高分子復(fù)合材料對體育健身場所設(shè)施使用舒適度的影響研究

劉業(yè)飛，劉勇

摘 要：我國的科學(xué)技術(shù)蒸蒸日上，材料種類的研發(fā)與應(yīng)用推動了各行各業(yè)的發(fā)展。高分子復(fù)合材料的出現(xiàn)大力提升了材料的各項(xiàng)使用性能，在一些運(yùn)動設(shè)施上的良好應(yīng)用，提升了運(yùn)動人員使用舒適性與安全性，推動了體育行業(yè)的發(fā)展。從高分子復(fù)合材料概述出發(fā)，介紹了高分子復(fù)合材料的分類和多種成型工藝，分析了高分子復(fù)合材料應(yīng)用于運(yùn)動器材中體現(xiàn)的良好使用性能，研究了高分子復(fù)合材料對體育健身場所器材與設(shè)施使用舒適度的影響，以期為今后體育設(shè)施的發(fā)展提供參考。

關(guān)鍵詞：高分子復(fù)合材料;運(yùn)動器材;體育設(shè)施;使用性能;舒適度

中圖分類號：TQ584+.31 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A ? ? 文章編號：1001-5922（2021）12-0066-04

Research on the Influence of Polymer Composite Material on Sports Fitness Facilities Comfort

Liu Yefei1， Liu Yong1，2

（1.Yulin University， Yulin 719000， China ; 2.JoséRizal University， Mandaluyong， Manila 1552， Philippines）

Abstract：With the prosperity of science and technology， the development and application of material types have promoted the development of all walks of life. The emergence of polymer composite materials has greatly improved the various performance of materials， and its good application in some sports facilities has improved the users' comfort and safety， which promotes the development of the sports industry. Introducing the polymer composite materials， the first is to introduce the classification and various molding processes of polymer composite materials. The second is to analyze the good use performance of polymer composites applied to sports facilities. Finally， the influence of polymer composite materials on sports fitness equipment and facilities comfort is researched， so as to provide a reference for the future development of sports facilities.

Key words：Polymer composite materials;Sports equipment;Sports facilities; Using performance; comfort

0 引言

隨著我國經(jīng)濟(jì)的發(fā)展與人類生活質(zhì)量的提高，人們開始注重身體健康，期望通過體育鍛煉增強(qiáng)體能，獲得健康的體魄和高質(zhì)量的生活水平。在材料的研發(fā)與科技的進(jìn)步，人們對運(yùn)動器材的選材和使用性能要求變高。體育設(shè)施與運(yùn)動器材不僅要質(zhì)量輕、強(qiáng)度高、彈性好等，更重要的是給運(yùn)動人員充分的安全、舒適的使用體驗(yàn)。高分子復(fù)合材料在運(yùn)動器材中的廣泛應(yīng)用，提升了體育健身器材與設(shè)施的綜合使用性能，推動了體育事業(yè)的發(fā)展[1]。

1 高分子復(fù)合材料概述

1.1 高分子復(fù)合材料分類

大量原子以共價鍵的形式結(jié)合為相對分子質(zhì)量較大的有機(jī)化合物，多種高分子化合物通過一定的工藝形成高分子復(fù)合材料，它在我們的日常生活中應(yīng)用非常廣泛，常被用于棉花、纖維、橡膠、塑料等材料的生產(chǎn)與制作中。高分子材料可分為通用高分子材料和功能高分子材料，通用高分子材料可應(yīng)用于眾多行業(yè)且可實(shí)現(xiàn)大規(guī)模生產(chǎn)，具有特殊功能、被生產(chǎn)為特定產(chǎn)品的稱為功能高分子材料。

在結(jié)構(gòu)需求上進(jìn)行合成的高分子復(fù)合材料稱為高分子結(jié)構(gòu)復(fù)合材料，由多樣化功能需求進(jìn)行合成的則稱為高分子功能復(fù)合材料。高分子結(jié)構(gòu)復(fù)合材料一般由增強(qiáng)相和基體相組成，一般常見的增強(qiáng)相是纖維類材料，例如硼纖維、玻璃纖維、碳纖維等，空間上彼此之間呈分散狀態(tài)置于基體相上，因此顯著增強(qiáng)了材料整體的強(qiáng)度、彈性和抗沖擊能力?；w相的作用主要是將分散的纖維材料連接起來成為一個整體，基體相材料一般具有較高的比模量和比強(qiáng)度，例如塑料、環(huán)氧樹脂、聚丙烯、聚酰亞胺等材料。因其優(yōu)越的性能，被用于尖端技術(shù)與國防安全事業(yè)中。一些體育器材因運(yùn)動所需，要具備某些特定的功能，因此在樹脂類基體材料上結(jié)合具有發(fā)光、防靜電、帶磁性等特殊功能的材料，形成高分子功能復(fù)合材料[2]。

1.2 高分子復(fù)合材料成型工藝

高分子復(fù)合材料的成型工藝有拉擠成型、模壓成型、注射成型、蜂窩結(jié)構(gòu)成型等多種成型工藝，部分成型工藝的特點(diǎn)如圖1所示。

2 高分子復(fù)合材料對體育器材使用性能分析

2.1 傳統(tǒng)聚合物材料缺點(diǎn)

