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芳綸復(fù)合材料的制備及其在體育器械中的應(yīng)用

2022-06-27 07:09姜子景周星博
合成材料老化與應(yīng)用 2022年3期
關(guān)鍵詞:芳綸對(duì)位用具

曹 璐 ,姜子景,馬 歡 ,周星博

(1西安文理學(xué)院體育學(xué)院,陜西 西安 710065;2西安文理學(xué)院化學(xué)工程學(xué)院,陜西 西安 710065)

芳綸全稱為聚對(duì)苯二甲酰苯二胺(PPTA)[1],是一種新型高科技合成纖維,具有超高強(qiáng)度、高模量、耐高溫、耐酸耐堿及重量輕等一系列優(yōu)良性能[2]。芳綸誕生于20世紀(jì)60年代末,是冷戰(zhàn)期間軍備競(jìng)賽的產(chǎn)物,最初作為航天材料和重要的戰(zhàn)略物資,隨著戰(zhàn)爭(zhēng)的結(jié)束,芳綸逐漸用于高科技材料以及民生領(lǐng)域,目前已在建筑工程、個(gè)人防護(hù)、國(guó)防軍工、交通通訊等多個(gè)領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用[3]。此外,由于芳綸復(fù)合材料具備密度小、抗震性能強(qiáng)大、自由設(shè)計(jì)程度較高、加工操作便捷、節(jié)能環(huán)保等特性,在體育器材的制備中具有較大優(yōu)勢(shì)[4],它的使用能夠在減輕體育器材質(zhì)量的同時(shí),提升抗沖擊性和耐磨性,正在逐漸取代木質(zhì)、金屬質(zhì)等傳統(tǒng)的體育器械材料。

1 芳綸及其復(fù)合材料的制備

芳香族聚酰胺作為一類性能優(yōu)異的有機(jī)高性能聚合物,被廣泛應(yīng)用于國(guó)防軍工及航空航天等領(lǐng)域。其結(jié)構(gòu)中至少有85%的酰胺鍵(-CONH-)直接與苯環(huán)相連接[5]。其中,芳綸(PPTA)作為芳香族聚酰胺中性能尤為優(yōu)異的一種[6-7],其化學(xué)結(jié)構(gòu)式如圖 1 所示。從其化學(xué)結(jié)構(gòu)上能夠看到,芳綸具有以下優(yōu)點(diǎn):芳綸分子主鏈結(jié)構(gòu)上具有高鍵能的共價(jià)鍵,因此賦予了芳綸及復(fù)合材料制品較高的強(qiáng)度;芳綸分子主鏈中具有一定的苯環(huán),能夠?qū)⑵漉0坊鶊F(tuán)進(jìn)行分離,且其與苯環(huán)能夠形成 π-π 共扼效應(yīng),表現(xiàn)出位能高的內(nèi)旋轉(zhuǎn),因此芳綸的分子鏈呈現(xiàn)出平面剛性伸直鏈構(gòu)象,因此能夠得到結(jié)晶相對(duì)完整、結(jié)晶度高的芳綸纖維;芳綸大分子之間呈平行排列,自由空間體積較小,且其分子鏈間氫鍵的作用較強(qiáng),因此具有較高的剛性及模量高[8-9]。目前能夠通過(guò)不同方法對(duì)芳綸結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì),并優(yōu)化其性能,從而進(jìn)一步拓展其應(yīng)用范圍。

圖1 PPTA 的分子化學(xué)結(jié)構(gòu)Fig. 1 Chemical structure of PPTA

1.1 全對(duì)位芳綸及其復(fù)合材料

對(duì)位芳香族聚酰胺纖維(對(duì)位芳綸)及其改性材料是一類最為典型的高性能有機(jī)纖維[10]。由于其超強(qiáng)的拉伸強(qiáng)度、拉伸模量和熱穩(wěn)定性,被廣泛地應(yīng)用在防護(hù)面料、高強(qiáng)繩纜、高性能輕質(zhì)復(fù)合材料等領(lǐng)域,是不可或缺的基礎(chǔ)型高性能材料[11]。我國(guó)目前已經(jīng)開發(fā)的阻燃防護(hù)產(chǎn)品主要有特警戰(zhàn)訓(xùn)服、消防服、消防搶險(xiǎn)服、森警防護(hù)服、石油和鋼鐵防護(hù)服等。

