塑料復(fù)合材料在體育設(shè)施中的應(yīng)用

張新

摘要：塑料復(fù)合材料是近些年來材料學(xué)研究的重點領(lǐng)域之一，通過強化塑料基與其他材料的結(jié)合，能夠改變傳統(tǒng)塑料環(huán)保性能不足、應(yīng)用范圍狹窄等方面的劣勢。在體育設(shè)施中廣泛應(yīng)用塑料復(fù)合材料，能夠根據(jù)不同的塑料復(fù)合材料所擁有的特征，提升體育運動的舒適性和安全性，提升專業(yè)運行員的運動成績，促進體育產(chǎn)業(yè)的整體發(fā)展，為國民健康和社會經(jīng)濟發(fā)展做出巨大的貢獻。

關(guān)鍵詞：體育設(shè)施;塑料復(fù)合材料;體育運動

中圖分類號：TQ327 文獻標(biāo)識碼：A 文章編號：1001-5922（2019）12-0049-04

提升塑料復(fù)合材料在體育設(shè)施中的應(yīng)用水平是未來體育行業(yè)發(fā)展的重要趨勢之一，塑料復(fù)合材料的應(yīng)用，不僅能夠改變傳統(tǒng)材料給體育事業(yè)本身發(fā)展帶來的限制，還能夠改變由于傳統(tǒng)生產(chǎn)工藝帶來的環(huán)境污染問題，滿足綠色材料應(yīng)用和生產(chǎn)的需要，為環(huán)保事業(yè)做出貢獻。但是由于塑料復(fù)合材料在普通社會群體中的認知度較低，體育活動開展水平較低等方面的影響，使得相關(guān)體育設(shè)施在推廣應(yīng)用過程中存在較大的限制。

1 塑料復(fù)合材料的概念和研究進展

1.1塑料復(fù)合材料的概念

在認識塑料復(fù)合材料時，首先需要明確塑料材料本身是一種高分子材料，并不屬于復(fù)合材料。其次是由于塑料復(fù)合材料目前還處于快速發(fā)展的階段，相關(guān)的研究還在持續(xù)進行，并且由于研究領(lǐng)域的不同，所給的定義也有著較大的差異。但是就其本質(zhì)上而言，塑料復(fù)合材料是由包括塑料材料在內(nèi)的兩種或者兩種以上的材料經(jīng)復(fù)合效應(yīng)產(chǎn)生的新型材料，從結(jié)構(gòu)角度而言，復(fù)合材料包含有基體材料和增強材料。在實際生產(chǎn)過程中，復(fù)合效應(yīng)包括線性效應(yīng)和非線性效應(yīng)兩種類型，兩種效應(yīng)之間的區(qū)別在量與量之間分別呈現(xiàn)出正比和曲線關(guān)系。在復(fù)合效應(yīng)作用下產(chǎn)生的新型材料既具有原有材料所固有的性能，又包含原本材料中所不具備的新性能。

1.2塑料復(fù)合材料的研究進展

據(jù)能夠查找到的資料顯示，塑料復(fù)合材料在我國的研究起始于上個世紀(jì)七十年代，經(jīng)過五十多年的發(fā)展，目前塑料復(fù)合材料不僅在應(yīng)用領(lǐng)域上得到了極大的擴展，而且在生產(chǎn)工藝和材料復(fù)合組成等方面也取得了較為明顯的成就。目前塑料復(fù)合材料的研究在材料研究上主要集中在熱塑性塑料、生物炭復(fù)合材料、納米碳酸鈣復(fù)合材料、生物基纖維復(fù)合材料、木塑復(fù)合材料、塑料一陶瓷復(fù)合材料等各個方面。在應(yīng)用范圍的研究上，已經(jīng)從傳統(tǒng)的軍事和航空航天等領(lǐng)域擴展到汽車、給排水管材、體育設(shè)施等各種民用領(lǐng)域中。但是從整體上而言，我國在塑料復(fù)合材料的研究上雖然起步較早，但是目前與國際先進水平之間依然存在較大的差距，還有較大的提升空間。

