体育器材中芳纶及复合材料的实践运用研究

王旭东

( 陕西中医药大学, 陕西咸阳 712046)

我国对于芳纶的研究起步较晚，于20 世纪70、80年代期间完成了芳纶1313 与1414 的鉴定，并在2004年实现了芳纶1313 的工业化生产，通过扩建工程，其总产能目前仅次于杜邦公司，成为了全球第二大芳纶制造供应商。芳纶具备其自身独特优势，尤其是阻燃性能，使其得以在防护领域中广泛应用，且需求以每年约30%的速度快速增长[1]。而芳纶等纺织复合材料具备密度小、抗震性能强大、自由设计程度较高、加工操作便捷、节能环保等优势特性，所以在体育器材中实现了普遍应用，且在市场上，此材料相关体育器材也深受欢迎。

1 芳纶及复合材料性能分析

1.1 芳纶性能分析

芳纶1414 是聚对苯二甲酰对苯二胺纤维，其大分子结构排列紧密，具备高结晶度、高取向度、高强高模、耐高温、耐腐蚀等优势特征，属于优质高性能纤维，可切实应用在复合材料制造中[2]。低温溶液缩聚法合成芳纶聚合物是目前成熟度最高的工艺，具体制备方法即基于低温溶液缩聚对苯二胺与对苯二甲酰氯，以获取芳纶聚合物，并将其溶解于浓硫酸，从而以干喷湿纺法制备成芳纶纤维。

芳纶1313 是聚间苯二甲酰间苯二胺纤维，阻燃性、耐高温性、化学稳定性良好，是现阶段耐高温纤维中应用最为广泛的阻燃纤维[3]。芳纶1313 合成是基于低温缩聚苯二甲酰氯与甲苯二胺聚合生成的，可通过干法纺丝、湿法纺丝、干喷湿纺法制成。

芳纶即将5(6)- 胺基-2-(4- 胺基苯基) 苯并咪唑引进芳纶聚合物大分子链以共缩聚，且优化纤维成型加工工艺，以此获取附带杂环结构的三元共聚聚酰胺纤维。芳纶树脂即将第三单元体M3 引进缩聚反应，局部替代对苯二胺与对苯二甲酰氯于低温溶液缩聚反应中获取三元共聚物，并在聚合反应过程中添加强极性的溶剂N,N- 二甲基乙酰胺、氧化锂，具体生产工艺流程[4]如图1 所示。

图1 芳纶生产工艺流程Fig.1 Technological process of aramid fiber production

芳纶树脂原液通过纺丝与热处理生成芳纶，其不仅高强高模，耐酸耐碱、耐腐蚀，还超强耐高温、电绝缘，可应用在高强、耐高温构件生产制造中。

1.2 芳纶复合材料性能分析

芳纶复合材料以其比刚度、耐冲击性、抗电磁性等优势特性，在体育器材领域倍受青睐[5]。芳纶复合材料是基于芳纶纤维为增强相，树脂为基体的复合材料，其纤维铺层以芳纶纤维平纹编织而成的。其中芳纶纤维的性能具体见表1。

表1 芳纶纤维性能Table 1 Performance of aramid fiber

芳纶复合材料以树脂为基体，负责固定纤维。不同于芳纶纤维，树脂材料脆性更大，拉压特性也相对较差，在复合材料中不属于主要承受载荷材料。树脂基体属于各向同性材料，在与芳纶纤维共同构成复合材料时，由于性质不同，所以有序组合生成的复合材料属于各向异性材料[6]。树脂基体材料性能具体见表2。

表2 树脂材料性能Table 2 Material properties of epoxy resin

芳纶复合材料通常是基于每层芳纶纤维与树脂层铺构成，就芳纶纤维方向可将其划分为单向与多向纤维复合材料。其中单向即层铺复合材料的各层芳纶纤维铺设方向相一致，而多向即层铺复合材料的纤维丝存在多个不同铺设方向。层铺的芳纶复合材料以其结构特性促使其具备一定的多向异性，且基于芳纶纤维超强特性促使芳纶复合材料具备良好的机械性能与力学性能。芳纶复合材料性能具体见表3。

表3 芳纶复合材料性能Table 3 Performance of aramid composite

由表3 可以看出，相同芳纶纤维采取不同层铺方式构成的芳纶复合材料性能存在显著差异，单向芳纶复合材料不同层铺方向上的性能差异明显，其中横向材料性能相对较弱；多向芳纶复合材料并不存在横纵不同向差异。因此，芳纶复合材料具有轻质、高强、韧性好等优势特性。

2 基于体育器材的芳纶及复合材料实践应用分析

2.1 芳纶及复合材料在防护设施中的应用

体育锻炼或者竞技的开展需要以强有力的防护设施为基础，特别是抗击性运动，即拳击与击剑等体育运动，完善的防护设施是其顺利安全进行的重要条件[7]。传统防护设施制备主要以橡胶与皮革材料为主，但是在时代与科技推动下，传统防护设施由于体积与重量过大，且透气性差等不足备受诟病。尤其是高强度体育竞赛中，传统防护设施装备舒适性与防护性较差，在很大程度上影响了体育运动员真实水平的有效发挥，甚至还会威胁到运动员的生命安全。而利用芳纶及复合材料生产加工体育锻炼或竞技用防护设施，其透气性与防震性较好。且基于材料高强度与低密度优势，防护设施更能够满足专业水平运动员的体育运动需求。特别是赛车运动与冰雪运动中，芳纶及复合材料加工制成的防护设施等可高效应对在运动过程中发生的强大冲击与撞击，可切实保护运动事故发生时运动员的人身安全。

