纤维材料缓冲护具在运动训练中的应用研究

于宁 张龙

摘 要： 此文玄武岩纤维表面化学惰性而表现出较弱的界面性能，采用静电纺丝方法制备聚丙烯腈（PAN）纳米纤维包覆玄武岩纤维（SBFC），进一步合成具有增强界面性能的新型纤维缓冲护具复合材料。通过纤维拔出试验用于评估缓冲护具材料的界面剪切强度。结果表明：在最佳电纺丝参数下引入PAN纳米纤维后，缓冲护具材料的剪切强度增加了31.33%。这种改进主要源于在玄武岩纤维和有机材料环氧树脂基质之间形成梯度界面层。梯度界面层能够使应力从环氧树脂均匀转移到玄武岩纤维中，并促进界面粘附。比较了2名运动员的桡骨关节在运动康复训练中使用和不使用纤维材料缓冲护具的康复情况，使用纳米纤维的运动康复训练的康复效果优于不使用纳米纤维的运动康复训练。

关键词： 玄武岩纤维材料；缓冲护具；运动训练；

中图分类号： TQ342

文献标志码： A  文章编号： 1001-5922（2023）08-0083-04

Study on the application of fiber cushion in sports training

YU Ning1，ZHANG Long2

（1.Shaanxi Police College，Xi’an 710021，China；2.Xi’an University of Technology，Xi’an 710049，China）

Abstract： Due to the basalt fiber shows a weak interface performance due to its chemical inertness，therefore，polyacrylonitrile （PAN） nanofiber coated basalt fiber （SBFC） was prepared by electrospinning method，and a new type of fiber cushion protection composite with enhanced interface performance was further synthesized.The fiber pull-out test was used to evaluate the interfacial shear strength of the cushioning and protection materials.The test results showed that the shear strength of the cushion protector material increased by 31.33% after the introduction of PAN nanofibers under the optimal electrospinning parameters.This improvement has been mainly due to the formation of gradient interface layer between basalt fiber and organic material epoxy resin matrix.The gradient interface layer has made the stress uniformly transfer from the epoxy resin to the basalt fiber and promote the interface adhesion.also we also compared the rehabilitation of the two athletes’ radial joints in the exercise rehabilitation training with and without the use of fiber material buffer protectors，and found that the rehabilitation effect of the exercise rehabilitation training using nanofibers was better than that of the exercise rehabilitation training without nanofibers.

Key words： basalt fiber material;cushion protectors;sports training

在运动训练中，缓冲护具对保護人体起着非常重要的作用，可以大大避免人身伤害[1]。因此，对缓冲护具进行深入研究非常必要。 目前，对缓冲护具的研究大多在胶体、棉、羊毛、皮革、植物纤维、混合缓冲材料等方面。比较典型的有发泡聚乙烯、玄武岩纤维等[2]。

通常在缓冲护具中，需要将纤维材料与有机材料环氧树脂相结合[3]。通常采用的玄武岩纤维的表面是光滑的，几乎没有任何活性化学基团，这实质上影响了与有机材料环氧树脂的结合[4-5]。玄武岩纤维（BFs）和树脂之间的弱界面粘接导致玄武岩纤维增强复合材料的整体力学性能不足，因此玄武岩纤维的优异力学性能在玄武岩纤维复合材料中没有得到充分体现[6]。许多物理和化学方法，如等离子体处理、磁控溅射、氧化和接枝，已用于改性BFs并改善BFs和树脂之间的界面粘合。例如，化学改性方法通常是复杂的，并且控制化学反应速率是具有挑战性的。磁控溅射难以在工业规模上应用，并且该方法具有成本高和效率低的缺点。同时，氧化和等离子体处理可能会对纤维骨架造成一定程度的损伤。其中电纺纳米纤维最近作为聚合物基复合材料中的增强填料受到关注。在用环氧树脂层压的BF层之间交织含有碳纳米管的电纺聚氨酯膜，与纯BFs增强的复合材料相比，聚氨酯纳米纤维与碳纳米管在复合材料中的结合，进一步提高其材料的拉伸强度和弯曲强度[7]。通过在碳纤维织物层之间添加静电纺有机聚丙烯腈（PAN）纳米纤维来增强碳纤维/环氧树脂复合材料的力学性能[8]。先前的研究表明，电纺纳米纤维可以显著增强纤维增强层压复合材料的层间性能。其中聚丙烯腈纳米纤维表现出优异的物理和化学性能，并广泛用于静电纺丝[9]。因此，使用静电缠绕方法将PAN纳米纤维直接缠绕在BFs表面上， 并制备具有微米和纳米尺寸结构特征的纳米纤维包覆玄武岩纤维（SBFC）缓冲护具，进一步提高缓冲护具力学性能，防止运动员在训练过程中受伤。本文着重研究和SBFC增强环氧树脂复合缓冲护具材料的界面结合性能及其增强机理。研究成果可为纳米纤维膜不能插入层压织物和3D整体织物的问题提供参考。

