先進(jìn)高分子材料體育裝備性能分析及對(duì)競技體育發(fā)展的影響研究

薄阿維

（陜西財(cái)經(jīng)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，陜西咸陽712000)

隨著現(xiàn)代材料技術(shù)的發(fā)展以及體育運(yùn)動(dòng)領(lǐng)域?qū)ζ餍?、設(shè)備物化性能要求的不斷提升，利用部分具有高力學(xué)性能、耐腐蝕、耐極限條件的高分子材料進(jìn)行體育器械、設(shè)備的加工制備，已經(jīng)逐漸成為群眾體育以及競技體育發(fā)展的基本要求。高分子材料是一種以相對(duì)分子質(zhì)量較高的高分子化合物為基礎(chǔ)的材料，主要包括橡膠、塑料、纖維以及高分子基復(fù)合材料等［1］。由于高分子材料具有來源廣泛、性能優(yōu)異、成型工藝簡單等優(yōu)勢，在體育建材、體育器械、體育服飾等領(lǐng)域具有極為廣泛的應(yīng)用，在明顯提升運(yùn)動(dòng)人員使用舒適性、耐久性等的同時(shí)，顯著提升了競技體育成績。

1 高分子材料分類

與金屬、木材、陶瓷等材料類似，高分子材料在不斷發(fā)展成熟的過程中逐漸與人類社會(huì)活動(dòng)產(chǎn)生了廣泛融合。高分子材料種類眾多，按照不同的劃分標(biāo)準(zhǔn)可以分為圖1 所示不同類型［2］。

圖1 高分子材料分類Fig. 1 Classification of polymer materials

天然高分子是指沒有經(jīng)過人工合成的某類廣泛存在于各類型生物體內(nèi)的高分子物質(zhì)。由于一般情況下，天然高分子加工性能都很差，在力學(xué)性能、耐環(huán)境性能等方面存在固有缺陷，因而天然高分子的應(yīng)用范圍與加工成型等均存在較大的限制。為了拓展天然高分子材料的應(yīng)用范圍，提升高分子材料力學(xué)、生物學(xué)、耐環(huán)境性能等，學(xué)者們開始致力于天然高分子材料的改性、合成。

2 體育裝備應(yīng)用領(lǐng)域高分子材料及其性 能優(yōu)勢

2.1 塑料復(fù)合材料

和振東等［3］對(duì)塑料復(fù)合材料在體育裝備加工應(yīng)用領(lǐng)域中的應(yīng)用進(jìn)行了分析，認(rèn)為塑料復(fù)合材料具有質(zhì)輕、力學(xué)性能優(yōu)異、使用壽命長、成型加工性優(yōu)異等優(yōu)勢，可以廣泛應(yīng)用于各類型體育裝備、設(shè)施的加工領(lǐng)域。部分學(xué)者對(duì)體育設(shè)施生產(chǎn)加工領(lǐng)域常用塑料復(fù)合材料的力學(xué)性能進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)測試，得到了表1 所示的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)［4］。

表1 幾種塑料復(fù)合材料力學(xué)性能對(duì)比Table 1 Comparison of mechanical properties of several plastics composites

由表1 數(shù)據(jù)可知，在體育裝備加工應(yīng)用較為廣泛的三種塑料復(fù)合材料中，碳纖維增強(qiáng)樹脂基復(fù)合材料在拉伸強(qiáng)度、彈性模量、沖擊強(qiáng)度等方面均展現(xiàn)出更為優(yōu)異的性能，僅在斷裂伸長率方面略低于其他兩種材料；不飽和聚酯樹脂與環(huán)氧樹脂相比各有優(yōu)劣，但整體力學(xué)性能差距不大。在實(shí)際的體育裝備加工領(lǐng)域中，多使用不同的助劑用以改良不同塑料復(fù)合材料的屬性用于加工一些產(chǎn)品性能差異、適用人群需求不同的體育裝備。

