新型高科技合成纤维性能优势及其对泛运动领域影响分析

2021-04-27张玉波王利娟

粘接 2021年7期

张玉波王利娟

摘要：竞技类体育活动中，运动员为实现更高、更快、更强的目标，不仅需要提升自身运动技能水平，还要通过先进性科技产品对运动设备进行改进与强化。合成纤维作为有机高分子化合物，具备良好强度、弹性、耐磨性、耐腐蚀性等性能特征，基于此，高科技合成纤维在运动领域得到广泛应用。文章首先对合成纤维材料优势性能进行概述，之后对纤维材料、基体树脂的应用特征展开具体说明，最后阐述合成纤维在泛运动领域中不同器材的实际应用。

关键词：合成纤维;力学性能;基体树脂;运动器材;复合材料

中图分类号：TQ342 文献标识码：A 文章编号：1001-5922（2021）07-0054-04

Analysis on the Performance Advantage of New High-tech Synthetic Fiber and Its Influence on the Field of Pan-sports

Zhang Yubo1， Wang Lijuan2

（1.Yangling Vocational & Technical College， Yangling 712100， China;

2.Sports Department of Hebei Vocational College of Political Science and Law， Shijiazhuang 050061， China）

Abstract：The effects of microstructure， high temperature environment and low temperature environment on rheological properties of crumb rubber modified asphalt， SBS modified asphalt and mixed modified asphalt were studied. The test results show that rubber powder modified asphalt and SBS modifier have good coMPatibility with asphalt， but the interfacial adhesion between rubber powder modified asphalt and stone is higher than SBS modified asphalt. DSR test shows that rubber powder modified asphalt has low temperature crack resistance and high temperature deformation resistance. In conclusion， the research on rheological properties of mixed modified asphalt aims to provide effective technical support for the research and development of new high-performance asphalt in China.

Key words：synthetic fiber; Mechanical properties; Matrix resin; Sports equipment; Composite materials

0 引言

当代人民群众生活质量与以往相比得到明显改善，对于参加体育运动的态度与观念都发生一定程度的转变。同时，竞技体育发展方向也指向更加科学先进的训练规划与器材制备，这使运动器材制备及相关材料研发受到鼓舞。由于合成纤维本身具备质量轻、强度高、易加工、耐冲击等优势特征，通过计量配比、性能增强等方法，合成纤维的质轻与强度甚至可以优于合金、塑料等材料。在泛运动领域中，玻璃纤维、碳纤维、芳纶等高性能纤维材料得到广泛应用。基于此，从合成纤维、树脂基复合材料出发，对其性能及运动领域应用影响展开分析。

1 合成纤维材料性能优势

1.1 质轻

大部分体育设施是以人力为驱动进行运动的。因此，運动项目通常会对器材的质量提出要求，例如网球拍、自行车、皮划艇、跳高撑杆等，都需要所使用的的器材具备质轻的特点。此外，尽管部分体育器材的驱动来源是机械或其他动力，在其他条件一致的情况下，质轻的运动设备更具竞争优势，例如赛车、帆船、摩托艇等项目。合成纤维材料在这些项目中的应用具有不可替代的作用。例如，通过碳纤维复合材料制备出的高尔夫球杆，在碳纤维布卷带成型法的基础上，能够比传统杆体轻30%～50%，同时，新型高尔夫球杆的力学性能还要比传统金属球杆高[1]。

1.2 力学性能高

在体育器材制备过程中，尤其需要注意材料的力学性能，例如强度、韧性、弹性等。合成纤维不仅具备更高的强度，还具备更加突出的弹性模量，这些因素均表明合成纤维材料非常适用于体育器材的制备。此外，合成材料还具备良好的阻尼减震性，这同样是其成为体育器材制备原料的重要原因之一。常见体育用材的力学性能如表1所示。

1.3 易设计加工

传统材料制备出的体育设备受到材料自身特性的限制，缺少一定的可设计性，且一旦发生器材损坏，则不易进行维修，而合成纤维材料加工技术的不断发展，强化了体育器材设计方面的自由度，不同应用特征的产品都能具备多样化的成型方案。因此，合成纤维材料能够结合不同应用情况，进行个性化设计，这也是传统加工材料难以做到的[2]。

1.4 其他方面

设计开发体育器材时，必须保证器材的卫生性与性价比均在规定范围内。卫生性要求器材在应用过程中不会传播有毒、有害气体及化学元素，确保运动员在使用过程中具备良好体验感与舒适性;运动器材的性价比是设计与开发过程中需要明确的原则，在高级别赛事活动中，可以使用性能好，但价格偏高的产品，而此类产品则难以在普通消费群体中获得较大市场。合成纤维材料通常具备较好的卫生性，且制备复合材料的成本通常较低，降低了加工与生产资金投入，有助于新型体育器材的普及与推广。

2 增强用合成纤维材料、织物结构及基体树脂

合成纤维与织物结构中的主要材料包括玻璃纤维、聚乙烯纤维、维尼纶纤维等。上述材料均可以通过加工制成布、带、短切原丝等形态。为确保对增强效果、生产成本等因素的有效控制，通常会将两種或两种以上纤维进行合成混杂[3]。

