體育設(shè)施和運(yùn)動(dòng)器械用塑料及復(fù)合材料的選材

李珈騏

摘要：近年來(lái)，材料學(xué)發(fā)展的新領(lǐng)域是塑料及復(fù)合材料。相比較于傳統(tǒng)的金屬材料，塑料及復(fù)合材料具備更強(qiáng)的疲勞磨損性能，因此具備更長(zhǎng)的應(yīng)用年限。在體育設(shè)施與運(yùn)動(dòng)器械中應(yīng)用塑料及復(fù)合材料，能夠確保較低的制造與安裝成本。盡管一些塑料及復(fù)合材料的價(jià)格貴、原料產(chǎn)量少，可是具備顯著的環(huán)保效益，立足于長(zhǎng)遠(yuǎn)而言，塑料及復(fù)合材料具備更加顯著的經(jīng)濟(jì)效益。為此，本文主要分析了體育設(shè)施和運(yùn)動(dòng)器械用塑料及復(fù)合材料的選材原則和應(yīng)用問(wèn)題。

關(guān)鍵詞：體育設(shè)施;運(yùn)動(dòng)器械;塑料及復(fù)合材料;選材;應(yīng)用

中圖分類號(hào)：TQ326.3文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1001-5922（2019）06-0068-04

體育運(yùn)動(dòng)項(xiàng)目的水平和推廣程度受到體育設(shè)施和運(yùn)動(dòng)器械的直接影響作用，而體育設(shè)施和運(yùn)動(dòng)器材中最為關(guān)鍵的因素是材料。當(dāng)今，體育設(shè)施和運(yùn)動(dòng)器械的材料應(yīng)用現(xiàn)狀為：混合應(yīng)用各種材料、逐步增加和擴(kuò)大塑料及先進(jìn)復(fù)合材料的應(yīng)用面。當(dāng)前體育運(yùn)動(dòng)的發(fā)展趨勢(shì)是更強(qiáng)、更高、更快，因此需要體育設(shè)施和運(yùn)動(dòng)器材實(shí)現(xiàn)體育運(yùn)動(dòng)的發(fā)展要求，而塑料及復(fù)合材料的應(yīng)用可以滿足這種需要。

1 常用的塑料類別及特點(diǎn)

體育設(shè)施和運(yùn)動(dòng)器材囊括了很多的塑料類別，經(jīng)常應(yīng)用的塑料類別及其特點(diǎn)如下所述。

1.1不飽和聚酯及特點(diǎn)

固化之后的不飽和聚酯具備不透明或透明的特點(diǎn)，該材料的耐酸性與柔韌性優(yōu)良，并且穩(wěn)定性和力學(xué)性能優(yōu)良，然而該材料缺少較高的耐熱性和耐光性，一般跟纖維材料復(fù)合應(yīng)用，例如，以手糊成型制作皮劃艇身能夠應(yīng)用50%的玻璃纖維和50%的聚對(duì)苯二甲酸丁二醇酯，結(jié)合擠壓以及纏繞成型能夠制作成高爾夫球棒。

1.2環(huán)氧樹脂及特點(diǎn)

固化之后的環(huán)氧樹脂的特點(diǎn)是尺寸穩(wěn)定性優(yōu)良、抗腐蝕性好、力學(xué)性能高，因?yàn)槠渚邆漭^多的固化體系，各種固化劑可以獲得多樣性的環(huán)氧樹脂材料性能，所以能夠結(jié)合各種應(yīng)用行業(yè)實(shí)施異樣的固化體系。除此之外，環(huán)氧樹脂還能夠跟纖維增強(qiáng)材料復(fù)合應(yīng)用，以提高其力學(xué)性能，其被普遍地應(yīng)用于制作撐桿中，而弓箭和魚竿的制作也能夠應(yīng)用碳纖維和環(huán)氧樹脂復(fù)合材料以纏繞成型的方法獲得。

1.3聚鄰苯二甲酸二烯丙酯及特點(diǎn)

聚鄰苯二甲酸二烯丙酯的黏結(jié)性能優(yōu)越，能夠跟碳纖維和玻璃纖維等材料復(fù)合應(yīng)用，以獲得耐疲勞、韌性大、強(qiáng)度高的復(fù)合材料，尤其適宜應(yīng)用于運(yùn)動(dòng)器材上。

2 用塑料及復(fù)合材料的選材原則

對(duì)于塑料及復(fù)合材料的在體育設(shè)施和運(yùn)動(dòng)器械中的應(yīng)用而言，首先確保其滿足制成品的基本性能，像是具備相應(yīng)的韌性和強(qiáng)度等，然后再完善其它方面。下面，筆者綜合性地分析了體育設(shè)施和運(yùn)動(dòng)器械用塑料及復(fù)合材料的選材原則。