對(duì)位芳綸(芳綸1414)的分子鏈?zhǔn)怯杀江h(huán)與酰胺基通過(guò)固有的規(guī)律排列而成,其主鏈為直線型且具有高度的規(guī)則性。芳綸1414纖維具有全對(duì)位的剛性苯環(huán)結(jié)構(gòu),是一種耐高溫、強(qiáng)度高、模量高的特種纖維[12],因此在材料制備及材料改性方面得到了廣泛的應(yīng)用。于安軍等[13]將對(duì)位芳綸聚合物樹脂溶于一定濃度的硫酸溶液中,形成各向異性紡絲溶液,之后將紡絲液經(jīng)噴絲板的毛細(xì)管孔擠出,通過(guò)空氣層后進(jìn)入低溫凝固浴中,在低張力條件下將最終得到的纖維進(jìn)行水洗和干燥。該方法能夠較好地進(jìn)行張力控制,所得對(duì)位芳綸纖維強(qiáng)度可高達(dá)26g/d以上,伸長(zhǎng)率在4.0%以上。

林志嬌等[14]首先將PPDA聚合單體溶解于含有 CaCl2的極性溶劑 N-甲基吡咯烷酮(NMP)中,然后分步加入等當(dāng)量的TPC進(jìn)行縮聚反應(yīng)。隨著反應(yīng)的進(jìn)行,聚合物逐漸析出,之后將聚合物水洗干燥。將干燥后的聚合物與濃硫酸混合配制成固含量為19.4%的紡絲漿液,通過(guò)噴絲、凝固成形、洗滌、干燥、上油、卷繞制得對(duì)位芳綸纖維成品。該方法所得的對(duì)位纖維纖維張力控制良好,穩(wěn)定性高。

在對(duì)其他聚合物的改性中,芳綸1414的使用也非常廣泛。張愛(ài)波等[15]將聚苯硫醚(PPS)粉與聚醚酮(PEK-C)粉進(jìn)行混合,并選用芳綸1414短切纖維對(duì)其進(jìn)行摻雜。在摻雜過(guò)程中使用高速搗碎機(jī)進(jìn)行攪拌,使纖維能夠在樹脂中進(jìn)行充分分散。之后,將均勻混合的復(fù)合材料放置在320℃的爐體中壓制1h,在80MPa的壓力下保溫30min后冷卻成形,并對(duì)所得芳綸/PPS/PEK-C復(fù)合材料的性能進(jìn)行測(cè)試。結(jié)果表明,芳綸/PPS/PEK-C樹脂體系的拉伸強(qiáng)度和抗沖擊強(qiáng)度均得到了大幅度的提高。

1.2 間位芳綸及其復(fù)合材料

間位芳綸結(jié)構(gòu)中的酰胺基團(tuán)通過(guò)間位苯基進(jìn)行結(jié)合,分子鏈以鋸齒狀排布為主,且共價(jià)鍵之間不存在共軛效應(yīng)[16],這種特殊的分子結(jié)構(gòu)能夠賦予其良好的機(jī)械性能和高的熱穩(wěn)定性。此外,在間位芳綸的結(jié)晶結(jié)構(gòu)中,以格子狀排列的氫鍵在晶體的兩個(gè)平面上存在,氫鍵作用非常強(qiáng)烈,因此化學(xué)結(jié)構(gòu)非常穩(wěn)定,具有較高的化學(xué)穩(wěn)定性,且表現(xiàn)出較高的耐熱性和良好的阻燃性[17],在工業(yè)生產(chǎn)、生活應(yīng)用,尤其是體育器材制備領(lǐng)域中應(yīng)用非常廣泛。

董曉寧等[18]將間位芳綸(芳綸1313)股線與長(zhǎng)絨棉/大麻股線混合物通過(guò)混紡交織,得到了長(zhǎng)絨棉/大麻/芳綸1313織物,并對(duì)其阻燃性能和舒適性進(jìn)行測(cè)試。結(jié)果表明,隨著芳綸1313含量的逐漸增大,所得織物的阻燃性能也不斷提高,且具有一定的穿著舒適性。

