1、58塑料助剂2023年第3 期（总第159 期）芳纶及其复合材料在体育运动中的应用庞晓华（陕西国际商贸学院体育部，西安7 12 0 4 6）摘要：芳纶及其复合材料是利用高科技合成的新型材料，具有良好的耐高温性能、耐摩擦性能，以及高模量、高强度，将其用于体育运动设备或器械中能够使运动员获得舒适的运动体验，在竞技比赛中取得更好的成绩。基于相关研究探究芳纶及其复合材料的制备工艺与成型工艺，了解各类芳纶及复合材料的特点，探究这些材料在体育运动中的具体应用与运用优势。芳纶及其复合材料在体育运动设备、防具、器械中表现出良好的抗冲击性能、耐腐蚀性能等，具有帮助体育爱好者提升运动成绩与舒适度的优势。芳纶及其复
2、合材料性能优异，产业规模不断扩大，要加强其在体育等下游领域的开发和应用，为体育事业发展提供助力。关键词：芳纶；复合材料；体育运动doi:10.3969/j.issn.1671-6294.2023.02.0014Application of Aramid and Its Composite Materials in the Sports FieldPang Xiaohua(Physical Education Department of Shaanxi Institute of International Trade&Commerce,Xian,Shaanxi 712046,China)Abst
3、ract:Aramid and its composite materials synthesized using high-tech technology have good high-temperature resistance,friction resistance,high modulus,and high strength.When used in sports equipment orapparatus,they can help athletes achieve more comfortable sports experiences and better results in c
4、ompetitivecompetitions.Based on relevant research,we explore the preparation and molding processes of aramid and itscomposite materials,understand the characteristics of various aramid and composite materials,and explore thespecific applications and advantages of these materials in sports.Aramid and
5、 its composite materials exhibitexcellent impact resistance,corrosion resistance,and other advantages in sports equipment,armor,and apparatus,helping sports enthusiasts improve their performance and comfort.Aramid and its composite materials haveexcellent performance,and the industrial scale is cons
6、tantly expanding.It is necessary to strengthen theirdevelopment and application in downstream fields such as sports to provide assistance for the development ofsports.Keywords:aramid;composite material;sports芳纶（aramidfiber）是聚苯二甲酰对苯二胺收稿日期：2 0 2 3-0 5-2 9的简称，芳香族聚酰胺的代表性物质，这类材料密度较低，具有很高的拉伸模量和强度，优异的减震、耐冲
7、击、耐腐蚀、耐疲劳性能，在体育、59庞晓华：芳纶及其复运动中的应用航空、军事等领域应用较为广泛。芳纶材料分子链主要由酰胺基与苯环有规律地排列构成，分子链中的酰胺基团采取直接键合的形式连接在苯环上，赋予了芳纶纤维良好的结晶性。为进一步提升芳纶纤维的综合性能，拓宽其应用范围，通常将其与其他树脂类材料进行复合，使其能够在充分发挥自身性能优势的同时，提升复合材料的刚性、强度与抗老化性能。总而言之，芳纶及其复合材料具有良好的可设计性和加工成型性能，根据体育运动项目需求，可以灵活调整芳纶及其复合材料的比例或种类，获得性能各异的新材料，以此满足体育设备或器械的特殊使用要求，弥补木材或金属在体育运动领域应用的
8、缺陷，推动体育事业向更高水平、更高层次发展。1芳纶及其复合材料的制备工艺芳纶纤维性能优异，其分子结构中含有的酰胺键（一CONH一）不少于8 5%，从对位芳纶（poly-P-phenyleneterephthamide，PPT A）的化学结构（图1）可知其分子链主链主要为共价键，其键能相对较高，可以赋予芳纶及其复合材料高强度，分子结构中的苯环分离了酰胺基团，形成了元-元共轭效应，使得芳纶结构表现出平面结构，可制得结晶度相对较高，且完整性较好的芳纶纤维 2 。现阶段根据不同制备方法可以直接得到结构各异的芳纶，拓宽了芳纶及其复合材料的应用范围。HH00*N-NCC*Jn图1PPTA的分子结构Fig.