2 塑料復(fù)合材料在體育設(shè)施應(yīng)用中的優(yōu)勢

2.1更好的力學(xué)性能

在描述材料的力學(xué)性能時，通常用比強度和比模量來表示。比強度是用來描述材料自身拉伸強度與材料表觀密度比例的單位，比模量則是描述材料的模量和密度比例。比強度高表明在同等強度條件下材料本身的質(zhì)量更輕、比模量高則表示材料在同等承載能力下，材料的密度更低。塑料復(fù)合材料生產(chǎn)過程中，以不同的炭纖維作為增強材料，較之于傳統(tǒng)的鋼材料在比強度和比模量上可以有數(shù)倍的提升，以塑代鋼在未來體育設(shè)施行業(yè)發(fā)展中必將成為重要趨勢之一。

2.2更好的安全性能

運動員在完成體育動作時，大多需要借助于對應(yīng)的體育器械，在使用過程中如果發(fā)生過載的情形，傳統(tǒng)的金屬材料質(zhì)地較脆，抗沖擊性能較差，容易給運動員帶來較大的傷害。塑料復(fù)合材料在依托于增強材料特性的作用下，能夠在將過載力的作用限定在一定范圍內(nèi)，在體育設(shè)施部分發(fā)生斷裂等情形時，不會影響到其他部位的應(yīng)力性能，極大的提升了體育設(shè)施的安全性能。

2.3更好的減震性能

塑料本身屬于高分子聚合物，在發(fā)生形變時具有黏性和彈性雙重特征，目前已經(jīng)研發(fā)成功并投入應(yīng)用的超高分子量聚乙烯纖維，其性能更加全面、更加優(yōu)異。在塑料與碳纖維材料進行復(fù)合成型時，由于二者具有的特殊結(jié)構(gòu)，能夠在界面形成密布的裂紋。在產(chǎn)生應(yīng)力作用時，這些裂紋處可以產(chǎn)生對應(yīng)的摩擦力，而應(yīng)力作用消失時，摩擦作用所產(chǎn)生的動能則會轉(zhuǎn)化成熱能，這種轉(zhuǎn)化過程即是以更好的減震性能來體現(xiàn)的。擁有更好減震性能的材料，不僅能夠?qū)\動員成績的發(fā)揮起到推動作用，在更大程度上能夠起到保護運動員的作用。

2.4可成型性強

體育設(shè)施的研究在體育事業(yè)的發(fā)展過程中涵蓋多個不同的方面，在某種程度上而言，體育設(shè)施的形態(tài)更新對運動員的成績提升、大眾體育鍛煉的效果等方面也有著重要的影響。但是受制于加工工藝和生產(chǎn)成本等方面的影響，某些體育設(shè)施形態(tài)的更新只能停留在圖紙設(shè)計和小批量生產(chǎn)的階段，無法滿足體育設(shè)施生產(chǎn)的需要[1]。塑料復(fù)合材料在應(yīng)用于體育設(shè)施的生產(chǎn)過程中時，可以根據(jù)增強材料的特點，采用纏繞成型、模壓成型、RTM成型和拉擠成型等不同的制備方法，通過相應(yīng)的加工工藝改變碳纖維的排列方向，從而使塑料復(fù)合材料達到一次成型的目的，更好的提升體育設(shè)施的綜合性能。

3 炭纖維增強塑料在體育設(shè)施中的應(yīng)用

炭纖維增強塑料的研究歷史較為悠久，生產(chǎn)工藝較為成熟，在體育設(shè)施中的應(yīng)用范圍最為廣泛，取得了較好的經(jīng)濟效益和社會效益，也是目前塑料復(fù)合材料在體育設(shè)施應(yīng)用研究中最為集中的熱點方向。碳纖維增強材料是將塑料和炭纖維分別作為基體相和增強相進行固結(jié)，并分別起到傳遞應(yīng)力和承受應(yīng)力的作用。炭纖維增強塑料較之于傳統(tǒng)材料而言，具有更加優(yōu)異的力學(xué)性能，具有良好的減震性能和安全性能，在其生產(chǎn)和應(yīng)用過程中還具有較好的環(huán)保性能。在目前已經(jīng)投入生產(chǎn)和應(yīng)用環(huán)節(jié)的碳纖維增強塑料主要應(yīng)用于球拍類體育器材、桿棒類體育器材和板類體育器材中。