曹凱凱等[19]以間苯二甲酰氯和2-(4-氨基苯基)-5-氨基苯并咪唑作為原料,以N,N-二甲基乙酰胺作為溶劑,通過(guò)低溫溶液縮聚法將咪唑結(jié)構(gòu)引入聚芳酰胺分子主鏈, 然后通過(guò)干濕法紡絲得到對(duì)位纖維長(zhǎng)絲,并最終制得具有高耐熱性、高阻燃性的對(duì)位芳綸纖維。相關(guān)表征顯示,該間位芳綸具有良好的可紡性,以及非常優(yōu)異的力學(xué)性能、熱(氧)穩(wěn)定性和阻燃性。

1.3 雜環(huán)芳綸及其復(fù)合材料

雜環(huán)芳綸由對(duì)苯二胺、對(duì)苯二甲酰氯、含有雜環(huán)結(jié)構(gòu)的二胺等三種單體共縮聚而成,是一種具有雜環(huán)結(jié)構(gòu)的三元共聚芳香族聚酰胺纖維[20]。雜環(huán)芳綸結(jié)構(gòu)中的雜環(huán)結(jié)構(gòu)賦予其超高的強(qiáng)度和模量,且在耐高溫、耐沖擊、耐磨損、透波等方面表現(xiàn)出傳統(tǒng)芳綸所不具備的優(yōu)勢(shì)。此外,雜環(huán)芳綸纖維更易于與樹脂進(jìn)行復(fù)合,所得復(fù)合材料具有優(yōu)異的綜合抗彈性能[21]。雜環(huán)芳綸目前已廣泛應(yīng)用于各種武器裝備上,在促進(jìn)武器裝備的輕量化、小型化、隱身化、增強(qiáng)防護(hù)等性能起到了至關(guān)重要的作用,已發(fā)展成為現(xiàn)代國(guó)防軍工關(guān)鍵性的支撐材料[22],也是目前體育器械的一種潛在替代材料。

芳綸Ⅲ是一種對(duì)位芳雜環(huán)共聚酰胺纖維系列產(chǎn)品,其在分子主鏈上引入了雜環(huán)結(jié)構(gòu)。較全對(duì)位芳綸而言,芳綸Ⅲ具有更優(yōu)異的分子結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)型,從而表現(xiàn)出突出的力學(xué)性能[22]。劉冬冬等[23]以國(guó)產(chǎn)芳綸Ⅲ和聚三唑樹脂作為原料,在SKPL05-1000 型排布機(jī)上制備出了芳綸Ⅲ/聚三唑預(yù)浸料,并在制備過(guò)程中加入了分子中含有苯并咪唑和疊氮雙官能團(tuán)的偶聯(lián)劑(ABI)。之后,經(jīng)過(guò)裁剪、烘干、固化等流程將預(yù)浸料制備為芳綸Ⅲ/聚三唑復(fù)合材料。相關(guān)性能測(cè)試結(jié)果顯示,芳綸Ⅲ/聚三唑復(fù)合材料的彎曲強(qiáng)度可高達(dá)614.9MPa。同時(shí),由于偶聯(lián)劑ABI 的加入可有效改善復(fù)合材料的界面性能,因此復(fù)合材料的彎曲強(qiáng)度提高約43.7% 。

2 芳綸復(fù)合材料在體育器材中的應(yīng)用

隨著“雙減”和“雙增”政策的推動(dòng),人們對(duì)體育運(yùn)動(dòng)的重視度逐漸增加,對(duì)體育器械的要求也逐漸苛刻。在對(duì)于體育器械的選擇上,不再一味考慮價(jià)格,更多的是對(duì)器械的原材料、舒適度等的高要求[24]。本文在探討芳綸復(fù)合材料性能的基礎(chǔ)上,對(duì)其在防護(hù)用具、運(yùn)動(dòng)服飾、運(yùn)動(dòng)用具等不同體育器材領(lǐng)域中的應(yīng)用進(jìn)行了討論[25]。