1 试验材料与方法

1.1 试验材料

在本研究中，从四川聚源玄武岩纤维技术有限公司购买了线密度为400 tex和6 000单丝的玄武岩纤维及分子量为150 000的聚丙烯腈。 N，N -二甲基甲酰胺（DMF）用作PAN的溶剂。采用JC-02A环氧树脂，以双酚A二缩水甘油醚为基料，加入JC-02B固化剂（改良的甲基四氢苯酐）作为基体。

1.2  纳米纤维包覆玄武岩纤维缓冲护具制备

纳米纤维包覆玄武岩纤维缓冲护具使用电纺设备制造。作为芯线的BF通过漏斗，并将PAN有机粉末溶解在磁力搅拌器（温度70 ℃）下搅拌5 h，得到质量分数10%的PAN有机聚合物溶液。将PAN溶解在磁力搅拌器中，用注射泵以0.6 mL/h的流量注入后，对针头施加高电压±6 kV以形成电场。PAN有机聚合物溶液从针头中飞出，在电场下形成纳米纤维。在电纺过程中，PAN纳米纤维被聚集在漏斗上，并随着漏斗的转动被包裹在BFs的表面。针头和漏斗之间的距离以及针头本身的距离分别为10 cm和12 cm。所有的电纺实验都是在室温（20±2）℃、相对湿度（60±5）%的条件下进行。

设计了3组漏斗转速和包芯纱移动速度，探讨缓冲护具制作过程中漏斗转速和包芯纱移动速度对纳米纤维包覆玄武岩纤维缓冲护具复合材料的影响。参数的具体组合如表1所示。

1.3 纤维拔出测试

纤维拔出纤维推出和纤维微粘接测试通常用于评估剪切强度，其中纤维拔出测试因其简单、操作方便和成本低而被广泛采用。本文采用纤维拔出试验来评估原始BFs复合增强材料（PBFC）和纳米纤维包覆玄武岩纤维（SBFC）的剪切强度。

1.4 材料表征

使用Quanta-450-FEG扫描电子显微镜（SEM）和VHX-5000超场显微镜系统表征SBFC和断裂纤维拉出样品（PBFC和SBFC）的形貌。并进行FTIR光谱以研究样品中化学官能团的存在。 光谱记录在650～4 000 cm-1分辨率为 4 cm-1。为了降低光谱噪声，测量进行了32次扫描，并通过原子力显微镜（AFM）研究了纤维/基体的界面相结构。

2 结果与讨论

2.1 化学结构表征

PBFC、PAN納米纤维和SBFC的相应FTIR光谱如图1所示。

从图1可以看出，887 cm-1处的波数是PBFC的硅羟基（Si—OH）的特征吸收峰[10]。PAN纳米纤维膜在2 240 cm-1处呈现—C多键N的拉伸吸收峰，在2 930 cm-2处呈现—CH 2的拉伸振动；在1 453 cm-1时呈现—C—H的弯曲振动峰；[JP4]1 731 cm-1处存在—C双键O的特征带。PBFC和PAN纳米纤维的特征振动也出现在SBFC的FTIR光谱中，表明在电纺SBFC的制备过程中，PAN纳米纤维和BFs缓冲护具之间没有化学反应。

2.2   PBFC和SBFC的剪切强度分析

图2为0#PBFC和1#～9#SBFC缓冲护具的剪切强度结果；图3为缓冲护具剪切强度变化结果。

从图2可以看出，2#SBFC的剪切强度54.62 MPa比0#PBFC的41.59 MPa高31.33%。3#、5#和6#SBFCs的剪切强度增加率几乎相似。然而，与0#PBFCs相比，1#、4#和7#SBFC的剪切强度显著下降，结果如图3所示。