球拍類體育活動有多種，包括羽毛球、網(wǎng)球等，不同的運動類型對于材料的要求也存在較大差異，一般情況下而言，對于拍面部分而言，需要具有較好的延展性、抗沖擊性和減震性能，而拍柄部分則要求具有合適程度的摩擦力，既能夠保持運動過程中的舒適度，又能夠幫助運動員更好的判斷和控制球類運動的軌跡，取得更好的運動成績[2]。在相關(guān)學(xué)者的研究資料中顯示，炭纖維增強塑料在網(wǎng)球拍生產(chǎn)中的應(yīng)用已經(jīng)有數(shù)十年的歷史，由于其自身所具有的特性，已經(jīng)逐步替代木質(zhì)材料和鋁制金屬材料，在網(wǎng)球拍材料中占據(jù)了主導(dǎo)地位，并且隨著相關(guān)研究技術(shù)的發(fā)展，關(guān)于炭纖維材料的研究和革新還在持續(xù)進行之中。

塑料復(fù)合材料在桿棒類體育設(shè)施中的應(yīng)用，主要集中在撐桿、魚竿和高爾夫球棒等體育活動中，這些體育活動對器材性能的要求主要是集中在彈性和韌性等方面。足夠的彈性能夠使體育設(shè)施在發(fā)生應(yīng)力作用后迅速恢復(fù)到原來的狀態(tài)，具有較好韌性的塑料復(fù)合材料能夠在體育設(shè)施發(fā)生變形和斷裂過程中吸收掉更多的能量?；谒芰蠌?fù)合材料應(yīng)用生產(chǎn)的桿棒類體育設(shè)施，不僅能夠幫助運動員取得更好的競技成績，還能夠延長體育設(shè)施的使用壽命，提升運動過程中的安全度。

板類體育設(shè)施包括乒乓球拍、滑雪板、帆船板等，將塑料復(fù)合材料應(yīng)用于這些體育設(shè)施時，能夠更好的發(fā)揮其強度、韌性和抗沖擊性等方面的特征。由于是對于一些水上運動設(shè)施而言，盡量減少水流的阻礙作用，提高體育設(shè)施的使用壽命，是進行材料研究過程中需要注意的重要問題，不同特性的塑料復(fù)合材料在不同位置和零件的應(yīng)用，能夠改進傳統(tǒng)材料應(yīng)用中的不足，更好的滿足相關(guān)體育設(shè)施的使用需求。

4 生物質(zhì)塑料復(fù)合材料在體育設(shè)施中的應(yīng)用

生物質(zhì)塑料復(fù)合材料的研究也已經(jīng)有了多年的歷史，并且在包括保溫材料、包裝材料、汽車、電器、日用品和建筑材料等多個行業(yè)得到了廣泛的應(yīng)用。生物質(zhì)塑料復(fù)合材料在社會生產(chǎn)生活中得以廣泛應(yīng)用的主要原因是其來源更加廣泛，具有良好的生物降解特性，對于制備途徑要求較低，能夠極大的減少化學(xué)材料生產(chǎn)過程中產(chǎn)生的污染現(xiàn)象，具有良好的環(huán)保性能。例如國際乒聯(lián)在2014年對生產(chǎn)乒乓球的材料進行嚴格改進之后，雖然在生產(chǎn)成本上有所提高，但是改變了傳統(tǒng)塑料生產(chǎn)出來的乒乓球具有易燃性的缺陷，將其從易燃易爆物品名單中剔除，從而取消了大型比賽用球無法通過航空運輸?shù)南拗?，在整體上降低了乒乓球賽事的運營成本[3]。生物質(zhì)塑料復(fù)合材料不僅來源廣泛，而且類型眾多，具有良好的應(yīng)用特性和廣泛的應(yīng)用范圍。

生物質(zhì)塑料復(fù)合材料相對于傳統(tǒng)塑料和金屬材料具有寫對材質(zhì)輕的特性，不僅能夠運用于皮劃艇、運動型自行車等對力量持久性要求比較高的體育設(shè)施中，還能夠應(yīng)用于運動鞋和運動服裝等運動設(shè)備中。在這些設(shè)施的幫助作用下，能夠減少運動員在比賽過程中不必要的體力消耗，改變體力的整體分配，提升整體運動成績。

生物質(zhì)塑料復(fù)合材料在工藝加工過程中，通過添加相應(yīng)的輔助材料來提高其使用壽命。在現(xiàn)代體育發(fā)展過程中，全民健身活動的開展逐漸貫穿于社會各個階層中，大量的室外公共健身器材被投放到所需求的地區(qū)。這些室外公共器材在使用過程中不僅要受到紫外線、風(fēng)沙、氧化、雨水等自然環(huán)境的影響，還會遭受到不同的人為破壞作用。尤其是對于體育設(shè)施的表面材料而言，在重點使用部位經(jīng)常會出現(xiàn)老化褪色甚至脫落的現(xiàn)象。通過纖維增強聚合物基的復(fù)合作用，能夠改善生物質(zhì)塑料復(fù)合材料的抗老化性能，提升體育設(shè)施對鹽霧、氧化和濕熱等環(huán)境的抗侵蝕能力，從而提升體育設(shè)施的使用壽命。