9、1Molecular structure of PPTA1.1对位芳纶及相关材料对位芳纶（芳纶14 14）具有良好的热稳定性和超高拉伸模量与强度，能够合成质量轻便、强度极高的复合材料，用于制作面料或绳缆等，能够极大提升运动的安全性。对位芳纶由酰胺基和苯环采取特殊规律排列形成，其结构十分规则。芳纶14 14 具有刚性结构，是现代工业、军事领域常用的高强度、高模量、耐高温特种纤维，其改性材料与复合材料应用也十分广泛。梁园等 3 通过液晶纺丝技术，基于干喷一湿纺的方式制备对位芳纶，分析了芳纶纤维初生过程中凝固浴温度、空气层高度等对纤维性能的影响。实验结果显示，特定参数下制得的芳纶纤维具有良好的外观和
10、力学性能，对国产芳纶技术提升具有重要作用。此外，芳纶14 14 还可用于聚合物改性，将其掺杂到其他聚合物中，利用高速捣碎机持续搅拌，使得芳纶14 14 纤维充分分散在其他聚合物中，然后将混合材料在高温环境中压制、冷却，可以制造出抗冲击性能和拉伸性能更优异的对位芳纶复合材料。1.2间位芳纶及相关材料间位芳纶（poly-m-phenylene isophthalamide,PMTA）材料分子结构酰胺基与苯基间位相连，使其呈现出锯齿状结构，同时，间位芳纶分子中共价键间没有共轭效应，使得间位芳纶纤维具有优异的热稳定性、机械性能与力学性能。间位芳纶纤维材料结晶结构中，氢键以格子状排列在晶体两平面，由于结
11、构中氢键作用力非常强，因此间位芳纶纤维结构极为稳定，且具有优异的阻燃性和耐热性，被广泛应用于生活、生产、体育运动领域。刘玉峰等 4 将间苯二甲酰氯和间苯二胺作为单体材料，基于低温溶液缩聚法得到纺丝原液，并利用工程化干湿法工艺制备间位芳纶纤维，探究了合成材料的综合性能与结构，并将其与市面产品进行对比。实验结果显示，通过干湿工艺纺丝制得的间位芳纶纤维表面较为光滑、性能优异，微观结构完善，将其用于规模化工业生产，有助于提升间位芳纶材料品质。1.3杂环芳纶及相关材料杂环芳纶主要由对苯二甲酰胺、对苯二胺及含有杂环的二胺等缩聚制成，属于拥有杂环结构的三元共聚纤维。杂环芳纶分子结构中的杂环使得材料具有极高的
12、模量和强度，以及优异的耐冲击、透波、耐高温及耐磨损性能，可作为替代传统芳纶纤维的材料。与其他材料相比，杂环结构芳纶材料与树脂等材料复合更容易，且复合材料性能更佳。现阶段，杂环芳纶纤维应用已经十分602023年第3 期（总第159 期）塑料助剂广泛，能够促进器械或设备隐身化、小型化、轻量化，且能够有效增强其防护性能，是替代传统体育器械材料的潜在材料。陈敏剑等 5 对不同纤度织物、树脂基材、纤维增强方式的杂环芳纶复合材料力学性能进行测试，发现环氧树脂基材制成的杂环复合材料层间剪切强度最高，相关力学数据稳定性最佳，氰酸酯基材制成的杂环芳纶复合材料拉伸强度最高。2芳纶及其复合材料应用于体育运动的优势当
13、前，应用于体育领域运动器材或设备的高性能纤维材料主要包括芳纶、碳纤维、玻璃纤维及其复合材料。其中碳纤维、玻璃纤维及其复合材料产量非常高，成本低廉，性能优异，相关技术已经相对成熟，实现了国产化，在体育运动领域的应用比较普遍。但芳纶及其复合材料成本相对较高，国内相关工艺起步迟，应用于体育领域时间较晚，但其具备其他材料难以比拟的优势，可有效提升体育设备或器械的综合性能，为体育运动助力。2.1质量轻便通常情况下，质量轻便的体育器械能够帮助运动员取得更优异的竞技成绩，获得更舒适的运动体验。因此，许多运动设备和器械生产企业会选择质量较为轻便的木料作为原材料，但木材延展性较差，力学性能一般，导致体育器材使用
14、寿命较短。随着金属材料力学性能研究的深人与成型技术的发展，其逐渐替代木材成为体育器械常用材料，但金属密度相对较高，导致器械整体质量增加，并不是理想的原材料。现如今，高性能纤维材料迅速发展，芳纶及其复合材料凭借优异的性能与外观，在体育设备中得到了越来越普遍的应用。与铝合金相比，芳纶纤维的密度要低得多，碳纤维材料密度介于1.7 6 1.8 0 g/cm，芳纶密度比碳纤维更低(6 。因此，同类体育运动防具、设备、器械制作中，密度小、质量轻便的芳纶及其复合材料更具优势2.2力学性能优异体育运动的开展首先需要保障运动员竞技或训练过程的安全性，因此制造设备或器械的原材料需要具备较高的比模量和比强度。纤维类
