新型纖維材料及其制品在體育用品中的應(yīng)用

新型纖維材料及其制品在體育用品中的應(yīng)用

近年來(lái)，隨著健康生活方式的普及，人們?nèi)找嬖鲩L(zhǎng)的對(duì)健康身體的需求顯著增加，尤其是專項(xiàng)比賽的快速發(fā)展，為體育產(chǎn)品產(chǎn)業(yè)的可持續(xù)和快速發(fā)展奠定了堅(jiān)實(shí)的動(dòng)力。新型纖維材料的開(kāi)發(fā)和應(yīng)用也為體育產(chǎn)品產(chǎn)業(yè)的技術(shù)進(jìn)步和產(chǎn)品提升奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。作為人口大國(guó)和一個(gè)快速發(fā)展中的國(guó)家,體育產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展和對(duì)體育用品需求的持續(xù)增長(zhǎng),也為中國(guó)未來(lái)體育用品行業(yè)中新型纖維材料的應(yīng)用帶來(lái)了較大的發(fā)展空間。各類體育用品中的纖維材料應(yīng)從功能性、專業(yè)性、舒適性、安全性、健康性和環(huán)保性等方面進(jìn)行突破,以擴(kuò)大體育用品中新型纖維材料及其制品的應(yīng)用。1網(wǎng)球拍產(chǎn)量近7萬(wàn)支有專家預(yù)測(cè),到2013年,每年全球體育用品將消耗至少8kt碳纖維。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì),目前全球每年的高爾夫球棒的產(chǎn)量為5千萬(wàn)根左右,釣魚竿的產(chǎn)量每年約2千4百萬(wàn)根,網(wǎng)球拍的產(chǎn)量為每年6百萬(wàn)個(gè)左右,都大量使用碳纖維作為增強(qiáng)材料。其原因在于碳纖維的特殊性能能讓制造商控制產(chǎn)品的力學(xué)性能和動(dòng)態(tài)性能,而這是金屬等其他材料所不能達(dá)到的。如以碳纖維制得的增強(qiáng)復(fù)合材料,其比強(qiáng)度、比模量等綜合指標(biāo)在現(xiàn)有材料中是最高的。為了滿足重量輕、剛性大的要求,傳統(tǒng)的體育用品大多采用木材及其復(fù)合材料制得,但是碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料(CFRP)的力學(xué)性能要比木材好得多。因此,它在體育用品中得到了廣泛的運(yùn)用,特別是在如下應(yīng)用領(lǐng)域。1.1最大撤身份證距離由CFRP制成的釣魚竿比普通漁竿要輕得多,使其在撒竿時(shí)消耗能量少,而且撤竿距比后者遠(yuǎn)20%左右。CFRP釣魚竿剛性大,釣魚竿在彎曲之后能迅速?gòu)?fù)原,使其傳遞誘餌的感覺(jué)較為靈敏。用碳纖維增強(qiáng)塑料還可以制成漁具的卷軸,其質(zhì)量不超過(guò)l40g,但它的耐疲勞強(qiáng)度高、耐摩擦、使用壽命長(zhǎng)。1.2frp和方向?qū)Ω郀柗蚯驁?chǎng)的影響CFRP制成的網(wǎng)球拍輕而堅(jiān)、剛性大、應(yīng)變小,可降低球與球拍接觸時(shí)的偏離度;同時(shí),CFRP的阻尼性好,可延長(zhǎng)球的接觸時(shí)間,使網(wǎng)球獲得較大的加速度。例如,木制球拍的接觸時(shí)間為4.33ms,鋼制品球拍為4.09ms,CFRP球拍為4.66ms,相對(duì)應(yīng)的球的初速度則分別為1.38km/h、149.6km/h和157.4km/h。1.3毛球法CFRP制成的羽毛球拍重量輕、剛性大,避免了木制品因其剛性不足而造成的斷把現(xiàn)象,同時(shí)它還具有與上述網(wǎng)球拍一樣的優(yōu)點(diǎn)。1.4采用規(guī)則無(wú)裝備的車架用碳纖維長(zhǎng)絲復(fù)合材料制成的管材可用來(lái)制造比賽車或通用自行車的車架,其特點(diǎn)是重量輕,比鋼制架可減重50%左右,使自行車的總重量減輕15%。1.5滑雪板CFRP制造的滑雪板,其特點(diǎn)是剛性大、耐摩擦、質(zhì)量輕(一般在150g左右),在轉(zhuǎn)彎、斜坡和越野賽中腳底用力較小。