以硅橡膠和塑料基復(fù)合而成的材料，由于硅橡膠原子結(jié)構(gòu)分布特性帶來的耐高溫性特征不僅能夠得以保留，還能夠得到極大的提升。這種塑料復(fù)合材料大多是應(yīng)用于跑道和訓(xùn)練場地的鋪墊層中，其能夠在超出180℃的情形下保持原有彈性超過數(shù)周或者更長時間[4]。同時，某些材料還能夠保持較高的氧氣透過率，從而提升訓(xùn)練場地內(nèi)的整體空氣環(huán)境。

木塑復(fù)合材料是將塑料和植物纖維進行處理之后，經(jīng)過擠出加工或其他工藝處理而制成的復(fù)合材料，工藝處理的方式包括物理技術(shù)、化學(xué)處理以及新型材料加工工藝，不僅在加工過程中不添加工業(yè)膠等有害物質(zhì)，而且工藝加工過程中具有操作流程簡單、能耗低等特征，因而在大型體育場館的基礎(chǔ)建設(shè)和運動場座椅等設(shè)施中具有廣泛的應(yīng)用范圍。隨著木塑產(chǎn)品生產(chǎn)工藝的進一步成熟，其在體育設(shè)施中的應(yīng)用范圍必將更加廣泛。

5 塑料復(fù)合材料在體育設(shè)施應(yīng)用中存在的問題及解決措施

5.1整體發(fā)展水平較低

塑料復(fù)合材料在體育設(shè)施在發(fā)達國家具有較為悠久的歷史，經(jīng)過數(shù)十年的發(fā)展，已經(jīng)形成了規(guī)?；漠a(chǎn)能，并且在多種產(chǎn)品的生產(chǎn)工藝上達到了更高的水平。就世界范圍而言，塑料復(fù)合材料的產(chǎn)能主要集中在日本、美國和荷蘭三個國家，據(jù)有關(guān)數(shù)據(jù)資料顯示，這三個國家相關(guān)企業(yè)的產(chǎn)能占到世界總產(chǎn)量的80%以上，而我國只有在部分種類產(chǎn)品的生產(chǎn)上占到了一定的優(yōu)勢[5]。就我國目前在塑料復(fù)合材料生產(chǎn)上而言，多數(shù)產(chǎn)能主要集中在珠三角及東南沿海地帶，內(nèi)陸部分城市中有零星企業(yè)分布，這些企業(yè)一起構(gòu)成了我國塑料復(fù)合材料為原材料的體育設(shè)施產(chǎn)業(yè)，為推動我國相關(guān)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展做出了巨大的貢獻。但是就整體上而言，我國在塑料復(fù)合材料的生產(chǎn)上水平還處于比較低的水平，一方面是由于在技術(shù)更新和生產(chǎn)工藝研究上，較之國外同一行業(yè)還有比較大的差距，另一方面是由于我國經(jīng)濟發(fā)展水平還比較低，在精神文明建設(shè)和體育事業(yè)發(fā)展上與國外發(fā)達國家之間還存在較大的差距。想要促進塑料復(fù)合產(chǎn)業(yè)的整體發(fā)展水平，不僅要強化這方面的技術(shù)要求，更要能夠通過工藝更新來降低塑料復(fù)合材料的整體生產(chǎn)成本，使其在替代傳統(tǒng)材料的應(yīng)用過程中能夠具有性能上的優(yōu)勢和經(jīng)濟性上的優(yōu)勢，真正達到物美價廉的效果，而不是將以塑料復(fù)合材料生產(chǎn)出的體育設(shè)施簡單的成為高端體育器械，限制了其在大眾體育活動開展過程中應(yīng)當(dāng)發(fā)揮的作用。提升塑料復(fù)合材料在體育設(shè)施中的應(yīng)用水平，需要充分發(fā)揮市場競爭機制，在相關(guān)政策的引導(dǎo)下，積極引導(dǎo)社會資本進入研發(fā)生產(chǎn)領(lǐng)域，在競爭中促進整體發(fā)展水平的提高，盡快縮短與發(fā)達國家之間的差距。