2.1 防護(hù)用具

在進(jìn)行對(duì)抗性運(yùn)動(dòng)以及高速?zèng)_擊性運(yùn)動(dòng)項(xiàng)目時(shí),為避免對(duì)抗或巨大沖擊力對(duì)人體造成不同程度的傷害,佩戴防護(hù)性能顯著的裝備是參加比賽和運(yùn)動(dòng)必不可少的條件[26]。而傳統(tǒng)的防護(hù)設(shè)施和穿戴用具通常以海綿、橡膠、皮革等材料制作而成,以此材料生產(chǎn)出來(lái)的防護(hù)用具因具有體積大、質(zhì)量重、透氣性低和防震抗擊性差等缺點(diǎn),不僅會(huì)影響運(yùn)動(dòng)員的使用體驗(yàn)感,對(duì)運(yùn)動(dòng)員保護(hù)程度也是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的,甚至還會(huì)影響其技術(shù)水平的正常發(fā)揮[27]。

時(shí)代在發(fā)展,科技在進(jìn)步。在防護(hù)用具領(lǐng)域中,芳綸新型材料因具有較高的強(qiáng)度、模量以及耐高溫性良好等性能,深受體育愛(ài)好者的喜愛(ài)。同時(shí)芳綸復(fù)合材料在制作過(guò)程中顯現(xiàn)出的耐酸堿性高、耐磨性強(qiáng)、可紡織性靈活等優(yōu)勢(shì),在眾多新型材料中脫穎而出,因此利用芳綸制成的三維紡織織物復(fù)合材料具有高強(qiáng)質(zhì)輕、抗沖擊性好、防刺防割等優(yōu)點(diǎn)。在對(duì)抗性或高速?zèng)_擊性運(yùn)動(dòng)項(xiàng)目中,芳綸復(fù)合材料制作而成的防護(hù)用具可大顯身手。尤其在賽車、冰雪運(yùn)動(dòng)項(xiàng)目中,運(yùn)動(dòng)員穿戴由芳綸復(fù)合材料加工制成的防護(hù)物、頭盔等,在應(yīng)對(duì)運(yùn)動(dòng)中出現(xiàn)的高沖擊性撞擊時(shí),能夠快速緩解沖擊力,將沖擊物能量進(jìn)行轉(zhuǎn)換,降低由于運(yùn)動(dòng)事故對(duì)運(yùn)動(dòng)員所造成的傷害。

因此,在進(jìn)行具有對(duì)抗性或者高速?zèng)_擊性運(yùn)動(dòng)項(xiàng)目時(shí),佩戴性能較高的防護(hù)用具是對(duì)自己人身安全的一種負(fù)責(zé)。大量文獻(xiàn)顯示,芳綸復(fù)合材料的加入,可以更好地對(duì)運(yùn)動(dòng)員進(jìn)行安全防護(hù),保障人身安全。

2.2 運(yùn)動(dòng)服飾

在大多數(shù)沖擊性高以及危險(xiǎn)運(yùn)動(dòng)過(guò)程中,防護(hù)用具是缺一不可的。然而傳統(tǒng)的防護(hù)用具并不能對(duì)全身各部位進(jìn)行保護(hù),需要選擇新型的材料以滿足全身防護(hù)服飾的制備要求。芳綸復(fù)合材料依據(jù)其透氣性好、耐磨性高、設(shè)計(jì)靈活等特性可根據(jù)運(yùn)動(dòng)員的需求制備全身的服飾,對(duì)運(yùn)動(dòng)員進(jìn)行全面的保護(hù)[28]。根據(jù)使用范圍的不同,將芳綸復(fù)合材料在運(yùn)動(dòng)服飾中的應(yīng)用分為極限運(yùn)動(dòng)服飾和競(jìng)技運(yùn)動(dòng)服飾兩大領(lǐng)域。

賽車作為極限體育項(xiàng)目之一,其存在的危險(xiǎn)性是巨大的。而賽車服對(duì)于觀眾來(lái)說(shuō),可能是代表帥氣、酷炫。但對(duì)于賽車手來(lái)說(shuō),賽車服是承載他們生命安全的最后一道防線。上世紀(jì)五十年代的賽車服,只注重美觀和舒適,然而悲劇不斷發(fā)生。1964年,Roberts在夏洛特、Eddie Sachs 和Dave MacDonald在indianapolis賽道中喪命令人印象深刻,這時(shí)大家才意識(shí)到賽車服的重要性。隨著科技的創(chuàng)新,賽車服由原先易燃的棉質(zhì)材料到1979年首次使用用于航天服的Nomex防火諾邁柯斯材料[29]。Nomex屬于芳綸aramid纖維的一種,其不僅擁有出色的耐火、耐高溫特性,還具有抵御腐蝕性氣體、酸性液體以及抗載作用,可保證賽車手在700℃高溫下仍有12s的保護(hù)時(shí)間,這為賽車手的人身安全提供了可靠的保障。其次,Nomex還有一個(gè)特性是重量輕,一般用三層材料制成的比賽服重量?jī)H1.9kg左右,這一點(diǎn)使得賽車手穿上賽服之后會(huì)感覺(jué)特別輕便舒適[30]。