2.1輕質(zhì)化的選材原則

大部分的運(yùn)動(dòng)器械需要結(jié)合人力實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)，為此，需要其具備較輕的質(zhì)量，像是冰鞋、撐桿、賽艇、游泳衣等運(yùn)動(dòng)衣、跑鞋等運(yùn)動(dòng)鞋、滑雪板、皮劃艇、自行車等。一部分需要憑借機(jī)械力實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)的體育器械，其在一定功率的前提條件下，其主導(dǎo)依舊是輕質(zhì)材料，像是電動(dòng)游樂(lè)船、電碰車、賽車等。對(duì)于體育設(shè)施而言，輕質(zhì)化非常便于維修、拆卸、安裝等，以及輕質(zhì)材料常常具備優(yōu)良的阻尼減振性能，這也是體育場(chǎng)館和跑道的需求標(biāo)準(zhǔn)。塑料及復(fù)合材料的一個(gè)典型特色是輕質(zhì)化。當(dāng)然，塑料及復(fù)合材料的密度也存在不同之處，通常而言，塑料的密度要小于復(fù)合材料的密度。

2.2耐老化的選材原則

需要在戶外應(yīng)用大部分的運(yùn)動(dòng)器械和體育設(shè)施，受到酸性氣體和臭氧的作用、雨水侵蝕、紫外線和太陽(yáng)光照射的影響，以及高溫和低溫交替的影響，導(dǎo)致缺少耐候性的材料顏色變暗、表面龜裂、出現(xiàn)老化等，這就需要塑料及復(fù)合材料的應(yīng)用具備優(yōu)良的耐老化性能。特別是對(duì)于露天的滑雪場(chǎng)圍欄、場(chǎng)館地板、跑道等體育設(shè)施而言，這種要求更高。

2.3好韌性與高強(qiáng)度的選材原則

大部分的運(yùn)動(dòng)器械需要具備輕質(zhì)的特點(diǎn)，而減重的一個(gè)關(guān)鍵策略是減小材料的密度。除此之外，如果材料具備較高的強(qiáng)度，那么能夠在實(shí)現(xiàn)相同力學(xué)性能的基礎(chǔ)上降低使用的材料量，進(jìn)而確保運(yùn)動(dòng)器械的輕質(zhì)化。尤其是具備顯著比韌性（性能和質(zhì)量的比）、比模量、比強(qiáng)度的材料更適宜應(yīng)用于體育設(shè)施和運(yùn)動(dòng)器材上。雖然金屬（鋁和鋼等）的力學(xué)性能優(yōu)異，可是其比模量、比強(qiáng)度都顯著低于樹脂基纖維增強(qiáng)復(fù)合材料。像是碳纖增強(qiáng)環(huán)氧樹脂的比模量是鐵、鋁、鋼的4～6倍，其比強(qiáng)度是鐵合金的3～5倍，是鋁合金的4～6倍，是鋼的5～8倍。因此，在具備相同模量和強(qiáng)度的情況下，樹脂基復(fù)合材料的應(yīng)用能夠大大降低制成品的質(zhì)量。

2.4容易加工成型的選材原則

體育設(shè)施與運(yùn)動(dòng)器材中應(yīng)用塑料及復(fù)合材料的一個(gè)關(guān)鍵要素是優(yōu)良的成型加工性。通常而言，能夠以熱成型、擠出、吹塑、注塑等方法加工熱塑性塑料和合金，較為簡(jiǎn)單。無(wú)論是熱固性樹脂基復(fù)合材料，還是熱塑性樹脂基復(fù)合材料，往往難以成型。然而，基于持續(xù)開發(fā)具備優(yōu)良加工性能的樹脂和該行業(yè)成型技術(shù)的不斷進(jìn)步，能夠以相應(yīng)的方式加工各種材料為成型產(chǎn)品。樹脂傳遞模塑成型、拉撥成型、壓制成型、真空袋成型、軟模成型、纏繞成型、熱壓灌成型、壓力袋成型等是先進(jìn)復(fù)合材料的主要成型技術(shù)。不過(guò)，通常的復(fù)合材料也實(shí)施層壓成型、噴射成型、手糊成型的方式，像是能夠以手糊成型技術(shù)制作游樂(lè)船。