2.2 芳纶及复合材料在乒乓球拍中的应用

以往乒乓球拍一般都是利用木质胶合板进行制作，其重量过大，反弹性较差[8]。而利用芳纶及复合材料加工制造的特种纤维底板可有效弥补以往球拍的缺陷，且在击球动作时，基于材料自身强大的刚性，可确保运动员击打出球的反弹力更大，速度也更快。此外，在乒乓球拍生产中应用芳纶及复合材料，可优化球拍阻尼防震性能，保障运动员清晰利落的发球手感体验。

2.3 芳纶及复合材料在网球拍中的应用

目前市场上最常见的网球拍多数都是通过碳纤维复合材料制造的，其延展性好，可塑性强，减震性能优异，且类型也多元化。但是芳纶及复合材料虽延展性相对较差，可密度偏小，减震吸能性能较优，抗冲击性强大，经济性良好，相比更具优势。

2.4 芳纶及复合材料在运动帆板中的应用

在体育运动中帆板运动的起步较晚，发展时间比较短，尚不成熟，但是在很多发达国家已经举办了各式各样的世界级比赛[9]。芳纶及复合材料大多应用于帆板船板体，主要基于手动糊或者层压等工艺手段，融合芳纶及复合材料与帆船板体。以此工艺加工制成的帆板船板体可实现轻量化设计，可抵抗海水腐蚀，可长期不变形。此外，芳纶及复合材料还会局部应用在帆板船的拉帆索与角索加工中，制成的帆板器材实用效果良好，已实现了在许多专业帆板竞技中的广泛应用。

2.5 芳纶及复合材料在高端自行车中的应用

自行车特别是体育运动用高端自行车已由单一交通工具逐步发展成了具备健身与竞技功能的综合型体育器材。高端自行车一般都是大范围使用纤维材料加工制造，轻质高强。而芳纶及复合材料通常应用于自行车链条加工中，其具备高载荷与高延展性等多项优势，可在很大程度上减少运动员骑行时的力量消耗，提高运动员的最终成绩。

2.6 芳纶及复合材料在比赛用艇中的应用

起初我国所用赛艇都是由国外进口，随后才研发了特种纤维蜂窝结构赛艇，相对于木质赛艇与玻璃钢赛艇，其刚性与韧性较高，轻质高强，耐冲击、耐蠕变、耐高温、耐腐蚀，使用寿命较长，与国际赛艇联合会规定的体育竞技赛艇标准相符，以此便代替了进口赛艇[10]。但是纤维复合材料制造的赛艇无法达到综合要求，在此基础上便提出了芳纶及复合材料赛艇，其不仅具备纤维蜂窝结构赛艇的优势特征，且力学性能良好，使用效果较好。

2.7 芳纶及复合材料在滑雪板中的应用

在专业滑雪运动项目中，通常分为下坡滑雪与越野滑雪两种类型。下坡滑雪运动除了需要滑雪板具备质轻、高强特征，还需要其在应对运动中的弯曲与扭转振动具备强有力的控制能力，即滑雪板制成材料的阻尼性能良好。越野滑雪运动也明确要求滑雪板具备质轻、高强特征，还需要其具备优异的耐磨性与吸振性。而芳纶及复合材料可完全满足滑雪运动用滑雪板的标准化要求，可助于运动员在滑雪竞技或者角度滑行时，以轻松自在、稳定牢固的状态顺利安全完成。而且芳纶及复合材料可长久使用，这便在一定程度上降低了滑雪运动的综合成本。

2.8 芳纶及复合材料在运动绳索中的应用

芳纶及复合材料在运动绳索中的应用十分普遍，其自身具备高强度、耐磨性、耐腐蚀性等优势特征，利用芳纶及复合材料加工制造的划水绳索、帆船角绳索、登山绳索、速降绳索等拉力大且抗风。目前，国际上许多企业都已开始着手将基于芳纶及复合材料制造的运动绳索应用于体育器材、船舶器材等多个领域。

3 结语

总而言之，在科学技术快速进步发展下，芳纶在生产制造中的困境被一一瓦解，其一些不良性能被逐步改善，价格随之降低，从而在多个领域实现了广泛应用。现阶段最关键的是强化芳纶材料的压缩强度，改善其耐紫外线照射性能，提高其与树脂界面之间的黏结性。此外，基于树脂基体的芳纶纤维复合材料可融合二者的双向优势，不仅能够呈现芳纶优势特征，还能够弥补其缺陷，所以芳纶复合材料也成为了当前体育器材用材料的重点研究内容。据此，本文通过详细分析芳纶及复合材料的性能，针对其在防护设施、乒乓球拍、网球拍、运动帆板、高端自行车、比赛用艇、滑雪板、运动绳索等领域的应用做了探究。