粘胶纤维与Lyocell纤维增强聚乳酸材料对篮球训练器材及装备性能的比较

杨 宏

(榆林学院，陕西 榆林 719000)

高分子材料中公认最有前途的可生物降解的是聚乳酸( PLA) 材料，其是高分子纤维材料中最为典型的纤维材料，于具有特殊的调温、力学、记忆等功能被广泛应用于工业生产、群众生活的各个领域。篮球运动是一项对先进材料依赖程度较高的体育运动，高端篮球鞋中的碳纤维板中底、聚酯纤维鞋面等均是其中极具代表性的产品。随着运动人员对体育参与程度的提升，粘胶纤维材料在篮球领域的应用程度越来越高。而具有高力学性能的高分子纤维材料将会成为最具发展潜力的纤维材料之一。因此，本文对能够应用于篮球运动领域的高分子纤维材料进行分类，对其中的高力学性能高分子材料抗拉强度、抗弯强度、抗冲击强度等性能优势进行分析，以粘胶纤维等为例对高力学性能高分子纤维材料在篮球领域中的应用进行综述，旨在为纤维材料与体育产业的融合发展提供借鉴。

1 实验部分

1.1 实验原料及仪器

REVODE190聚乳酸(PLA)切片( 熔点 =159.3 ℃，相对分子质量= 6.4 × 10) ，浙江海正生物材料股份有限公司; 粘胶短纤(38 mm) ， 山东海龙股份有限公司; Lyocell 短纤(38 mm) ， 上海里奥纤维企业发展有限公司。

1.2 纤维性能测试

形态结构

采用Quanta 250型环境扫描电子显微镜( ESEM，FEI 香港有限公司) 观察粘胶纤维与 Lyocell 纤维的表面形态。

力学性能

采用 XQ-1 型单丝强力仪( 中国纺织大学) 测定不同纤维的拉伸强度、模量和断裂伸长率。每种纤维样品重复测定至少 20 次，结果取平均值。

2 纤维材料分类

2.1 材料定义

生产工艺划分，目前再生纤维材料可分为2类：一是以粘胶纤维为主的传统型工艺；另一种是以Lyocell 纤维为主的新型溶剂法工艺。从一般视角来看，纤维材料指的是长径比大于10(纳米或微米级)的天然或人工合成的高分子材料。纤维材料普遍具有一定的强度和韧性，而大多数人工合成的高分子材料都具有某些特殊的材料功能如调温性、力学性能等。纤维材料的应用极为广泛，在纺织、能源、医疗、体育、航空航天等领域均有极为良好的发展前景。

2.2 材料分类

纤维材料的分类方法和原则有很多，根据纤维成分可以将高分子纤维材料分为天然高分子纤维、合成高分子纤维；根据纤维的尺寸可以将高分子纤维材料分为纳米级纤维、微米级纤维；根据纤维材料的功能可以将高分子纤维材料分为调温纤维、力学纤维、呼吸纤维、弹性纤维等。

根据纤维成分分类

天然高分子纤维材料指的是在天然状态下自然存在的一类高分子纤维材料。其中最具代表性的有明胶纤维、壳聚糖纤维、胶原纤维等。这些天然高分子纤维材料的主要成分是大分子蛋白质和纤维素等，由于原料易得、价格低廉和较好的生理活性而被广泛应用于生物、医药等领域。

合成高分子纤维材料是指采用人工合成的方法进行制备的一类高分子纤维材料。目前知名度较高的高分子纤维材料有聚乳酸纤维、聚乙烯纤维、聚己内酯纤维等。合成高分子纤维材料由于可以定制材料属性，被广泛应用于群众生活、社会生产等各个领域。

根据纤维尺寸分类

纳米级的高分子纤维材料一般指直径为1～100 nm的纤维材料。纳米纤维的可塑性极强，采用不同的纳米颗粒可以开发出阻燃、抗菌、抗静电等具有截然不同功能的纳米纤维材料。因而，纳米级高分子纤维可以在光、热、磁等多种领域内应用。

微米级的高分子纤维材料指直径为1～100 μm的纤维材料。一般的微米级高分子纤维材料直径约在10 μm内。微米级高分子纤维材料在纤维材料中占大多数，常见的高分子聚乙烯纤维、聚丙纶纤维等都是较为常见的微米级纤维。

根据纤维功能分类

高分子纤维材料功能极为多元。尤其人工合成的纤维材料更具有多种多样的不同性能。

(1)调温纤维是一种能够在一定范围内自行调节自身环境温度的纤维材料。一旦温度上升，调温纤维可以从外界自主吸收热量并储存以减缓环境温度的上升速度；当外界环境温度下降时，纤维材料又可以对外释放热量，从而减缓外界温度的下降速度；

(2)力学纤维是一种具有高力学性能的纤维材料。通常这种纤维材料的强度超过17.6 cN/dtex，弹性模量在440 cN/dtex以上，可以直接加工成特种织物，也可以与树脂材料复合加工成高性能复合材料等；

(3)呼吸纤维指的是一种能够起到非常好的防水透气功能的纤维材料。呼吸纤维能够透过人体汗液蒸发水分从而带走人体热量，但是外界水分却无法透过纤维逆向接触人体。一般常见的呼吸纤维有多微孔聚四氟乙烯膜、超细纤维等。