2纖維制備技術(shù)Outlast纖維是一種新型“智能空調(diào)”腈綸,主要規(guī)格有2.2dtex、3.3dtex和5dtex,長(zhǎng)度為51mm、60~110mm不等,紡織原料可以是散纖或毛條。目前廣泛應(yīng)用于戶外服裝,如滑雪衫、滑雪褲、運(yùn)動(dòng)服等。Outlast的制備技術(shù)主要有兩種:(1)面料涂層,將含有Outlast技術(shù)的微膠囊(PCMS)涂于織物表面(見(jiàn)圖1右);(2)共混紡絲,將含有Outlast技術(shù)的PCMS植入腈綸內(nèi),此纖維可進(jìn)行紡紗(見(jiàn)圖1左)。Outlast纖維溫度調(diào)節(jié)原理見(jiàn)圖2。由Outlast纖維制成的服裝,由于存在成千上萬(wàn)個(gè)具有能量轉(zhuǎn)換功能的相變材料微膠囊,其可以不間斷地吸收和釋放能量來(lái)調(diào)節(jié)溫度,因此其服裝能保持在一個(gè)舒適的溫度范圍,可用來(lái)制得冬暖夏涼的服裝。Outlast纖維能純紡,也可與棉、毛、絲、麻等各類纖維混紡交織,可梭織也可針織,大量應(yīng)用于戶外服裝、運(yùn)動(dòng)服、鞋類、內(nèi)衣、運(yùn)動(dòng)胸衣等。它可以減少過(guò)熱、流汗現(xiàn)象,并能御寒,消除濕冷感覺(jué),適應(yīng)消費(fèi)者對(duì)熱量的需要,深受廣大消費(fèi)者的青睞。3聚合物縮聚合纖在濃硫酸紡絲液中的應(yīng)用對(duì)位芳綸主要有杜邦的Kevlar,日本帝人的Twaron、Technora,俄羅斯的Armos、Rusar、SVM,韓國(guó)的Teracron和我國(guó)的芳綸1414等。對(duì)位芳綸由對(duì)苯二胺和對(duì)苯二甲酰氯經(jīng)低溫溶液縮聚,制得粉狀聚合物,將該聚合物溶解在濃硫酸中,形成液晶紡絲液,再將這種液晶紡絲液經(jīng)干噴濕紡成纖。它是一種高性能纖維,具有超高強(qiáng)度、高模量、耐高溫、質(zhì)量輕等優(yōu)良性能,其強(qiáng)度是鋼絲的5~6倍,模量為鋼絲或玻璃纖維的2~3倍,韌性是鋼絲的2倍,而質(zhì)量?jī)H為鋼絲的1/5左右,在560℃的溫度下,不分解、不融化。它具有良好的絕緣性和抗老化性能,具有很長(zhǎng)的生命周期。因此,在運(yùn)動(dòng)器材上充分利用芳綸高強(qiáng)、耐疲勞等特性,可以制作運(yùn)動(dòng)條件苛刻的拳擊手套、登山鞋靴、賽車車體、賽車頭盔等,還可制作網(wǎng)球拍、滑雪板、弓箭、釣魚竿、風(fēng)箏骨架、賽艇等。4吸濕排汗纖維人體在正常情況下,體溫會(huì)維持在37℃左右。當(dāng)人體運(yùn)動(dòng)時(shí),體溫會(huì)上升,并藉由排汗功能使體溫恢復(fù)正常。排汗所形成的濕氣,通常通過(guò)所穿著衣物的滲透吸收再排至體外。如果衣物的吸濕排汗功能較差,濕氣就會(huì)在人體與衣服間來(lái)回沖撞,造成不舒服的感覺(jué)。吸濕排汗纖維的用途中最突出之處是在與運(yùn)動(dòng)有關(guān)的領(lǐng)域。目前,在競(jìng)技類專業(yè)運(yùn)動(dòng)服、競(jìng)賽服中,吸濕排汗纖維已成為絕對(duì)的主角,吸濕速干已經(jīng)成了對(duì)運(yùn)動(dòng)服裝的普遍要求。纖維的吸濕排汗性能取決于其化學(xué)組成和物理結(jié)構(gòu)形態(tài)。從皮膚表面蒸發(fā)的氣態(tài)水分首先被纖維材料吸收(即吸濕),然后經(jīng)由材料表面放濕;而皮膚表面的液態(tài)水分則由纖維表面的孔隙(毛細(xì)孔、微孔、溝槽)以及纖維之間的空隙所產(chǎn)生的毛細(xì)效應(yīng)使水分在材料表面吸附、擴(kuò)散和蒸發(fā)(即放濕)。兩種作用的結(jié)果導(dǎo)致水分發(fā)生了遷移,前一種作用主要與纖維大分子的化學(xué)組成有關(guān),后一種作用則與纖維的物理結(jié)構(gòu)形態(tài)有關(guān)。吸濕排汗纖維一般具有較高的比表面積,表面有眾多的微孔或溝槽,其截面一般為特殊的異形狀,利用毛細(xì)管效應(yīng),使纖維能迅速吸收皮膚表面的濕氣與汗水,通過(guò)擴(kuò)散、傳遞到外層蒸發(fā)。5負(fù)離子紡織品的抗菌整理作用通過(guò)采用某些具有負(fù)離子發(fā)生功能的無(wú)機(jī)添加劑與成纖高分子共混紡絲,可以制得負(fù)離子功能性纖維。