2.2 橡膠

橡膠分為天然橡膠與合成橡膠兩種，體育裝備多使用具有可逆形變的高彈性聚合物材料合成橡膠制備如各類型鞋底、賽車輪胎、球拍手柄等［5］。橡膠在室溫下具有高彈性，在外界施加較小壓力的作用下可以發(fā)生較大形變，停止施加外力后可恢復(fù)原狀。體育領(lǐng)域常用的橡膠性質(zhì)及主要應(yīng)用方向見表2。

表2 體育領(lǐng)域常用橡膠性質(zhì)及應(yīng)用Table 2 Properties and applications of rubber commonly used in sports

橡膠是體育領(lǐng)域應(yīng)用最為廣泛的高分子材料材料，足籃排球球膽、乒乓球拍海綿膠面、各類型運(yùn)動(dòng)鞋底等多采用橡膠及其復(fù)合材料加工而成，利用減震橡膠材料加工而成的新型羽毛球拍、網(wǎng)球拍手柄，能夠顯著改善球拍擊球時(shí)人體受到的震動(dòng)，提升運(yùn)動(dòng)舒適性［6］。

2.3 纖維

纖維是高分子材料在體育領(lǐng)域的另外一個(gè)重要應(yīng)用。常見的高分子合成纖維包括尼龍、滌綸、腈綸聚酯纖維、芳綸、丙綸纖維等均屬于有機(jī)高分子材料，其分子由許多單元結(jié)構(gòu)聚合而成。體育領(lǐng)域應(yīng)用最為廣泛的纖維材料為滌綸，其大分子中的酯基在堿性液體中會(huì)發(fā)生水解［7］。合成纖維普遍具有強(qiáng)度高、伸長大、彈性恢復(fù)好等優(yōu)勢，尤其滌綸材料具備的高強(qiáng)低伸、低強(qiáng)高伸等性能，可以用于各種體育服飾等的加工過程中。表3 所示為幾種不同合成纖維材料的物化屬性。

表3 不同合成纖維屬性對(duì)比Table 3 Comparison of properties of different synthetic fibers

2.4 其他

體育領(lǐng)域其他新興高分子材料有：①克維拉高分子材料，其本質(zhì)為聚芳香酰胺，宏觀上表現(xiàn)出良好的物理力學(xué)性質(zhì)、柔軟性高、強(qiáng)度大，利用克維拉編織成的材料具有超強(qiáng)的減震效果，可以在使用某種運(yùn)動(dòng)器械時(shí)大幅提升器材減震性；②Sympatex，由70% 聚酯和30%聚醚復(fù)合構(gòu)成，三層復(fù)合的Sympatex 材料可以廣泛應(yīng)用于各類型運(yùn)動(dòng)服裝加工制造領(lǐng)域，具有優(yōu)良的透氣性；③快皮，快皮的超伸展纖維表面完全仿制自沙與皮膚，利用快皮加工而成的泳衣可以在接縫處模仿人類的肌腱為運(yùn)動(dòng)員向后劃水時(shí)提供動(dòng)力，且材料布料部分使用了聚氨酯纖維，本身具有較高的彈性，還能一定程度上增加浮力。

3 高分子材料對(duì)競技體育發(fā)展影響

3.1 運(yùn)動(dòng)器材領(lǐng)域

3.1.1 乒乓球運(yùn)動(dòng)

