FTIR光譜如圖1所示。

從圖1可以看出，887 cm-1處的波數(shù)是PBFC的硅羥基（Si—OH）的特征吸收峰[10]。PAN納米纖維膜在2 240 cm-1處呈現(xiàn)—C多鍵N的拉伸吸收峰，在2 930 cm-2處呈現(xiàn)—CH 2的拉伸振動；在1 453 cm-1時呈現(xiàn)—C—H的彎曲振動峰；[JP4]1 731 cm-1處存在—C雙鍵O的特征帶。PBFC和PAN納米纖維的特征振動也出現(xiàn)在SBFC的FTIR光譜中，表明在電紡SBFC的制備過程中，PAN納米纖維和BFs緩沖護具之間沒有化學(xué)反應(yīng)。

2.2 ??PBFC和SBFC的剪切強度分析

圖2為0#PBFC和1#～9#SBFC緩沖護具的剪切強度結(jié)果；圖3為緩沖護具剪切強度變化結(jié)果。

從圖2可以看出，2#SBFC的剪切強度54.62 MPa比0#PBFC的41.59 MPa高31.33%。3#、5#和6#SBFCs的剪切強度增加率幾乎相似。然而，與0#PBFCs相比，1#、4#和7#SBFC的剪切強度顯著下降，結(jié)果如圖3所示。

從圖3觀察到的現(xiàn)象可以通過考慮幾個效應(yīng)來解釋。有效梯度相間結(jié)構(gòu)可以將應(yīng)力從基質(zhì)樹脂均勻地傳遞到纖維[11]，限制材料在界面處的不同相的移動，并促進界面粘附[12-13]。電紡參數(shù)（芯紗的運動速度和漏斗的旋轉(zhuǎn)速度）對緩沖護具的剪切強度有顯著影響（見圖3（b）示）。芯紗的緩慢移動速度或漏斗的緩慢旋轉(zhuǎn)速度導(dǎo)致PAN膜變厚。如果PAN層的厚度過高，則會阻止有機材料環(huán)氧樹脂滲透，并導(dǎo)致BFs和樹脂之間的潤濕能力較弱[14]。這會影響復(fù)合材料的固化，最終產(chǎn)生弱界面。此外，漏斗的旋轉(zhuǎn)速度過快或芯紗的移動速度過高會阻礙覆蓋，導(dǎo)致PAN納米纖維層變薄。這樣的界面層不能形成有效的梯度界面，并且不能增強復(fù)合材料的界面粘合性能。因此，只有當BFs被合適厚度的PAN納米纖維膜覆蓋時，有效的梯度界面層才能增強緩沖護具的剪切強度。

2.3 ?PBFC和SBFC的斷裂形態(tài)分析

本文研究了幾個典型試樣的斷裂形貌。選擇代表性樣品，例如0#PBFC（原始樣品）、2#SBFC（IFSS中最大的改進）、4#SBFC（在IFSS中最小的改進）和6#SBFC（IFSS中等的改進），以分析PAN納米纖維的不同厚度對玄武巖纖維和樹脂之間的界面結(jié)合性能的影響。

圖4為樣品0#PBFC、2#SBFC、4#SBFC和6#SBFC在纖維拉出試驗后的斷裂形態(tài)。

從圖4可以看出，2# SBFC玄武巖纖維和基體裂紋，進一步表明BFs和環(huán)氧樹脂之間的界面結(jié)合較弱。與0#PBFC相比，2#SBFC和6#SBFC沒有出現(xiàn)基體裂紋和纖維拔出，BFs被大量有機材料環(huán)氧樹脂覆蓋。這說明2#SBFC和6#SBFC的界面粘附力比0#PBFC的強。此外，4#SBFC中出現(xiàn)大量顯著的孔隙（0.05 mm/s），表明纖維和樹脂之間的界面粘合性較差。此外，可以發(fā)現(xiàn)PAN納米纖維層在纖維拔出測試過程中滑落，主要因為結(jié)合力來自于玄武巖纖維和PAN納米纖維之間的物理吸附[15]，并且PAN納米纖維和玄武巖纖維之間的粘接強度不是很高，且梯度界面層是SBFC界面性能提高的主要原因。綜上所述，在適宜的靜電紡絲參數(shù)下制備的SBFC可以有效改善玄武巖纖維復(fù)合材料的界面性能，進一步提高緩沖護具抵抗外力的作用[16-17]。

2.4 緩沖護具在運動訓(xùn)練時的應(yīng)用

選取2位籃球運動員在不同時期腕關(guān)節(jié)損傷前后的運動康復(fù)數(shù)據(jù)進行實驗。在腕關(guān)節(jié)運動康復(fù)中使用纖維材料緩沖護具的運動員稱為運動員A；不使用纖維材料緩沖護具的稱為運動員B。對2名運動員進行了康復(fù)訓(xùn)練，并在訓(xùn)練前后觀察了橈骨關(guān)節(jié)、腕關(guān)節(jié)和尺關(guān)節(jié)的具體情況，從而分析纖維材料緩沖護具在腕關(guān)節(jié)運動康復(fù)中的作用。并比較2名運動員的橈骨關(guān)節(jié)在運動康復(fù)訓(xùn)練中使用和不使用纖維材料緩沖護具的康復(fù)情況。為了分析纖維材料緩沖護具對橈骨關(guān)節(jié)運動康復(fù)的影響，以7 d為檢查周期，在35 d內(nèi)檢查運動員的橈骨和尺骨偏轉(zhuǎn)角、橈月角、橈舟角、橈骨角伸展和屈曲角度[18];最終結(jié)果如圖5所示。圖5中的虛線代表運動員A和運動員B在5周內(nèi)橈骨和尺骨偏轉(zhuǎn)角和橈骨月角的恢復(fù)情況;條形圖顯示了運動員 A 和運動員 B 在5周內(nèi)橈骨角和橈舟角的恢復(fù)情況；尺側(cè)半徑角和徑向月角數(shù)據(jù)以左主軸數(shù)據(jù)為準[19]，徑向頭角和徑向舟角數(shù)據(jù)以右次軸數(shù)據(jù)為準。

從圖5可以看出，運動員A的橈骨關(guān)節(jié)在同一周期中恢復(fù)的比運動員B快。因此，使用纖維材料緩沖護具的運動康復(fù)訓(xùn)練的康復(fù)效果優(yōu)于不使用纖維材料緩沖護具的運動康復(fù)訓(xùn)練，恢復(fù)能力更強[20]。同時使用纖維材料緩沖護具進行運動康復(fù)訓(xùn)練的運動員A的康復(fù)效果優(yōu)于不使用纖維材料緩沖護具的運動員B。而在康復(fù)結(jié)束前，每周的平均康復(fù)程度比不使用纖維材料緩沖護具的運動員快0.3倍。普通運動康復(fù)訓(xùn)練比沒有康復(fù)訓(xùn)練的腕關(guān)節(jié)快2倍左右，使用纖維材料緩沖護具的運動康復(fù)訓(xùn)練比沒有康復(fù)訓(xùn)練的腕關(guān)節(jié)快3倍左右。

3 結(jié)語

（1）剪切強度的改進主要源于PAN納米纖維引入BFs與環(huán)氧基體之間形成梯度界面層。此外，梯度界面層的厚度對復(fù)合材料的剪切強度具有決定性的影響。而厚PAN納米纖維薄膜可能會阻礙有機材料環(huán)氧樹脂的滲透并導(dǎo)致界面不良；

（2）在適當?shù)撵o電紡絲參數(shù)下制備的納米纖維包裹玄武巖纖維可以有效改善復(fù)合緩沖護具材料的界面性能。

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