2.5其它方面的選材原則

在體育設(shè)施與運(yùn)動(dòng)器材中應(yīng)用塑料及復(fù)合材料不但應(yīng)堅(jiān)持以上原則，而且應(yīng)兼顧材料的性價(jià)比、舒適性、阻尼性、衛(wèi)生性等。一些設(shè)施需要具備優(yōu)良的阻尼減振性能，像是塑膠跑道、跳高緩沖墊、體育場(chǎng)館地板;運(yùn)動(dòng)器具（像是運(yùn)動(dòng)服飾）的舒適性可以使運(yùn)動(dòng)員的成績(jī)提升;衛(wèi)生性需要應(yīng)用的材料不會(huì)充滿難聞、有毒、有害的氣體，其屬于運(yùn)動(dòng)衛(wèi)生性提升的關(guān)鍵性標(biāo)準(zhǔn);性價(jià)比也是需要關(guān)注的一個(gè)方面，在級(jí)別較高的運(yùn)動(dòng)比賽往往應(yīng)用價(jià)格高、性能卓越的產(chǎn)品，往往較難普及和推廣。

3 塑料及復(fù)合材料的選材應(yīng)用

3.1水上運(yùn)動(dòng)設(shè)施的選材應(yīng)用

船體材料需要具備較高的剛度和強(qiáng)度，為此，纖維增強(qiáng)塑料（像是玻璃纖維增強(qiáng)熱固型樹脂材料）被常常應(yīng)用。另外，一部分性能高的纖維材料（像是高性能碳纖維材料）能夠?qū)崿F(xiàn)比模量和比強(qiáng)度的提升。帆船帆板應(yīng)用的主導(dǎo)材料是丙烯酸酯/苯乙烯/丙烯腈共聚物、聚碳酸酯、聚苯乙烯等，一部分熱固性樹脂材料（聚氨酯和環(huán)氧樹脂等）也在該領(lǐng)域中應(yīng)用。主要選用芳綸纖維、碳纖維、玻璃纖維、石墨纖維等增強(qiáng)材料。而對(duì)于滑水板和沖浪板等設(shè)施而言，主要將聚氨酯泡沫復(fù)合材料和纖維增強(qiáng)塑料應(yīng)用于外層，而主要將聚氯乙烯和乙烯基樹脂等復(fù)合材料應(yīng)用于內(nèi)層。

3.2滑板運(yùn)動(dòng)設(shè)施的選材應(yīng)用

滑板的主要組成部分是砂紙、輪子、支架、板體等，金屬、黏土、橡膠是其最開始應(yīng)用的材料，聚氨酯材料是當(dāng)今的應(yīng)用主導(dǎo)。對(duì)于其輪子，能夠在控制聚氨酯使用量的基礎(chǔ)上控制其硬度，以適應(yīng)各種路面。將聚碳酸酯與聚丙烯應(yīng)用于其塑料板面，這兩種材料具備的強(qiáng)度和力學(xué)性能能夠?qū)崿F(xiàn)荷載情況下板面的不損壞或不變形。另外，塑料材料的輕質(zhì)化特色便于使用和攜帶。

3.3球類運(yùn)動(dòng)設(shè)施的選材應(yīng)用

各種球拍、保齡球、高爾夫球、棒球等是常見的球類，主要將發(fā)泡離子樹脂應(yīng)用于高爾夫球，應(yīng)用聚對(duì)苯二甲酸丁二醇酯復(fù)合材料以及碳纖維增強(qiáng)塑料于球棒上，聚氨酯發(fā)泡材料是其里面的填充物。另外，壘球棒也能夠應(yīng)用纖維增強(qiáng)塑料制作而成，當(dāng)今一般以玻璃纖維增強(qiáng)塑料和硬質(zhì)聚氨酯泡沫材料制作高性能的壘球，這樣不但使球棒高強(qiáng)和輕質(zhì)，而且使球棒的壽命顯著增加。在球拍制作上主要應(yīng)用性能強(qiáng)的塑料復(fù)合材料，當(dāng)今一般以玻璃纖維增強(qiáng)環(huán)氧樹脂、碳纖維增強(qiáng)環(huán)氧樹脂制作高檔球拍。因?yàn)閼?yīng)用過(guò)程中的球拍受力十分復(fù)雜，不但要確保球拍的高強(qiáng)度彎曲功能，而且要確保球拍的強(qiáng)度和扭曲剛性優(yōu)良。纖維增強(qiáng)樹脂復(fù)合材料的特點(diǎn)是比模量、比強(qiáng)度高及輕質(zhì)，還能夠確保球拍的不變形。纖維增強(qiáng)塑料復(fù)合材料還可以吸能減震，能夠尤為舒適地應(yīng)用。

3.4自行車的選材應(yīng)用

當(dāng)前制造自行車中應(yīng)用很多的塑料及復(fù)合材料，這提高了其性能和降低了車身質(zhì)量。自行車中應(yīng)用塑料主要存在兩個(gè)方面：一是以數(shù)值基復(fù)合材料使自行車的附加值提升，降低車身質(zhì)量，當(dāng)今在車輪與車架中普遍地應(yīng)用樹脂基復(fù)合材料;二是在小型自行車制造中應(yīng)用熱塑性塑料成型。