最初的乒乓球拍兩面均為木質(zhì)光面，與現(xiàn)在的板羽球拍類似，此時(shí)由于球拍無法為運(yùn)動(dòng)員提供強(qiáng)有力的擊球力度和旋轉(zhuǎn)效果，因而各種技戰(zhàn)術(shù)動(dòng)作較為簡單無法進(jìn)行深度開發(fā)；至20 世紀(jì)50 年代，部分廠家開始嘗試在球拍表面蒙上一層膠皮，用以增強(qiáng)球拍擊球時(shí)球與球拍之間的接觸時(shí)間，從而大幅增加球與球拍接觸時(shí)的受力時(shí)間，擊球尤其扣殺動(dòng)作可以更快、更有力；后有部分廠家將膠皮表面制成顆粒狀，進(jìn)一步加強(qiáng)了擊球時(shí)的旋轉(zhuǎn)，此時(shí)拉球、削球等技戰(zhàn)術(shù)動(dòng)作開始出現(xiàn)；至20 世紀(jì)60 年代，日本一家球拍廠研制出一種粘性很強(qiáng)的橡膠材料，將原有的突起部分朝里貼在海棉上，利用特種橡膠的粘性以及增加球與膠皮的接觸面積，大幅提升了球拍與球之間的摩擦力，此時(shí)兵乓球運(yùn)動(dòng)逐漸在推擋、抽殺、扣殺等技戰(zhàn)術(shù)動(dòng)作基礎(chǔ)上大幅提升了拉攻動(dòng)作占比，運(yùn)動(dòng)員可以依靠球的劇烈轉(zhuǎn)動(dòng)造成對(duì)方接球下網(wǎng)或出界失誤。進(jìn)入21 世紀(jì)后，國際乒聯(lián)對(duì)乒乓球拍的膠皮使用材料有了更加詳細(xì)的標(biāo)準(zhǔn)，新材料的使用受到的限制逐漸增加，廠家開始將新材料應(yīng)用于球拍底板。使用碳素纖維、芳基纖維等材料加工而成的球拍底板具有較高的比強(qiáng)度、比模量，其尺寸穩(wěn)定性及耐腐蝕性能較強(qiáng)，能夠?yàn)檫\(yùn)動(dòng)員提供較好的耐磨性、電絕緣性等［8］。

3.1.2 撐桿跳運(yùn)動(dòng)

撐桿跳運(yùn)動(dòng)用桿長度約4.48m～4.52m，最大重量2.25㎏，表面必須光滑，通常由運(yùn)動(dòng)員自行準(zhǔn)備。最早的跳桿為木質(zhì)材料，此類材料不具備彈性轉(zhuǎn)化動(dòng)能的能力，因而當(dāng)時(shí)的撐桿跳運(yùn)動(dòng)實(shí)際上是“爬桿跳高”，運(yùn)動(dòng)員在木桿插在地上的時(shí)間內(nèi)迅速向上爬，至跳桿快要傾倒時(shí)越過橫桿，此項(xiàng)動(dòng)作1890 年時(shí)被禁止；1905 年時(shí)歐洲由中國引入了竹桿作為撐桿跳運(yùn)動(dòng)的跳桿專用材料，由于竹子具有較強(qiáng)的彈性，1912 年美國的M· 賴特以4.02m 的競技成績首次突破撐桿跳運(yùn)動(dòng)4m 大關(guān)；1942撐桿跳運(yùn)動(dòng)逐漸衍生出了助跑動(dòng)作，美國的C· 沃梅達(dá)以4.77m 的成績創(chuàng)造了竹竿最高記錄；然而由于竹桿在長期暴露與自然條件下時(shí)容易出現(xiàn)老化，使撐桿跳運(yùn)動(dòng)容易出現(xiàn)斷桿、折桿現(xiàn)象，為運(yùn)動(dòng)員帶來極大的安全隱患，1948 年后開始逐漸由有人使用玻璃纖維桿取代竹桿，1961 年美國運(yùn)動(dòng)員G· 戴維斯以4.83m 成績創(chuàng)造了玻璃纖維桿最高紀(jì)錄，至此撐桿跳運(yùn)動(dòng)成績不斷提高，美國運(yùn)動(dòng)員B·斯頓伯格和J·彭內(nèi)爾先后打破了5.13m 和5.20m的世界記錄；20 世紀(jì)末，利用合成樹脂與碳纖維進(jìn)行復(fù)合加工制備碳纖維跳桿逐漸成為與玻璃纖維相互配合使用的重要跳桿，由于該高分子復(fù)合材料具有遠(yuǎn)超一般材料的韌性、比模量和彈性，能夠最大程度將運(yùn)動(dòng)時(shí)的彈性勢能轉(zhuǎn)化為動(dòng)能，進(jìn)而大幅提升競技成績，瑞典天才杜普蘭蒂斯以6.18m 的成績成功打破了自己保持的世界記錄。