在藝術(shù)領(lǐng)域,某些藝術(shù)舞蹈類型如中國(guó)古典舞蹈中存在大量中國(guó)戲曲表演中發(fā)掘和整理出的舞蹈步伐、身段、武打和筋斗技巧。正常舞蹈表演中包含了大量肢體各部位與地面之間的沖擊、摩擦等,僅通過(guò)特殊部位的護(hù)具防護(hù)并不能完全實(shí)現(xiàn)對(duì)舞蹈演員全部身體的保護(hù)[31]。因此,依據(jù)芳綸復(fù)合材料獨(dú)特的特性制造而成的全身舞蹈服飾,可滿足藝術(shù)表演者對(duì)于安全防護(hù)的需求。由實(shí)驗(yàn)性優(yōu)異等特點(diǎn),生產(chǎn)制作出的舞蹈服飾既滿足藝術(shù)美感又為表演者提供舒適的體驗(yàn)感以及安全的保障。芳綸三維織物裁剪差異性不大,可根據(jù)表演者自身要求、設(shè)計(jì)方向等主觀想法進(jìn)行形狀、厚薄、色彩的裁剪加工,使舞蹈表演者穿著由自己理念設(shè)計(jì)的舞蹈服飾的同時(shí)得到全方位安全防護(hù)。

綜上所述,芳綸復(fù)合材料因其獨(dú)特的特性,在各大體育運(yùn)動(dòng)項(xiàng)目服飾領(lǐng)域廣受歡迎,逐漸將芳綸復(fù)合材料制備的服飾推向主流。

2.3 球拍運(yùn)動(dòng)用具

球拍類運(yùn)動(dòng)用具在以往主要以木質(zhì)或橡膠等厚重材質(zhì)為主,運(yùn)動(dòng)員使用傳統(tǒng)球拍用具進(jìn)行比賽時(shí),在手感體驗(yàn)、對(duì)球控制程度、反彈力度等方面不太理想。然而新型復(fù)合材料的降臨,對(duì)球拍類運(yùn)動(dòng)用具的舒適度、輕薄度、彈性等特性進(jìn)行了改造[32]。以芳綸復(fù)合材料為代表憑借優(yōu)異的韌性和低密度,滿足群眾對(duì)球拍類運(yùn)動(dòng)用具的使用要求,并在乒乓球拍和網(wǎng)球拍等材料中得到了廣泛的應(yīng)用。

傳統(tǒng)乒乓球拍手柄大多采用木質(zhì)材料制作,板面使用韌性低的木材和橡膠材料。在運(yùn)動(dòng)員訓(xùn)練比賽時(shí),由于傳統(tǒng)球拍重量大、反彈性能低等因素,在長(zhǎng)期使用時(shí)運(yùn)動(dòng)員會(huì)產(chǎn)生手臂酸痛等不宜現(xiàn)象。伴隨新型材料的逐漸完善研發(fā)與應(yīng)用,芳綸和碳纖維復(fù)合而成的材料可以用來(lái)制作特種纖維乒乓球拍底板。部分學(xué)者研究顯示,這種復(fù)合材料做出的乒乓球拍不僅可以滿足人們對(duì)質(zhì)量、強(qiáng)度等剛性需求,在彈性方面也得到了大幅度提升。在運(yùn)動(dòng)員進(jìn)行比賽回?fù)魰r(shí),這種底板強(qiáng)度高,擊球時(shí)有一定的“剛性”,賦予回?fù)羟蛞粋€(gè)高速有力的特點(diǎn),其球拍與球相互作用時(shí)間比碳素底板長(zhǎng),更易打出弧圈球[33]。這充分展示“新型乒乓球拍”剛性和彈性兼得的優(yōu)良特性,并且使用該類球拍擊球時(shí)可以給運(yùn)動(dòng)者帶來(lái)異于傳統(tǒng)球拍的擊球體驗(yàn),激發(fā)運(yùn)動(dòng)員技術(shù)水平,取得高水平成績(jī)。