2.1 无机纤维

2.1.1 玻璃纤维

玻璃纤维材料属于开发时间较早、应用范围较广的合成材料，此材料具备良好的耐热性、耐腐蚀性、机械强度高的特征，且玻璃纤维的抗拉伸性性非常强，在常规状态下，拉伸强度为6.3～6.9g/d，湿润状态下的拉伸强度为5.4～5.8g/d，密度为2.4～2.76g/cm3。

2.1.2 碳纤维

碳纤维通过碳元素构成，属于特种纤维，其具备良好的耐摩擦、耐腐蚀、耐高温的特性，其外部表征呈现出柔软纤维状，能够制备成多种织物，广泛应用于运动领域。同时，由于石墨未经结构沿纤维轴择优取向，所以碳纤维材料具备较高模量与强度[4]。

2.1.3 硼纤维

硼纤维属于通过金属丝上沉积硼而生成的高强高模纤维，能够对金属或树脂进行强化。硼纤维具备高强度特性，在常规室温环境下，断裂强度达到了2744～3430MPa;硼纤维同样具备较高弹性模量，达到了392000～411600MPa。作为增强效果较好的材料，硼纤维能够与陶瓷、金属以及塑料进行复合制备。

2.1.4 碳化硅纤维

碳化硅纤维具备较强拉伸性、耐热性、高模量的特性，此材料的最高使用温度达到了1200℃，与碳纤维相比，碳化硅纤维具备耐热性与耐氧化性更强，强度在1960～4410MPa之间，即时在最高使用温度下，材料的强度保持率依旧超过了80%，模量达到了176.4～294GPa。作为增强材料，能够与碳纤维、玻璃纤维复合加工，对金属、陶瓷进行加强，用于体育用品的生产与制备中[5]。

2.2 高强高模合成纤维

2.2.1 芳香族聚酰胺纤维

芳香族聚酰胺纤维，即芳纶，将芳香族与经缩聚纺丝进行复合制备而得出的合成纤维。此纤维具备的耐热性、高模量、高强度以及低密度的特征，能够与树脂产生较好的粘结效果，从而制备出长丝、粗砂、织物等材料。芳纶的弹性模量与拉伸强度比玻璃纤维、碳纤维更高，弹性模量是玻璃纤维的2倍。但是，其耐光性较差，在一年的暴晒环境下，其强度会下降约50%。因此，芳纶纤维需要增添耐光剂进行合成制备。

2.2.2 聚乙烯纤维

聚乙烯纤维由高密度聚乙烯制备而成，结晶度超过85%，其熔融温度达到了124～138℃。需要注意的是，聚乙烯纤维包括托普通型与高强高模型。普通型聚乙烯纤维的强度为4.4～7.9cN/dtex，断裂伸长率为8%～35%;而高强高模聚乙烯是以超高分子量聚乙烯为基础，采用超拉伸法或凝胶纺丝法进行制备的，产品主要应用于防切割物、缆绳等方面。

2.2.3 混杂纤维

混杂纤维表示的是两种短纤维混杂或两种长丝单向混杂，之后将复合纤维与树脂基体结合。混杂纤维中的包芯复合纱的组成类型较为多样，例如玻璃纤维/聚酯纤维、碳纤维/液晶聚合物纤维等。此外，混杂合成纤维还具备个性化、特殊化的使用性能，能够应用于多种生产加工项目中[6]。

2.3 增强用织物结构

合成纤维增强材料不仅可以应用于短纤维及长丝束中，还能够采用织物成型的方法进行不同你那个结构织物的制备，这种预成型体构件，没有单一化纤维所具备的缠结、剪切效应等不足，能够参照合成纤维材料最终的生产设计需求，支撑差异化结构与形态美丽如机织物、编织物、多层织物等，通过这样的纺织结构材料不需要进行重复加工，可以实现异形结构的一次成型。

2.4 基体树脂

基体树脂以不饱和树脂为主，但是近年来，在体育领域的器材设计与研发中，环氧树脂的应用出现持续增长。

首先，是不饱和树脂，其固化后将会转变为坚韧的固体，不具备良好的耐光性，但是有较好的力学性能、耐腐蚀性、拉伸性以及电气性，能够和诸多增强纤维进行合成，且生产成本较低。

其次，是环氧树脂，环氧树脂具备良好的耐碱性、耐热性、耐化学品性的优势特征，且能够对金属产生较强的附着力。而环氧树脂所具备的脆性则可以通过引入增韧剂进行改善，达成更优质的使用效果。