15、材料及其复合材料与普通材料相比刚性和强度更佳。比较以环氧树脂为基材，与硼纤维、芳纶、玻璃纤维、高模量碳纤维制得的复合材料，发现其比强度和比模量都很高，其中芳纶纤维复合材料比强度最高，比模量中等，但其0 拉伸性能远高于碳纤维及玻璃纤维材料，将芳纶纤维与其他材料复合，能够形成混杂效应，增强材料的综合力学性能，以此满足体育运动对于器械或设备的特殊要求7 2.3阻尼性能良好对于部分体育项目而言，需要借助阻尼性能良好的材料制作器械，才可以帮助运动员获得更好的竞技成绩。与金属材料相比，芳纶纤维及其复合材料的阻尼减震性能更佳。将芳纶纤维和玻璃纤维制成复合材料，随着玻璃纤维含量的增加，复合材料的阻尼性能得到明
16、显提升；而碳纤维与芳纶纤维复合，随着碳纤维含量的增加，复合材料的阻尼性能明显降低。因此，了解高性能纤维混杂效应基本规律后，通过合理调整混杂纤维比例，能够制造出符合体育运动阻尼需求的复合纤维材料，提升运动器材的综合性能。段宇星等 8 将苯基硅橡胶和芳纶纤维作为原材料，制备复合阻尼材料，探究了芳纶纤维含量、长度、处理方式对复合材料阻尼性能与力学性能的影响。实验结果显示，芳纶纤维长度对复合材料的弹性模量影响不明显，与芳纶纤维含量成正比关系；随着复合材料中芳纶纤维含量的增加，其阻尼性能得到明显提升。2.4易于加工成型芳纶纤维具有良好的加工成型性能，可以与多种纤维、树脂融合混杂，形成新的复合材料，具有极
17、强的可设计性。部分体育器械对于材料性能要求特殊，仅需要调整复合材料中各成分的比例，或选择合适的加工成型工艺，即可满足器材性能需求。此外，现代社会对于材料的环保性与安全性要求提升，倘若体育运动设备加工过程污染严重，或原材料为有毒有害物质，则会对人体促环境保护进倡导低碳61庞晓华：芳纶及其复合运动中的应用造成潜在伤害。芳纶纤维耐磨性良好，强度高，具有极高的稳定性，将其作为石棉纤维等的替代材料，能够提升器材或防具的安全性，避免这类材料对人体造成伤害。3芳纶及其复合材料在体育运动中的具体应用芳纶纤维及其复合材料比强度、比模量超高，质量轻便、力学性能优异，在体育运动领域应用十分广泛，在提升竞技比赛成绩、
18、提高运动员运动舒适度等方面具有极大优势。3.1在体育防护设备或设施中的应用体育竞赛或训练活动中难免存在一些危险系数较高的动作，需要借助专业防护用具或设施对运动员进行保护，尤其是在滑雪、赛车等冲击力较大、速度较快的运动中，强度高、韧性好的体育专业防护设备能够最大限度减轻外力对运动员的伤害，确保体育运动或竞赛安全、顺利完成。芳纶纤维及其复合材料具有良好的透气性和减震性能，且质量轻便，以其为基础材料制作的防护设备不仅防护性能优异，而且不会给运动员带来额外负担，有助于运动员突破自我，获得更好的运动成绩。3.2在球类运动中的应用球类运动大多需要专业球拍，这类球拍以橡胶、木材为主要原料，但通过长期实践发现
19、，这些材料在反弹力度、控球效果等方面与理想状态存在较大差距。芳纶及其复合材料制作的网球或乒乓球拍可以满足人们对球拍强度、反弹效果、力度等的需求，与市场上较为常见的碳纤维球拍相比，添加了芳纶纤维的球拍减震吸能效果、抗冲击性能更佳，且整体质量更加轻便，受到球类运动者的一致好评。3.3在水上及冰雪板类运动器材中的应用当前，芳纶及其复合材料在帆板、冲浪板、滑雪板等方面应用较多。以滑雪板为例，性能优异、质量上乘的滑雪板能够降低事故发生率。芳纶复合材料制成的滑雪板强度高，足够承载运动员质量，且其自身质量较轻，能够降低运动员体力的消耗，满足滑雪运动对于材料阻尼、减震性能、强度、耐磨性等多方面的要求，帮助运动
20、员稳定、轻松、快速地向前滑行。随着国家对体育事业重视程度的提升，体育器材、设备等为高性能纤维材料的发展提供了条件，成为推动纤维工艺和产业发展的重要动力。近年来，国产芳纶纤维快速发展，其耐高温性能、强度、模量、稳定性等不断增强，逐渐成为体育运动器械原材料首选，推动了多种体育运动项目的高质量发展。为进一步提升体育运动器材的耐用性、安全性和舒适性，相关企业应继续开发力学性能优异、强度高、韧性好的芳纶及其复合材料，促进体育事业高速发展。参考文献1】李仲平,冯志海,徐探华,等.我国高性能纤维及其复合材料发展战略研究 J.中国工程科学,2 0 2 0,2 2(5):2 8-3 6.2陈健，贾峰峰，谢播，等
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