采用負(fù)離子纖維制成的運(yùn)動(dòng)服裝穿在人體上時(shí),在摩擦、水汽和有氧的條件下,纖維會(huì)產(chǎn)生大量的負(fù)離子,在皮膚與衣服間形成一個(gè)負(fù)離子空氣層,使人體內(nèi)氧自由基無(wú)毒化、消除氧自由基對(duì)人體健康的多種危害。負(fù)離子紡織品可以使人體體液呈pH值為7.4左右的弱堿性,從而使細(xì)胞活化,促進(jìn)新陳代謝,凈化血液,清除體內(nèi)廢物。這一功能可以有效地減除運(yùn)動(dòng)后體內(nèi)乳酸的堆積,加快機(jī)體的恢復(fù)。同時(shí),負(fù)離子材料的遠(yuǎn)紅外輻射能力也能起到部分抗菌、抑菌效果。如果人們?cè)谕讲铰眯?、野外生存、拉力賽車、穿越、登山等環(huán)境較惡劣的運(yùn)動(dòng)項(xiàng)目中選擇負(fù)離子紡織面料織成的貼身衣褲、鞋襪及毛巾,可以減除各種因素對(duì)人體的危害,保證運(yùn)動(dòng)中皮膚外環(huán)境的清潔衛(wèi)生。6最終產(chǎn)品設(shè)計(jì)加工新型纖維材料在體育用品開(kāi)發(fā)中的廣泛應(yīng)用,在很大程度上與最終產(chǎn)品的設(shè)計(jì)和加工密切相關(guān)。基于新型纖維的特性而成功開(kāi)發(fā)出的一系列運(yùn)動(dòng)功能性織物,可以滿足體育運(yùn)動(dòng)中的各種不同的性能要求,為各類體育用品的開(kāi)發(fā)展示了廣闊的前景。6.1透濕性防水透濕織物的設(shè)計(jì)理念,是阻絕大雨滴、霧氣及雪的滲入,而人體排出的汗氣則可順利排出,從而達(dá)到優(yōu)越的防水性能,且穿者不會(huì)產(chǎn)生悶熱的感覺(jué)。如,眾所周知的Goretex織物在防水透氣方面有相當(dāng)優(yōu)異的表現(xiàn),非常適合高山攀巖及海上的活動(dòng)。Goretex是將自己(一層薄膜)與紡織材料黏合在一起,還加了一層聚氨酯(PU)層以免受人體脂肪、油脂或洗滌劑對(duì)其的損傷。Toray的Entrant是經(jīng)PU樹脂涂層的防水透濕織物,可以從織物內(nèi)層表面排除過(guò)量的濕氣,目前在日本年產(chǎn)量達(dá)130萬(wàn)m。Toray的另一非涂層高密度織物“HZOFF”,則是由聚酯超細(xì)空氣交絡(luò)紗制成的特種織物,其結(jié)構(gòu)具有高度的透濕性。Toray最近研發(fā)的EntrantG-II,由不同密度的雙層PU蜂巢式薄膜所組成,其透濕度達(dá)8000g/(m2·24h),阻隔雨滴的大小從100~500μm(從毛毛細(xì)雨到傾盆大雨)。新研發(fā)的“Dermizax”,則為無(wú)孔質(zhì)PU樹脂涂覆于聚酯梭織物上,透濕度可達(dá)5500g/(m2·24h)。此外,采用多孔質(zhì)樹脂可以使織物在高溫時(shí)排出濕氣,低溫時(shí)有保暖效果,同時(shí)保持織物適度的濕氣。6.2雙組分纖維在水中的應(yīng)用在游泳及滑雪跳躍的競(jìng)賽項(xiàng)目中,由于競(jìng)爭(zhēng)激烈,往往差距在0.01s。為了此類運(yùn)動(dòng)選手的需求,低阻抗力的機(jī)能性織物也應(yīng)運(yùn)而生。以游泳衣為例,有尼龍超細(xì)長(zhǎng)絲紗與彈性紗交織而成的高針數(shù)(32G)雙面經(jīng)編織物,如Toray的Acquapin織物,能夠減少10%水中摩擦阻力。另一產(chǎn)品Acquaspec的功能性更佳,能夠減少阻力達(dá)15%,是由聚酯超細(xì)纖維經(jīng)表面整理加工而成。其他如Descente公司利用有波紋的加工絲在織物表面形成很細(xì)的溝槽,可以在水中形成空氣層,從而達(dá)到降低水中摩擦阻力的功能?；谕瑯拥脑O(shè)計(jì)理念,用于滑雪服,可以減少滑雪跳躍選手在空中的阻力。如由Descente與Eschler公司共同合作開(kāi)發(fā)的Dimplex織物,以波紋加工絲在滑雪跳躍織物的表面形成凸?fàn)?使選手在起跑、起飛及空中飛行的階段中,均能將空氣的阻力降至最低。運(yùn)動(dòng)者在競(jìng)賽時(shí)經(jīng)常有激烈的動(dòng)作,如快速滑倒、碰撞、擦撞等。Dynamonus織物是由高強(qiáng)力