从图3观察到的现象可以通过考虑几个效应来解释。有效梯度相间结构可以将应力从基质树脂均匀地传递到纤维[11]，限制材料在界面处的不同相的移动，并促进界面粘附[12-13]。电纺参数（芯纱的运动速度和漏斗的旋转速度）对缓冲护具的剪切强度有显著影响（见图3（b）示）。芯纱的缓慢移动速度或漏斗的缓慢旋转速度导致PAN膜变厚。如果PAN层的厚度过高，则会阻止有机材料环氧树脂渗透，并导致BFs和树脂之间的润湿能力较弱[14]。这会影响复合材料的固化，最终产生弱界面。此外，漏斗的旋转速度过快或芯纱的移动速度过高会阻碍覆盖，导致PAN纳米纤维层变薄。这样的界面层不能形成有效的梯度界面，并且不能增强复合材料的界面粘合性能。因此，只有当BFs被合适厚度的PAN纳米纤维膜覆盖时，有效的梯度界面层才能增强缓冲护具的剪切强度。

2.3  PBFC和SBFC的断裂形态分析

本文研究了几个典型试样的断裂形貌。选择代表性样品，例如0#PBFC（原始样品）、2#SBFC（IFSS中最大的改进）、4#SBFC（在IFSS中最小的改进）和6#SBFC（IFSS中等的改进），以分析PAN纳米纤维的不同厚度对玄武岩纤维和树脂之间的界面结合性能的影响。

图4为样品0#PBFC、2#SBFC、4#SBFC和6#SBFC在纤维拉出试验后的断裂形态。

从图4可以看出，2# SBFC玄武岩纤维和基体裂纹，进一步表明BFs和环氧树脂之间的界面结合较弱。与0#PBFC相比，2#SBFC和6#SBFC没有出现基体裂纹和纤维拔出，BFs被大量有机材料环氧树脂覆盖。这说明2#SBFC和6#SBFC的界面粘附力比0#PBFC的强。此外，4#SBFC中出现大量显著的孔隙（0.05 mm/s），表明纤维和树脂之间的界面粘合性较差。此外，可以发现PAN纳米纤维层在纤维拔出测试过程中滑落，主要因为结合力来自于玄武岩纤维和PAN纳米纤维之间的物理吸附[15]，并且PAN纳米纤维和玄武岩纤维之间的粘接强度不是很高，且梯度界面层是SBFC界面性能提高的主要原因。综上所述，在适宜的静电纺丝参数下制备的SBFC可以有效改善玄武岩纤维复合材料的界面性能，进一步提高缓冲护具抵抗外力的作用[16-17]。

2.4 缓冲护具在运动训练时的应用

选取2位篮球运动员在不同时期腕关节损伤前后的运动康复数据进行实验。在腕关节运动康复中使用纤维材料缓冲护具的运动员称为运动员A；不使用纤维材料缓冲护具的称为运动员B。对2名运动员进行了康复训练，并在训练前后观察了桡骨关节、腕关节和尺关节的具体情况，从而分析纤维材料缓冲护具在腕关节运动康复中的作用。并比较2名运动员的桡骨关节在运动康复训练中使用和不使用纤维材料缓冲护具的康复情况。为了分析纤维材料缓冲护具对桡骨关节运动康复的影响，以7 d为检查周期，在35 d内检查运动员的桡骨和尺骨偏转角、桡月角、桡舟角、桡骨角伸展和屈曲角度[18];最终结果如图5所示。图5中的虚线代表运动员A和运动员B在5周内桡骨和尺骨偏转角和桡骨月角的恢复情况;条形图显示了运动员 A 和运动员 B 在5周内桡骨角和桡舟角的恢复情况；尺侧半径角和径向月角数据以左主轴数据为准[19]，径向头角和径向舟角数据以右次轴数据为准。

从图5可以看出，运动员A的桡骨关节在同一周期中恢复的比运动员B快。因此，使用纤维材料缓冲护具的运动康复训练的康复效果优于不使用纤维材料缓冲护具的运动康复训练，恢复能力更强[20]。同时使用纤维材料缓冲护具进行运动康复训练的运动员A的康复效果优于不使用纤维材料缓冲护具的运动员B。而在康复结束前，每周的平均康复程度比不使用纤维材料缓冲护具的运动员快0.3倍。普通运动康复训练比没有康复训练的腕关节快2倍左右，使用纤维材料缓冲护具的运动康复训练比没有康复训练的腕关节快3倍左右。

3 结语

（1）剪切强度的改进主要源于PAN纳米纤维引入BFs与环氧基体之间形成梯度界面层。此外，梯度界面层的厚度对复合材料的剪切强度具有决定性的影响。而厚PAN纳米纤维薄膜可能会阻碍有机材料环氧树脂的渗透并导致界面不良；

（2）在适当的静电纺丝参数下制备的纳米纤维包裹玄武岩纤维可以有效改善复合缓冲护具材料的界面性能。

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