芳綸及其復(fù)合材料在體育器材中的應(yīng)用

賈琳

摘要：芳綸材料作為一種新型高科技材料，是冷戰(zhàn)時(shí)期軍備競(jìng)賽的產(chǎn)物，最早被用于航空航天領(lǐng)域。隨著冷戰(zhàn)的結(jié)束，逐漸走入民用領(lǐng)域，芳綸復(fù)合材料在體育器材中的應(yīng)用就是其中非常成功的一種。文章著重分析了芳綸材料的特性以及其在體育題材上運(yùn)用的優(yōu)勢(shì);結(jié)合案例對(duì)芳綸材料提升體育器材使用強(qiáng)度、耐久度以及幫助體育愛好者、專業(yè)運(yùn)動(dòng)員提升成績(jī)的價(jià)值進(jìn)行了綜述;最后對(duì)芳綸材料與其他纖維材料混合加工為基礎(chǔ)的未來(lái)發(fā)展情況進(jìn)行了展望。

關(guān)鍵詞：芳綸材料;復(fù)合材料;體育器材;應(yīng)用

中圖分類號(hào)：TQ334 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1001-5922（2019）10-0083-03

芳綸1313最早誕生于20世紀(jì)60年代末，是彼時(shí)美蘇兩國(guó)冷戰(zhàn)及軍備競(jìng)賽的產(chǎn)物。隨著冷戰(zhàn)的結(jié)束，該材料的應(yīng)用領(lǐng)域逐漸從軍事航空領(lǐng)域走向民用領(lǐng)域。隨著近些年國(guó)民生活水平的提升，中國(guó)百姓對(duì)體育鍛煉和體育文化娛樂的欲求越來(lái)越高，傳統(tǒng)的體育器材材料如金屬、木料等逐漸因?yàn)橹亓窟^重、耐久性差等缺點(diǎn)而被體育愛好者及專業(yè)運(yùn)動(dòng)員拋棄。

芳綸及其復(fù)合材料由于具備密度小、阻尼抗震性能強(qiáng)、易加工成型等優(yōu)點(diǎn)，自進(jìn)人體育器材領(lǐng)域以來(lái)便廣受體育領(lǐng)域喜愛。芳綸及其復(fù)合材料除包括纖維增強(qiáng)復(fù)合材料外，還包括與其他材料如碳纖維等纖維材料加工而成的層壓織物或增強(qiáng)復(fù)合材料等。對(duì)其在體育器材上的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)進(jìn)行分析，并結(jié)合案例對(duì)其未來(lái)應(yīng)用領(lǐng)域拓展進(jìn)行展望，能夠?yàn)樵撔袠I(yè)從事科研及加工的工作人員提供借鑒。

1芳綸及其復(fù)合材料應(yīng)用于體育器材上的優(yōu)勢(shì)

1.1密度小

通常情況下，相同類型的體育器材質(zhì)量越輕則越容易提升運(yùn)動(dòng)水平，尤其專業(yè)經(jīng)濟(jì)領(lǐng)更是如此。最原始的木質(zhì)材料雖然重量較輕，但是由于其本身材質(zhì)力學(xué)性能較差、耐用性低而逐漸被金屬材料取代;金屬材料具有較強(qiáng)的力學(xué)性能和易加工性，但與芳綸材料相比則仍存在密度過高的問題，因而逐漸又被芳綸材料取代。目前廣泛使用的芳綸材料密度低至1.44～1.45g/cm³遠(yuǎn)低于鋁合金的密度（2.030-2.859/cm³），也要低于碳纖維材料的密度（1.76～1.80g/cm³）。因此，芳綸及其復(fù)合材料在用于同類型體育器材時(shí)具有非常大的優(yōu)勢(shì)。

1.2力學(xué)性能好

具備優(yōu)良的力學(xué)性能和穩(wěn)定性是某種材料被用作體育器材制造的基礎(chǔ)條件。通過對(duì)比玻璃纖維、碳纖維及芳綸材料的力學(xué)性能可知，芳綸的強(qiáng)度和模量均比其他兩種材料高，同時(shí)芳綸材料最優(yōu)秀的力學(xué)性能是0°拉伸強(qiáng)度，遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于玻璃纖維材料或碳纖維材料，但是其90°拉伸強(qiáng)度較差。因此，芳綸材料通常會(huì)在加工過程中通過與他種纖維材料進(jìn)行混雜加工的手段調(diào)整產(chǎn)品性能。