最后，是热塑性树脂，目前，在合成纤维体育器材的制备中，热塑性树脂的应用范围越来越广，例如尼龙、橡胶、聚碳酸酯等[7]。

3 合成纤维增强材料在运动领域中的应用

运动领域涉及的器材类型较多，对常见合成增强复合材料在运动器材设施中的应用进行概括，具体内容如表2所示。下文还将对几项产品进行全面介绍。

3.1 滑雪板

在滑雪项目中，运动员所使用的滑雪器材直接决定了其比赛成绩及自身安全，而滑雪板的构造与材料选择均相对复杂。一直以来人们最为关注的就是滑雪板的轻量化、回转特征、减振性能以及耐损耗性能。通过将玻璃纤维与碳纤维引入滑雪板的制造中，有效改进了滑雪板的性能。滑雪板由材料类型划分可以分为木质滑雪板、金属滑雪板以及合成纤维滑雪板。木质滑雪板的特征是性价比高且质轻，缺点是易受潮、易变形;以铝合金为代表的金属滑雪板的特征是价格高、耐损耗，缺点是适应性较差，对应用场地的环境条件要求较高;而合成纤维滑雪板不仅能够满足多种雪地条件，其维护程序还相对简单。当前合成纤维滑雪板的市场中，加芯复合材料的性能最佳。通常情况下，此类合成纤维滑雪板的芯是木材、聚氯乙烯、聚氨酯等，这些材料也为滑雪板提供弹性来源[8]。

3.2 高尔夫球杆

碳纤维合成材料制备而成的高尔夫棒头比传统木质棒头重一倍左右，有效提升击球的初速度。且由于碳纤维材料的可设计性较强，所以置球点的位置范围更广。此外，还能够研制出中空棒头，提高球的飞行速度，保证球的稳定性。为与球的飞行距离进行匹配，还需要对其轻量、负荷、尺寸等方面进行改善。通过碳纤维复合材料制备而成的高尔夫球杆密度更小、强度更高、更耐冲击，能够向运动员提供足够的挥杆力量。不同材料制备成的球杆应用效果如表3所示。

3.3 自行車

自行车不仅广泛应用于日常的交通与运输活动中，同时还具备健身、竞赛等多项功能。高科技合成纤维材料在自行车领域的应用如表4所示。

合成纤维在自行车领域制备与研发的工作基本可以分为两个方向：①通过热固性树脂基合成材料来控制自行车的重量，提高车体自身的附加值，用树脂基合成材料代替赛车级与高档级自行车的车架、车轮等元件;②通过热塑性合成材料进行儿童自行车、轻量化自行车以及微型自行车的部件制备。目前，通常会采取树脂传递模塑工艺进行批量生产，其相应的自行车加工流程如图1所示[9]。

3.4 网球拍

目前，碳纤维合成材料已经广泛应用于中、高档网球拍的生产制备中。由碳纤维合成材料制成的网球拍具有更强的减震吸能效果，且设计自由度高。首先，碳纤维合成材料能够应用于大型网球拍的制作，与传统木质网球拍相比较，两种网球拍若重量相同，则合成材料网球拍的球拍面积可增大1.25～1.5倍，且合成材料网线张力与传统球拍相比提升20%～45%。考虑到球拍框架面积有所增加，就必须采用轻质、比模大的碳纤维合成材料进行加工制备，确保球拍在击球时不会出现变形问题;其次，碳纤维合成材料在网球拍的制备中能够起到良好的减震阻尼效果，击球时不易起振。球拍吸能与减振功能的叠加，进一步提升了网球与球拍的接触时间，增大网球的初速度，给使用者提供更加舒适的运动体验;最后，碳纤维合成材料在网球拍的制备中，具有更大的设计自由度，同时，在设计研发网球拍时，需要注意拍框的纵向弯曲刚度、减振吸能特性、比强度以及比模量[10]。

4 结语

新型高科技合成纤维材料及其制品在泛运动领域已经扩展出较大的市场。高科技合成纤维想要实现体育设备市场需求的扩大，需要坚持以特色纤维为主要支撑，创建多元化、系列化、差别化特征的制造形式。同时，大力开发多种高性能纤维材料，全面推进高科技合成纤维在运动领域的开发与应用。

参考文献

[1]田光亮，张文馨，靳向煜，等.非织造材料用纤维的研究进展及发展趋势[J].产业用纺织品，2019，37（09）：1-6.

[2]崔丙刚，宋晓芬.聚乙烯在体育器材领域的应用研究进展[J].合成树脂及塑料，2019，36（04）：102-105.

[3]陈龙，李增俊，潘丹.聚丙烯纤维产业现状及发展思考[J].产业用纺织品，2019，37（07）：12-17+35.

[4]江伟.塑料复合材料在体育设施和健身器材中的应用[J].塑料工业，2019，47（01）：152-155.

[5]唐进单，程浩南.纺织材料在体育运动领域的应用及发展[J].产业用纺织品，2018，36（12）：1-4.

[6]杨洁，吴宁，李帅，等.织造中碳纤维束间的摩擦磨损试验模拟[J].摩擦学学报，2019，39（01）：90-98.

[7]姜斌.聚氨酯在体育防护用品领域的应用[J].合成树脂及塑料，2018，35（05）：96-99.

[8]刘波.纤维增强树脂复合材料在运动器材中的应用[J].塑料科技，2017，45（12）：66-69.

[9]于辛，周杰，黄庆，等.合成纤维熔纺柔性化技术的开发与应用[J].纺织导报，2017（04）：44-48.