芳綸復(fù)合材料在網(wǎng)球拍市場(chǎng)上具有一定的挑戰(zhàn)性與競(jìng)爭(zhēng)性。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì),目前網(wǎng)球拍在市場(chǎng)上最常見(jiàn)的多數(shù)都是碳纖維復(fù)合材料制造的,在延展性、可塑性、減震等方面性能優(yōu)異,備受市場(chǎng)喜愛(ài)。但芳綸復(fù)合材料與之對(duì)比,具有密度偏小、減震吸能性能較優(yōu)、抗沖擊性強(qiáng)大、性價(jià)比高等優(yōu)勢(shì),備受人們的喜愛(ài)[34]。正是因?yàn)榉季]纖維具有棒狀分子結(jié)構(gòu),具有非常好的剛性、耐高溫性能和強(qiáng)度等,使網(wǎng)球拍總體質(zhì)量減輕,彈性逐步提高,能夠給運(yùn)動(dòng)員提供最優(yōu)的使用體驗(yàn)和提升成績(jī)的前提條件。Wilson公司于1980 年成功生產(chǎn)出第一支用編織碳纖維和芳綸制作而成的網(wǎng)球拍 Pro staff。然而在高分子材料和新型材料興盛的時(shí)代,距今已有40多年歷史公司生產(chǎn)出的網(wǎng)球拍,仍有許多頂尖職業(yè)運(yùn)動(dòng)員對(duì)Pro staff網(wǎng)球拍保持熱衷,由此可見(jiàn)芳綸纖維應(yīng)用于網(wǎng)球拍中是一項(xiàng)絕佳選擇。

2.4 板類運(yùn)動(dòng)用具

板類運(yùn)動(dòng)在體育運(yùn)動(dòng)項(xiàng)目中多以高速?zèng)_擊性項(xiàng)目出現(xiàn)在群眾的眼簾中,如冰雪運(yùn)動(dòng)、海上運(yùn)動(dòng)等。

芳綸復(fù)合材料目前在滑雪板、沖浪板和帆板等材料中得到較多應(yīng)用。在滑雪運(yùn)動(dòng)中,一個(gè)高質(zhì)量的滑雪板可以有效減少滑雪事故的發(fā)生。滑雪板需要承載運(yùn)動(dòng)員的體重,而芳綸復(fù)合材料制成的滑雪板不僅質(zhì)量輕,還具備超高強(qiáng)度,不易耗費(fèi)運(yùn)動(dòng)員的體力,可滿足運(yùn)動(dòng)需求[35]?;┻\(yùn)動(dòng)通常分為兩類:一類為下坡滑雪,該類型滑雪運(yùn)動(dòng)需要滑雪板具有低重量、高強(qiáng)度的特性,還要求滑雪板能夠針對(duì)運(yùn)動(dòng)過(guò)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[36];另一類為越野滑雪,該類型滑雪運(yùn)動(dòng)對(duì)運(yùn)動(dòng)員和滑雪板都有著十分高的要求,滑雪板必須具有低重量、高強(qiáng)度的特性,同時(shí)還對(duì)滑雪板耐磨性和吸震性能要求嚴(yán)苛。而芳綸復(fù)合材料的特性與滑雪運(yùn)動(dòng)對(duì)滑雪板的要求完美契合,在進(jìn)行滑雪比賽或角度滑行時(shí),能夠使運(yùn)動(dòng)者在較為輕松、穩(wěn)定的狀態(tài)下進(jìn)行方向、速度的控制。同時(shí)芳綸材料的耐磨損性能,可大大提高滑雪板使用壽命,為進(jìn)行該類型運(yùn)動(dòng)節(jié)省整體成本。