1.3阻尼性能好

對(duì)于某些運(yùn)動(dòng)來(lái)說，需要運(yùn)動(dòng)員使用具有較強(qiáng)阻尼性能的運(yùn)動(dòng)器械，通常是使用芳綸復(fù)合材料制成的產(chǎn)品。這是因?yàn)橄啾扔趥鹘y(tǒng)的金屬材料，芳綸具有更加優(yōu)良的阻尼減震性，其運(yùn)動(dòng)吸能效果遠(yuǎn)高于普通金屬材料。近期有研究人員發(fā)現(xiàn)，芳綸材料與玻璃纖維材料混合加工而成的復(fù)合材料中Kevlar和玻璃纖維比例的增加能夠促使復(fù)合材料阻尼系數(shù)的進(jìn)一步提升，而芳綸材料與碳纖維材料混合加工而成的復(fù)合材料中碳纖維材料比例的提升會(huì)降低復(fù)合材料的整體阻尼系數(shù)。通過掌握這一規(guī)律能夠用來(lái)制造和加工阻尼系數(shù)需求更高的運(yùn)動(dòng)器材。

1.4可設(shè)計(jì)性及加工成型性更強(qiáng)

芳綸材料能夠與多種纖維材料進(jìn)行融合加工，因此具有了非常強(qiáng)的可設(shè)計(jì)性。當(dāng)某些體育器材需要的特殊性能發(fā)生變化時(shí)，只需要對(duì)復(fù)合材料中的組成比例進(jìn)行一定調(diào)整或者改變某些纖維種類就能夠達(dá)到生產(chǎn)要求。因此，芳綸纖維具有其他材料如木材、金屬、碳纖維等材料不具備或難以實(shí)現(xiàn)的可設(shè)計(jì)性。此外，芳綸復(fù)合材料能夠通過各種形式進(jìn)行加工，這些都是芳綸材料與其他材料相比具有的可設(shè)計(jì)性優(yōu)勢(shì)和加工成型性更強(qiáng)的優(yōu)勢(shì)。

1.5安全環(huán)保

體育器材除要求有較好的力學(xué)特性等優(yōu)點(diǎn)之外，環(huán)保也是其能否被廣泛開發(fā)和使用的要求之一。假如某一體育器材在使用或生產(chǎn)加工過程中會(huì)產(chǎn)生大量的污染，無(wú)疑會(huì)令本身追求健康的體育鍛煉目標(biāo)大打折扣。芳綸材料的纖維密度小，但是強(qiáng)度高且耐磨、耐腐、性狀穩(wěn)定，因此，使用芳綸材料代替某些纖維材料如石棉纖維等，能夠避免這類型材料給使用人員帶來(lái)的污染和傷害，在某些運(yùn)動(dòng)中可以被用來(lái)制造手套、頭套或其他防護(hù)用品。

2芳綸在體育器材上的應(yīng)用

2.1防護(hù)工具

安全健康地進(jìn)行體育鍛煉或體育競(jìng)技，沒有良好的防護(hù)工具是不行的。尤其在某些抗擊性運(yùn)動(dòng)，如拳擊、自由搏擊、擊劍等運(yùn)動(dòng)中，優(yōu)良和完善的防護(hù)工具是開展該類型運(yùn)動(dòng)的基礎(chǔ)。在傳統(tǒng)的防護(hù)工具生產(chǎn)中，多以海綿、橡膠、皮革等材料為主進(jìn)行生產(chǎn)加工，然而隨著時(shí)代和科技的進(jìn)步，傳統(tǒng)材料加工而成的防護(hù)裝備逐漸因?yàn)轶w積大、笨重、不具備良好的透氣性能等被人詬病。尤其在高強(qiáng)度、高水平的競(jìng)技比賽中，傳統(tǒng)的防護(hù)工具由于佩戴不舒適且防護(hù)性能差，嚴(yán)重影響了運(yùn)動(dòng)員經(jīng)濟(jì)水平的發(fā)揮和對(duì)自身的保護(hù)。采用芳綸材質(zhì)加工而成的防護(hù)工具具有遠(yuǎn)高于普通材料的透氣性、防震性能，同時(shí)由于芳綸材料強(qiáng)度高、密度低，更加適合專業(yè)高水平運(yùn)動(dòng)員的需求。尤其在賽車運(yùn)動(dòng)、冰雪運(yùn)動(dòng)項(xiàng)目中，芳綸與樹脂復(fù)合加工材料制成的防護(hù)物、頭盔等能夠有效應(yīng)對(duì)運(yùn)動(dòng)中出現(xiàn)的高沖擊性撞擊，能夠有效降低運(yùn)動(dòng)中事故中對(duì)運(yùn)動(dòng)員的傷害。

2.2乒乓球拍

傳統(tǒng)的乒乓球拍通常采用木質(zhì)膠合板加工而成，該類型球拍具有重量大、反彈差等缺點(diǎn)。之后研究人員發(fā)現(xiàn)，采用芳綸與碳纖維復(fù)合材料加工成型的特種纖維底板能夠完美解決傳統(tǒng)球拍強(qiáng)度差、重量大等缺點(diǎn)。同時(shí)，使用該類型球拍進(jìn)行擊球時(shí)，由于本身材料的剛性很強(qiáng)，能夠幫助運(yùn)動(dòng)員擊打出反彈力大且速度更快的球。與此同時(shí)，得益于其中芳綸材料的使用，球拍的阻尼減震性能優(yōu)異，為運(yùn)動(dòng)員帶來(lái)了更加清晰的擊球手感，避免了純碳纖維材料手感差的缺陷。