5.2應(yīng)用范圍較為狹窄

目前我國在體育設(shè)施生產(chǎn)過程中，對于研發(fā)工作的重視程度不夠，將復(fù)合材料應(yīng)用于實際生產(chǎn)時，更多的是從國外引進成熟的生產(chǎn)工藝。在相關(guān)的研發(fā)平臺上搜尋相關(guān)材料，大多只是在整體上對塑料復(fù)合材料的應(yīng)用程度予以簡單說明，而整體應(yīng)用范圍也只限制在較為成熟的產(chǎn)品中。無論是在新型塑料復(fù)合材料的研發(fā)上，還是在替代傳統(tǒng)的金屬材料等實際應(yīng)用上，不僅缺乏相關(guān)的研究深度，更缺乏研究的寬度，有些研究內(nèi)容甚至還停留在20世紀(jì)70年代的水平，與社會發(fā)展和人們精神文化豐富的需求之間存在較大的距離。就塑料復(fù)合材料自身的特性而言，其應(yīng)用范圍幾乎可以涵蓋現(xiàn)有體育設(shè)施生產(chǎn)的各個環(huán)節(jié)中，尤其是在國家“以塑代鋼”政策的推動下，在體育設(shè)施生產(chǎn)上具有更加廣闊的空間。要想順應(yīng)時代發(fā)展的潮流，真正拓展塑料復(fù)合材料的應(yīng)用范圍，不僅需要在對塑料復(fù)合塑料研究過程中盡量規(guī)避其自身現(xiàn)有的缺陷，更應(yīng)當(dāng)拓展其研究范圍，提升其研究水平，為體育設(shè)施的發(fā)展做出更大的貢獻。

5.3產(chǎn)學(xué)研相脫節(jié)

塑料復(fù)合材料的研究是以傳統(tǒng)塑料產(chǎn)業(yè)為基礎(chǔ)來開展的，在其研究過程中必須以社會生產(chǎn)為目標(biāo)導(dǎo)向，但是目前我國高端塑料產(chǎn)業(yè)本身就與世界發(fā)達國家之間存在較大的差距，由此導(dǎo)致塑料復(fù)合材料的研究內(nèi)容相對比較落后，在投入生產(chǎn)環(huán)節(jié)時在競爭力上存在較大的欠缺。對于體育設(shè)施生產(chǎn)企業(yè)而言，其生產(chǎn)的主要目的是為了在確保產(chǎn)品性能的基礎(chǔ)上取得更多的經(jīng)濟效益。因此在企業(yè)對原材料的選擇過程中不僅注重材料的性能，更加重視產(chǎn)品的實際生產(chǎn)成本，企業(yè)生產(chǎn)的產(chǎn)品在市場上是否具有相當(dāng)?shù)氖袌龈偁幜6]。產(chǎn)學(xué)研相脫節(jié)的現(xiàn)實狀況，使得大學(xué)的相關(guān)學(xué)科建設(shè)和研究機構(gòu)在開展研究工作時，無法與體育設(shè)施生產(chǎn)的實際需求結(jié)合在一起，使得研究工作的開展無法產(chǎn)生應(yīng)有的經(jīng)濟效益和社會效益，限制了我國塑料復(fù)合材料行業(yè)研究水平的提高。而企業(yè)在生產(chǎn)過程中更加注重材料性能和生產(chǎn)成本的綜合要求，在生產(chǎn)過程中為了達到更高的水平，更加主動的采用進口材料來進行生產(chǎn)，以此更加限制了相關(guān)要求的發(fā)展。在塑料復(fù)合材料的發(fā)展和應(yīng)用過程中，必須要在相關(guān)部門的引導(dǎo)下，建立起高效運行的塑料復(fù)合材料產(chǎn)學(xué)研一體化的平臺，在研究工作和產(chǎn)業(yè)應(yīng)用之間建立起高效的溝通平臺，以此提升塑料復(fù)合材料在體育設(shè)施中的應(yīng)用水平。

6 結(jié)語

塑料復(fù)合材料在體育設(shè)施生產(chǎn)和建設(shè)過程中具有廣闊的應(yīng)用范圍，在未來體育事業(yè)發(fā)展過程中必將起到更大的推動作用。就目前我國在這方面的發(fā)展水平而言，距離世界發(fā)達國家之間還有較大的差距。正視和面對這種差距，采取更加積極的狀態(tài)來迎接行業(yè)發(fā)展中的挑戰(zhàn)，是相關(guān)從業(yè)者必須堅持的方向。

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