在海上運(yùn)動(dòng)使用的體育器材大多以帆板、沖浪板為主,器材與技術(shù)完美結(jié)合能夠展現(xiàn)優(yōu)美的海上動(dòng)作,但在追求外在之時(shí),對(duì)其性能有更高的需求。例如在防水的前提下,對(duì)強(qiáng)度的要求;在沖擊性能下,對(duì)韌性的要求等等。而芳綸復(fù)合材料在帆板船板體的設(shè)計(jì)中,根據(jù)芳綸材料超輕的重量,可用于做更輕的船帆,在海上能夠快速地航行。在強(qiáng)度方面,由芳綸復(fù)合材料制作而成的沖浪板可以抵擋海水的沖擊使運(yùn)動(dòng)員受到的沖擊力大大減少,降低受傷的風(fēng)險(xiǎn)。并且因加入芳綸復(fù)合材料可增長(zhǎng)其使用壽命,緩解海水侵蝕進(jìn)程,促進(jìn)運(yùn)動(dòng)帆板的輕量化發(fā)展[37]。在沖浪板、帆板制作材料中芳綸復(fù)合材料無(wú)疑是最佳選擇。

綜上所述,芳綸及其復(fù)合材料以其重量低、防腐蝕性高、耐疲勞度高等性能,在此類運(yùn)動(dòng)用具中廣泛應(yīng)用,在板類運(yùn)動(dòng)器械中的應(yīng)用發(fā)展打下基石。

2.5 運(yùn)動(dòng)交通工具

芳綸在運(yùn)動(dòng)交通工具方面的應(yīng)用目前仍處于探索階段,現(xiàn)主要應(yīng)用于自行車、賽艇、皮艇之類的極限運(yùn)動(dòng)項(xiàng)目。

目前,自行車在日常生活中不僅是單調(diào)的交通和運(yùn)輸工具,更多的是一種具有健身、體育競(jìng)賽、騎行旅游等多種功能的綜合性器材,且對(duì)于高端自行車的要求日益嚴(yán)苛。為了能夠滿足自行車在山地、陡坡、砂石等高難度的地形能夠安全行駛,部分高檔自行車在制造過(guò)程中,采用芳綸及其合成材料,這一材料的使用能夠大大提升車身的舒適性和安全性,不僅達(dá)到了輕質(zhì)美觀的特點(diǎn),同時(shí)也實(shí)現(xiàn)了具備良好的減震性能[38]。能夠在適當(dāng)范圍內(nèi)降低運(yùn)動(dòng)員多余的能量損耗,提升自我成績(jī)。

在水上競(jìng)速領(lǐng)域,無(wú)論是用于游艇還是高速摩托艇,當(dāng)今的帆船制造商都面臨著越來(lái)越嚴(yán)格的性能要求。正是如此高的要求使得芳綸于萬(wàn)千材料中卓爾不群。芳綸在眾多賽艇制備的材料中,凸顯質(zhì)量輕、強(qiáng)度大、韌性好、抗沖擊、耐腐蝕、壽命長(zhǎng)等特點(diǎn),成為了新型材料中的最佳選擇。采用對(duì)位芳綸復(fù)合材料造船,船身質(zhì)量比玻璃鋼、碳纖維復(fù)合材料以及金屬鋁都輕,船體質(zhì)量可減輕30%左右,節(jié)約燃料30%以上,可相應(yīng)增加航程。由于對(duì)位芳綸復(fù)合材料具有吸收振動(dòng)及承受連續(xù)沖擊的能力,船航行平穩(wěn)和安全[39]。因此芳綸復(fù)合材料在賽艇制作中也十分優(yōu)秀。

大量文獻(xiàn)顯示,芳綸復(fù)合材料在自行車和賽艇方面應(yīng)用效果良好,但其廣度還遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠,不能僅停留于此,需在此方面進(jìn)行更多的挖掘,使得人們對(duì)此類運(yùn)動(dòng)項(xiàng)目的進(jìn)行產(chǎn)生信任。

2.6 其他體育用品

體育運(yùn)動(dòng)的逐漸發(fā)展,體育材料日益創(chuàng)新。芳綸復(fù)合材料除了以上體育器械領(lǐng)域的應(yīng)用,在戶外運(yùn)動(dòng)、休閑運(yùn)動(dòng)等領(lǐng)域中也有較為廣泛的應(yīng)用。