3 PLA与Lyocell/PLA 复合材料的结构与性能比较

PLA及不同纤维增强的PLA 复合材料熔融时均出现了双熔融峰，这是由于在升温过程中发生了熔融重结晶的原因。不同纤维增强的PLA复合材料的熔点T变化不大，说明在成型工艺过程中，PLA材料没有发生明显的热降解。由于PLA结晶速率较慢，而注塑成型的冷却速度过快使PLA来不及结晶，因此复合材料的结晶度仍相对不高。相比之下，Lyocell纤维对PLA结晶度的提高效果更好，这可能是由于纤维表面形貌的差别造成的。因此，可推断 Lyocell和粘胶纤维在表面形貌上的差别可能是复合材料结晶度不同的主要原因，相关研究仍在继续进行中。

3.1 训练器材对纤维材料的性能需求

篮球运动大多数场景中都会应用到纤维材料。例如，篮球运动员穿着的衣物通常是由透气纤维制成；穿着的球鞋中有一部分需要应用粘胶纤维板作为中底材料；相当一部分篮球球皮材料开始使用超细纤维合成革材料等。但并不是所有织物都需要粘胶纤维材料，大多数对纤维力学性能要求较高的环节集中在运动训练器械、运动鞋，运动服装等部分。通常情况下纤维材料在运动领域的应用有纤维直接应用及制备复合材料应用2种。

3.2 高力学性能高分子纤维材料性能优势

篮球运动器材、运动鞋、服装等要求所使用的纤维材料具有抗拉强度、抗弯强度、抗冲击强度等性能中的一种或几种。图1所示为根据功能划分的高力学性能高分子纤维材料性能优势。

图1 高力学性能高分子纤维材料性能优势

高抗拉强度

抗拉强度是用于描述篮球健身器械中某些设备使用的高分子纤维或其复合材料机械性能的重要指标。一般情况下纤维材料的抗拉强度越低，则表示材料的断裂抗力越低，相同结构下越容易出现拉断现象；反之，抗拉强度越高则越不容易出现拉断现象。篮球领域中应用高力学性能纤维材料的场景多集中在健身手套、篮球防护服等方面，能够为人体提供较好的防冲击性能。表1所示为几种篮球领域常见高分子纤维材料抗拉强度与一般金属材料抗拉强度对比情况。

表1 常见高分子纤维材料抗拉强度

在所有高力学性能高分子材料中，PBO纤维和PPTA纤维是其中抗张强度优势最为明显的两种材料。PBO纤维的抗张强度最高可达5 800 MPa左右，远高于一般钢纤维材料；PPTA纤维的抗拉强度最高可到2 450 MPa左右，较一般的钢纤维也具有明显优势。这2种纤维材料的抗拉强度均远远超过一般高分子纤维材料如Zylon纤维等，PBO纤维是目前抗拉强度最高的合成纤维材料。

高抗弯强度

抗弯强度一般指的是材料抵抗弯曲而不断裂的能力。对于纤维材料而言，抗弯强度主要考量的是其复合材料的强度。根据不同高力学性能高分子材料的抗弯强度进行分类，可以将高分子纤维复合材料分为6种不同类型，具体如图2所示。

图2 高分子纤维复合材料抗弯强度分类

篮球领域对高分子复合材料的性能需求多集中在硬而韧及软而韧两方面。其中，硬而韧的典型高分子纤维复合材料为碳纤维复合材料，该材料的弯曲强度为89 MPa左右，弯曲模量可达27 GPa左右；使用碳纤维板作为篮球鞋的中底材料，可以极大地提升篮球鞋的整体抗扭转性能和球鞋的机动性。

高抗冲击强度

抗冲击强度是直接反映高力学性能高分子材料或其复合材料抵抗外部冲击的能力。篮球运动是一种对抗极为激烈的体育运动，使用高抗冲击强度的高分子纤维材料制备而成的防护器具能够为运动员提供良好的防护功能，避免运动员受伤。高分子纤维材料通常与树脂等材料进行复合加工，形成具有高抗冲击强度的复合材料。

PE纤维即超高强度聚乙烯纤维，是目前已知比强度和比模量最高的纤维材料。以PE纤维制备而成的篮球护膝、护肘和防护衣具有极强的吸收能量的能力。由于该纤维材料断裂伸长低、断裂功大，因而能够很好地在篮球运动员受到冲击时形成防护效应。

尼龙纤维的抗冲击强度尽管不如PE纤维材料，但是以尼龙材料为基础开发出的新型尼龙材料如超韧PA尼龙材料却具有很强的抗冲击强度，也可以被用作篮球防护器具的填充物等。

3.3 聚乳酸材料纤维在运动领域中的应用

聚乳酸纤维复合材料具有优异的机械强度和柔韧性优势。利用聚乳酸纤维复合材料制备的篮球护膝、护肘等具有制动、防撞击、保温等的效果。一种以尼龙与聚乳酸纤维制备而成的篮球护膝，如图3所示。

图3 以尼龙与聚乳酸纤维制备而成的篮球护膝

护膝大部分外层材料为尼龙材料，以内衬聚乳酸垫片的形式为篮球运动员提供良好的防冲击性能和制动功能。一方面，利用聚乳酸材料的防冲击性能保护篮球运动员膝盖、关节部位在受到外部剧烈冲击时不会受到损伤；另一方面，能够利用尼龙材料的高韧性特征防止运动员髌骨在剧烈运动时发生位移等。

4 结语

采用纤维增强复合材料，可提高纤维材料的结晶度、力学性能，因此纤维材料的冲击强度及拉伸强度在运动领域的应用较为优异。本文以聚乳酸纤维对高分子纤维材料及其复合材料在运动领域中的应用进行综述，旨在论证纤维材料性能优势，为篮球器械、装备领域开发提供借鉴。