3.1.3 冰雪運(yùn)動(dòng)

20 世紀(jì)60 年代之前，滑雪板主要由合成纖維板等制成，該類型材料具有遠(yuǎn)超一般木質(zhì)材料或金屬材料的力學(xué)性能，但滑行時(shí)振動(dòng)較大，無法充分發(fā)揮運(yùn)動(dòng)員滑行水平；20 世紀(jì)70 年代，材料學(xué)專家研發(fā)出一種新型高分子材料- 超高分子聚乙烯，用該材料制成的滑雪板大幅提升了滑行性能；進(jìn)入21 世紀(jì)后，又有專家研發(fā)出一種導(dǎo)電性滑雪板，有效防止滑雪過程中產(chǎn)生的靜電，避免了滑雪板對(duì)雪中雜質(zhì)的吸附；近年來有專家成功利用聚酰胺纖維、碳纖維環(huán)氧復(fù)合物作為主要材料，利用擠拉和纖維纏繞工藝成功研發(fā)出具有高強(qiáng)度、抗沖擊力強(qiáng)度大、彎曲強(qiáng)度高的新型滑雪板［9］。

3.2 運(yùn)動(dòng)服飾領(lǐng)域

本文所論述的運(yùn)動(dòng)服飾專指用于競技體育的服飾，不包括一般體育活動(dòng)服裝。唐睿［10］將競技體育服飾主要類型概括為圖2 所示的九大類。

圖2 體育競技服飾分類Fig. 2 Classification of athletic apparel

不同運(yùn)動(dòng)對(duì)服飾的性能需求存在較大差異，如水上服則要求服飾具有較強(qiáng)的防水、透氣性能，因而部分研究人員利用聚氨酯薄膜配合涂層結(jié)構(gòu)，加工成的服飾面料具有防水、透氣、結(jié)實(shí)耐用等突出優(yōu)勢［10］；冰上服要求服飾具有較高的形狀記憶性和較大的形變量尺寸等，部分廠家嘗試?yán)镁郯滨?、聚降冰片烯、反?，4- 聚異戊二烯等材料復(fù)合加工，所制備的體操服具有高度智能化熱敏形狀記憶功能，易于調(diào)節(jié)溫度、上色，具有質(zhì)量輕、成本低廉等特征［10］；田徑服、球類服則通常需要服裝面料同時(shí)具有吸濕、排濕等功能，有研究人員在尼龍塔夫綢上涂覆聚胺酸系聚合物，保證服飾面料具有充分吸濕的同時(shí)增強(qiáng)了服飾的排濕功能，類似于賦予了服飾“皮膚呼吸”的功能［10］。

4 結(jié)語

綜上，本文以體育領(lǐng)域應(yīng)用較為廣泛的先進(jìn)高分子材料性能優(yōu)勢為基礎(chǔ)，對(duì)高分子材料應(yīng)用于體育器材、服飾等對(duì)某項(xiàng)體育運(yùn)動(dòng)發(fā)展產(chǎn)生的影響進(jìn)行了分析。本研究認(rèn)為，由于具備顯著的力學(xué)性能和其他物化學(xué)優(yōu)勢，高分子材料中的塑料、橡膠、纖維等能夠被廣泛應(yīng)用于各類型體育運(yùn)動(dòng)并對(duì)該項(xiàng)運(yùn)動(dòng)的競技水平發(fā)展起到極強(qiáng)的促進(jìn)與推動(dòng)作用。