戶外運(yùn)動(dòng)愛(ài)好者多數(shù)喜歡登山、攀巖、懸崖速降等極限和亞極限運(yùn)動(dòng)。繩索作為戶外運(yùn)動(dòng)的一項(xiàng)重要安全裝備,關(guān)乎運(yùn)動(dòng)者的生命安全。隨著運(yùn)動(dòng)項(xiàng)目的極限化,愛(ài)好者對(duì)繩索的韌度、耐磨度、耐腐蝕等方面有更為全新且苛刻的要求。芳綸纖維在新型復(fù)合材料中具有極高的強(qiáng)度,其拉伸強(qiáng)度是高強(qiáng)尼龍工業(yè)絲的2倍,拉伸模量是高強(qiáng)尼龍工業(yè)絲的10倍。顯而易見(jiàn),芳綸纖維制作而成的繩索在強(qiáng)度、韌度、拉伸度等方面都有質(zhì)的飛躍。并且通過(guò)大量實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可知,芳綸的連續(xù)使用溫度范圍極寬,在-196~204 ℃范圍內(nèi)仍可長(zhǎng)期正常運(yùn)行。隨著芳綸(Kevlar)纖維和超高相對(duì)分子質(zhì)量聚乙烯(UHMWPE)纖維等多種高性能纖維的制造技術(shù)及應(yīng)用的發(fā)展,高性能纖維二維編織繩索廣泛應(yīng)用于安全繩、芳綸休閑用繩、滑翔傘繩、滑水牽引繩、登山繩、傘繩等[40]。正是因?yàn)榉季]纖維優(yōu)秀的特征,它給予了戶外運(yùn)動(dòng)者們第二次生命。

而休閑運(yùn)動(dòng)中常常使用的釣魚竿也可選擇芳綸復(fù)合材料進(jìn)行制備。對(duì)改性對(duì)位芳綸短絲纖維碳素釣竿的制備研究表明,添加對(duì)位芳綸材料后的釣竿比之普通的碳素釣竿強(qiáng)度更高,韌性更好。芳綸復(fù)合材料的添加賦予釣魚竿耐高溫、耐磨損、韌度高等特性,滿足人們對(duì)釣魚竿的剛需,減少經(jīng)濟(jì)支出的同時(shí)增加可實(shí)用性。因此芳綸抗老化、韌性高、高強(qiáng)度等特性與其他復(fù)合材料進(jìn)行結(jié)合制備,可提高釣竿的使用壽命,對(duì)該項(xiàng)運(yùn)動(dòng)的推廣奠定了基礎(chǔ)。

通過(guò)對(duì)芳綸復(fù)合材料在以上兩大領(lǐng)域的探討得知,無(wú)論是在戶外運(yùn)動(dòng)中作為生命保障的繩索還是在休閑運(yùn)動(dòng)中作為用具的釣魚竿,在一定程度上都能夠清晰地認(rèn)識(shí)到芳綸復(fù)合材料的可塑性及重要性。因此,在其他體育用品中,應(yīng)加強(qiáng)對(duì)芳綸材料應(yīng)用的挖掘,不斷生產(chǎn)出符合時(shí)代要求、滿足人們需求的新型體育器械,充分展示芳綸復(fù)合材料的閃光點(diǎn)。

3 結(jié)語(yǔ)

體育運(yùn)動(dòng)為高性能高分子材料提供了一個(gè)應(yīng)用領(lǐng)域和展現(xiàn)平臺(tái),成為促進(jìn)材料發(fā)展的重要驅(qū)動(dòng)力。此外,需求也是促進(jìn)研究發(fā)展的動(dòng)力,通過(guò)研究高性能體育材料有利于高分子技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展。芳綸及其復(fù)合材料以其超高的強(qiáng)度、良好的耐高溫和耐酸耐堿性能,以及較低的重量等優(yōu)點(diǎn),成為體育器械器材制備的優(yōu)選材料,在防護(hù)用具、體育運(yùn)動(dòng)服飾、球拍類運(yùn)動(dòng)等體育用品中得到廣泛應(yīng)用。然而,隨著人們對(duì)體育用品舒適度及耐用性的要求日益提高,目前對(duì)芳綸及其復(fù)合材料性能的進(jìn)一步增強(qiáng)及新型芳綸復(fù)合材料的制備還有待繼續(xù)開發(fā),以滿足其在高韌性、高強(qiáng)度體育器械中的應(yīng)用。

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