2.3帆板

帆板運(yùn)動(dòng)進(jìn)人我國(guó)的時(shí)間較短，但在歐美一些發(fā)達(dá)國(guó)家則已經(jīng)擁有了較多的參與人員并形成了較多的世界級(jí)比賽。芳綸材料多用于帆板船的板體，通過手糊或?qū)訅旱牡募庸すに噷⒎季]及其復(fù)合材料與板體材料進(jìn)行融合。采用該加工工藝的帆板板體能夠有效實(shí)現(xiàn)板體的輕量化設(shè)計(jì)，同時(shí)能夠抗海水腐蝕且長(zhǎng)久使用不變形。除此之外，芳綸材料還會(huì)被部分應(yīng)用于帆板中的拉帆索和角索的設(shè)計(jì)加工工藝中。由于芳綸材料加工而成的帆板器材使用效果較好，已被眾多專業(yè)帆板賽事所使用。

2.4自行車

自行車尤其高端自行車已經(jīng)逐漸從單一的交通工具發(fā)展成為具有健身、競(jìng)賽等多種使用方式的綜合類器械。高端自形成通常大面積采用纖維材料制成，具有質(zhì)量輕、強(qiáng)度高等優(yōu)點(diǎn)。芳綸及其復(fù)合材料多用于高端自行車鏈條部位的生產(chǎn)和加工。采用芳綸材料制成的自形成鏈條具有高載荷、高延展性等優(yōu)勢(shì)，能夠一定程度上降低運(yùn)動(dòng)員消耗，提升運(yùn)動(dòng)員成績(jī)。

2.5滑雪板

專業(yè)的滑雪運(yùn)動(dòng)通常由兩類：①下坡滑雪，該類型滑雪運(yùn)動(dòng)除需要滑雪板具有低重量、高強(qiáng)度的特性外，還要求滑雪板能夠針對(duì)運(yùn)動(dòng)過程中產(chǎn)生的彎曲振動(dòng)和扭轉(zhuǎn)振動(dòng)提供較強(qiáng)的控制能力，即要求滑雪板使用材料具有較強(qiáng)的阻尼特征;②越野滑雪，該類型滑雪運(yùn)動(dòng)同樣要求滑雪板具有低重量、高強(qiáng)度的特性，此外還要求滑雪板具有較好的耐磨性和吸振性能。芳綸材料的出現(xiàn)與滑雪板的要求完全契合，能夠幫助運(yùn)動(dòng)員在進(jìn)行滑雪比賽或由角度滑行時(shí)，能夠在輕松、穩(wěn)定的狀態(tài)下進(jìn)行。同時(shí)芳綸材料較長(zhǎng)的使用壽命，也大大降低了該類型運(yùn)動(dòng)的整體成本。

2.6繩索

芳綸及其復(fù)合材料制在繩索領(lǐng)域使用非常廣泛。由于其本身具有強(qiáng)度高、耐磨、耐腐蝕的優(yōu)點(diǎn)，使用芳綸材料加工而成的劃水繩、帆船角索、登山繩、速降繩索具有拉力大、抗大風(fēng)的優(yōu)秀能力。國(guó)外某企業(yè)利用芳綸和復(fù)合纖維加工工藝加工制成的繩索已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于體育器材、船舶器材和服飾用繩索的各個(gè)領(lǐng)域。

3結(jié)語(yǔ)

綜上，芳綸材料由于具有明顯優(yōu)于傳統(tǒng)材料的物理性能和環(huán)保性能逐漸被體育愛好者和專業(yè)體育運(yùn)動(dòng)員認(rèn)可。其在體育器材領(lǐng)域中的應(yīng)用越來(lái)越廣泛。文章在分析芳綸及其復(fù)合材料物理特性的基礎(chǔ)上對(duì)其應(yīng)用進(jìn)行了案例說明。相信在今后對(duì)芳綸及其復(fù)合材料研究越來(lái)越深之后，能夠有效解決目前該類型材料的一些缺點(diǎn)，如壓縮強(qiáng)度低以及不耐紫外線照射等。并且隨著使用價(jià)值的提升，將會(huì)有越來(lái)越多的廠家投人到芳綸材料體育器材的生產(chǎn)中，到時(shí)該類器材的價(jià)格應(yīng)該能夠獲得較大幅度的下降。芳綸材料應(yīng)用于體育器材領(lǐng)域?qū)⒊蔀榻窈篌w育器械生產(chǎn)加工領(lǐng)域的重點(diǎn)研究?jī)?nèi)容之一。