3.5撐桿的選材應(yīng)用

對(duì)于撐桿跳運(yùn)動(dòng)而言，木質(zhì)材料是應(yīng)用最早的材料，盡管其強(qiáng)度較高，可是缺少理想的彈性，以及質(zhì)量較重。之后木質(zhì)撐桿被竹制撐桿所取代，因?yàn)橹裰茡螚U的質(zhì)量強(qiáng)和韌性強(qiáng)，從而顯著提升了選手的比賽成績(jī)。在上個(gè)世紀(jì)的60年代，撐桿制作中應(yīng)用尼龍材料，然后逐步應(yīng)用玻璃纖維增強(qiáng)尼龍材料，這顯著提升了撐桿的性能。在研發(fā)性能更高的纖維材料影響下，玻璃纖維逐步被碳纖維增強(qiáng)樹脂材料所代替，變成具備最為理想性能的撐桿材料。這是由于碳纖維增強(qiáng)撐桿材料的優(yōu)勢(shì)在于彈性形變性能優(yōu)越，可以顯著地儲(chǔ)存能量，從而高效率地轉(zhuǎn)變彈性勢(shì)能為動(dòng)能，讓選手取得尤為理想的比賽成績(jī)。

3.6跑道即運(yùn)動(dòng)場(chǎng)的選材應(yīng)用

當(dāng)今水泥地面逐步地被塑膠地板和跑道取代，其被普遍地應(yīng)用于學(xué)校操場(chǎng)和體育場(chǎng)中，塑膠跑道的特點(diǎn)是美觀、防滑、減震性好。對(duì)于塑膠跑道而言，其組成結(jié)構(gòu)有很多層，其中有聚丙烯酸酯材料的塑膠彈力層（最上層）、乳狀乙烯-乙酸乙烯酯和橡膠顆粒組成的塑膠層、乙烯-乙酸乙烯酯共聚物和沙子組成的過(guò)渡層等。另外，改性聚氨酯材料跑道的特點(diǎn)是環(huán)境友好型、低毒性，為此，人們?cè)絹?lái)越注重對(duì)傳統(tǒng)聚氨性方法的分析。例如，納米改性聚氨酯材料的彈性與強(qiáng)度非常好，以及具備顯著的耐磨性能和耐老化性能，結(jié)合無(wú)機(jī)離子改性之后的聚氨酯復(fù)合材料顯著優(yōu)化了斷裂伸長(zhǎng)率和拉伸強(qiáng)度，因而具備尤為理想的耐熱性和阻燃性。

3.7其它方面的選材應(yīng)用

一部分體育運(yùn)動(dòng)項(xiàng)目常常要求保護(hù)好眼睛，護(hù)目鏡以聚碳酸酯材料制作可以在破裂的情況下確保眼睛不被碎片傷害，運(yùn)動(dòng)頭盔還能夠以聚碳酸酯材料進(jìn)行制造。也應(yīng)用耐磨損和耐摩擦的聚氨酯材料制作溜冰鞋輪。應(yīng)用聚甲醛材料制作滑雪杖，在實(shí)現(xiàn)要求機(jī)械強(qiáng)度的情況下還可以使其摩擦力減小。在制作釣魚竿中還能夠應(yīng)用增強(qiáng)纖維的中高溫固化環(huán)氧樹脂，干法卷管成型是其制造工藝技術(shù)，這樣制造的釣魚竿具備光滑的表面，以及具備理想的力學(xué)性能。

4 結(jié)語(yǔ)

綜上所述，跟傳統(tǒng)的金屬材料進(jìn)行比較而言，塑料及復(fù)合材料具備尤為理想的性能，以及具備多樣化和簡(jiǎn)單的成型工藝，其將尤為普遍地應(yīng)用于體育設(shè)施和運(yùn)動(dòng)器械中。并且，體育設(shè)施和運(yùn)動(dòng)器械中應(yīng)用塑料及復(fù)合材料還具備成本小、應(yīng)用年限長(zhǎng)等優(yōu)勢(shì)。在以后的發(fā)展中，塑料及復(fù)合材料將更加注重選用增強(qiáng)材料和樹脂基體，從而使材料的性能變得尤為特殊，能夠?qū)崿F(xiàn)各種運(yùn)動(dòng)項(xiàng)目和比賽的需要?？傊?，基于社會(huì)的發(fā)展，人們對(duì)體育設(shè)施和運(yùn)動(dòng)器材的標(biāo)準(zhǔn)不斷提升，塑料及復(fù)合材料的可設(shè)計(jì)性和多樣性能意味著其發(fā)展前景將十分廣闊。