體育器材中芳綸及復合材料的實踐運用研究

王旭東

( 陜西中醫(yī)藥大學, 陜西咸陽 712046)

我國對于芳綸的研究起步較晚，于20 世紀70、80年代期間完成了芳綸1313 與1414 的鑒定，并在2004年實現(xiàn)了芳綸1313 的工業(yè)化生產(chǎn)，通過擴建工程，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商。芳綸具備其自身獨特優(yōu)勢，尤其是阻燃性能，使其得以在防護領域中廣泛應用，且需求以每年約30%的速度快速增長[1]。而芳綸等紡織復合材料具備密度小、抗震性能強大、自由設計程度較高、加工操作便捷、節(jié)能環(huán)保等優(yōu)勢特性，所以在體育器材中實現(xiàn)了普遍應用，且在市場上，此材料相關體育器材也深受歡迎。

1 芳綸及復合材料性能分析

1.1 芳綸性能分析

芳綸1414 是聚對苯二甲酰對苯二胺纖維，其大分子結構排列緊密，具備高結晶度、高取向度、高強高模、耐高溫、耐腐蝕等優(yōu)勢特征，屬于優(yōu)質高性能纖維，可切實應用在復合材料制造中[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苯二胺與對苯二甲酰氯，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、化學穩(wěn)定性良好，是現(xiàn)階段耐高溫纖維中應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)結構的三元共聚聚酰胺纖維。芳綸樹脂即將第三單元體M3 引進縮聚反應，局部替代對苯二胺與對苯二甲酰氯于低溫溶液縮聚反應中獲取三元共聚物，并在聚合反應過程中添加強極性的溶劑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，其不僅高強高模，耐酸耐堿、耐腐蝕，還超強耐高溫、電絕緣，可應用在高強、耐高溫構件生產(chǎn)制造中。

1.2 芳綸復合材料性能分析

芳綸復合材料以其比剛度、耐沖擊性、抗電磁性等優(yōu)勢特性，在體育器材領域倍受青睞[5]。芳綸復合材料是基于芳綸纖維為增強相，樹脂為基體的復合材料，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

芳綸復合材料以樹脂為基體，負責固定纖維。不同于芳綸纖維，樹脂材料脆性更大，拉壓特性也相對較差，在復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成復合材料時，由于性質不同，所以有序組合生成的復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

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

表3 芳綸復合材料性能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成的芳綸復合材料性能存在顯著差異，單向芳綸復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較弱；多向芳綸復合材料并不存在橫縱不同向差異。因此，芳綸復合材料具有輕質、高強、韌性好等優(yōu)勢特性。

2 基于體育器材的芳綸及復合材料實踐應用分析

2.1 芳綸及復合材料在防護設施中的應用

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

2.2 芳綸及復合材料在乒乓球拍中的應用

以往乒乓球拍一般都是利用木質膠合板進行制作，其重量過大，反彈性較差[8]。而利用芳綸及復合材料加工制造的特種纖維底板可有效彌補以往球拍的缺陷，且在擊球動作時，基于材料自身強大的剛性，可確保運動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)中應用芳綸及復合材料，可優(yōu)化球拍阻尼防震性能，保障運動員清晰利落的發(fā)球手感體驗。

2.3 芳綸及復合材料在網(wǎng)球拍中的應用

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

2.4 芳綸及復合材料在運動帆板中的應用

在體育運動中帆板運動的起步較晚，發(fā)展時間比較短，尚不成熟，但是在很多發(fā)達國家已經(jīng)舉辦了各式各樣的世界級比賽[9]。芳綸及復合材料大多應用于帆板船板體，主要基于手動糊或者層壓等工藝手段，融合芳綸及復合材料與帆船板體。以此工藝加工制成的帆板船板體可實現(xiàn)輕量化設計，可抵抗海水腐蝕，可長期不變形。此外，芳綸及復合材料還會局部應用在帆板船的拉帆索與角索加工中，制成的帆板器材實用效果良好，已實現(xiàn)了在許多專業(yè)帆板競技中的廣泛應用。

2.5 芳綸及復合材料在高端自行車中的應用

自行車特別是體育運動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，輕質高強。而芳綸及復合材料通常應用于自行車鏈條加工中，其具備高載荷與高延展性等多項優(yōu)勢，可在很大程度上減少運動員騎行時的力量消耗，提高運動員的最終成績。

2.6 芳綸及復合材料在比賽用艇中的應用

起初我國所用賽艇都是由國外進口，隨后才研發(fā)了特種纖維蜂窩結構賽艇，相對于木質賽艇與玻璃鋼賽艇，其剛性與韌性較高，輕質高強，耐沖擊、耐蠕變、耐高溫、耐腐蝕，使用壽命較長，與國際賽艇聯(lián)合會規(guī)定的體育競技賽艇標準相符，以此便代替了進口賽艇[10]。但是纖維復合材料制造的賽艇無法達到綜合要求，在此基礎上便提出了芳綸及復合材料賽艇，其不僅具備纖維蜂窩結構賽艇的優(yōu)勢特征，且力學性能良好，使用效果較好。

2.7 芳綸及復合材料在滑雪板中的應用

在專業(yè)滑雪運動項目中，通常分為下坡滑雪與越野滑雪兩種類型。下坡滑雪運動除了需要滑雪板具備質輕、高強特征，還需要其在應對運動中的彎曲與扭轉振動具備強有力的控制能力，即滑雪板制成材料的阻尼性能良好。越野滑雪運動也明確要求滑雪板具備質輕、高強特征，還需要其具備優(yōu)異的耐磨性與吸振性。而芳綸及復合材料可完全滿足滑雪運動用滑雪板的標準化要求，可助于運動員在滑雪競技或者角度滑行時，以輕松自在、穩(wěn)定牢固的狀態(tài)順利安全完成。而且芳綸及復合材料可長久使用，這便在一定程度上降低了滑雪運動的綜合成本。

2.8 芳綸及復合材料在運動繩索中的應用

芳綸及復合材料在運動繩索中的應用十分普遍，其自身具備高強度、耐磨性、耐腐蝕性等優(yōu)勢特征，利用芳綸及復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。目前，國際上許多企業(yè)都已開始著手將基于芳綸及復合材料制造的運動繩索應用于體育器材、船舶器材等多個領域。

3 結語

總而言之，在科學技術快速進步發(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，價格隨之降低，從而在多個領域實現(xiàn)了廣泛應用?，F(xiàn)階段最關鍵的是強化芳綸材料的壓縮強度，改善其耐紫外線照射性能，提高其與樹脂界面之間的黏結性。此外，基于樹脂基體的芳綸纖維復合材料可融合二者的雙向優(yōu)勢，不僅能夠呈現(xiàn)芳綸優(yōu)勢特征，還能夠彌補其缺陷，所以芳綸復合材料也成為了當前體育器材用材料的重點研究內(nèi)容。據(jù)此，本文通過詳細分析芳綸及復合材料的性能，針對其在防護設施、乒乓球拍、網(wǎng)球拍、運動帆板、高端自行車、比賽用艇、滑雪板、運動繩索等領域的應用做了探究。