一些傳統(tǒng)體育器材的生產(chǎn)制造中，使用金屬和木材等質(zhì)量大、不耐腐蝕、安全性不高的材料。在材料相關(guān)技術(shù)的研發(fā)下，聚合物材料被大量用于運(yùn)動器材的設(shè)計與生產(chǎn)中，但是這些發(fā)展不夠完善的傳統(tǒng)聚合物材料依舊存在一些安全性問題。聚氯乙烯（PVC）是世界上產(chǎn)量最大的通用塑料之一，但如果在聚氯乙烯的生產(chǎn)過程中沒有進(jìn)行充分的反應(yīng)，就會產(chǎn)生一些致癌物，不僅無法應(yīng)用于體育器材的生產(chǎn)，更是嚴(yán)重危害人類的健康。聚氨基甲酸酯（Polyurethane）中有一種物質(zhì)為異氰酸鹽（MIC），這是對人類呼吸道黏膜有巨大損害的化學(xué)物質(zhì)[3]。

傳統(tǒng)聚合物材料應(yīng)用于運(yùn)動器材的使用性能也有待提升，很多材料都有一些不耐摩擦、彈性弱、對人類身體健康有危害的不良體現(xiàn)，例如由丙綸材料生產(chǎn)制作的體育用品，不耐熱、不耐光，也沒有很出色的強(qiáng)度與韌性;腈綸纖維材料運(yùn)動器材在體育運(yùn)動使用中不具備較高的彈性，彎曲能力差容易產(chǎn)生裂紋;PET材料俗稱滌綸樹脂，在運(yùn)動過程的不斷接觸與摩擦?xí)r，容易出現(xiàn)靜電，影響運(yùn)動的正常進(jìn)行，且不易著色，無法滿足多樣性的運(yùn)動需求;聚碳酸酯材料受紫外光線的影響較大，但很大一部分體育運(yùn)動是在戶外進(jìn)行，因此聚碳酸酯材料的運(yùn)動器材不具備戶外運(yùn)動條件[4]。

2.2 常用高分子復(fù)合材料對運(yùn)動器材使用性能分析

2.2.1 工程聚合物材料運(yùn)動器材使用性能

一些體育設(shè)施與體育用品的設(shè)計與生產(chǎn)中采用了工程聚合物材料，以實(shí)現(xiàn)多樣化的運(yùn)動需求，例如，器材堅實(shí)、耐熱、耐腐蝕、可使用壽命長等，部分體育運(yùn)動器材所選材料與具備的使用性能見如表1所示。

2.2.2 橡膠材料體育用品性質(zhì)

天然橡膠與人工合成橡膠是橡膠的兩大類，一些體育活動中運(yùn)動員會受到較強(qiáng)的沖擊力，橡膠類材料可有效緩解這種沖擊力，以保護(hù)運(yùn)動員的安全，也可有效減震、防滑。因此一些橡膠復(fù)合材料常用于體育運(yùn)動器械與裝備的設(shè)計與生產(chǎn)中，例如緩解落地沖擊的高彈性運(yùn)動鞋，緩解撞擊力的防護(hù)用具等。橡膠材料在受到外界施加的壓力時，不會斷裂，而是會產(chǎn)生可逆性形變;外力去除時，橡膠便會恢復(fù)到原本的形狀。體育領(lǐng)域橡膠材料主要應(yīng)用方面與具備的使用性能如表2所示。

在體育運(yùn)動設(shè)施與器材的生產(chǎn)與制造中，橡膠是高分子材料中應(yīng)用最廣的材料之一，以其優(yōu)良的彈性性能提升了運(yùn)動員的體育安全，給運(yùn)動員帶來舒適的體驗(yàn)。橡膠及其復(fù)合材料在球類的器材中應(yīng)用也較多，例如排球、籃球、足球;在運(yùn)動器材的方面，例如啞鈴、毽子、球拍外層與手柄等，因此橡膠與其復(fù)合材料在體育器材中的廣泛應(yīng)用，減緩了人體運(yùn)動時受到的各種沖擊力，顯著提升了運(yùn)動的安全性和舒適性[5-6]。

2.2.3 纖維增強(qiáng)復(fù)合材料體育用品具備優(yōu)勢

體育行業(yè)離不開纖維高分子材料的應(yīng)用。尼龍、腈綸與滌綸等均是日常使用較多的高分子復(fù)合材料，在體育運(yùn)動領(lǐng)域滌綸的使用最多，常用于體育運(yùn)動服裝的生產(chǎn)中。復(fù)合纖維材料制成的運(yùn)動器械通常具有較高的強(qiáng)度和彈性，目前，在球拍、調(diào)高撐桿、自行車、沖浪板等各領(lǐng)域的應(yīng)用都已經(jīng)較為成熟;高爾夫球桿的生產(chǎn)與制造中采用了碳纖維復(fù)合材料，相對分子質(zhì)量較高的特性增加了球桿棒頭的質(zhì)量，為其擊打高爾夫球提供了較大的力量，提升了高爾夫球飛行時的初速度和穩(wěn)定性，可達(dá)到更遠(yuǎn)的距離;碳纖維增強(qiáng)塑料與其他材料的復(fù)合使用，使運(yùn)動器材具備了多樣的運(yùn)動性能，例如在滑雪板上的應(yīng)用，提升了滑雪板的承載能力，增大了運(yùn)動員在滑雪時的穩(wěn)定性;用于競賽使用的運(yùn)動型自行車，車身框架多個部位可使用碳纖維增強(qiáng)塑料，會減輕車身的質(zhì)量且大大提升自行車的剛性，增加運(yùn)動員的駕駛舒適度，良好地輔助運(yùn)動員在體育運(yùn)動中實(shí)力的發(fā)揮。另外，登山運(yùn)動器材的生產(chǎn)中也采用了此類材料，不僅提升了登山繩索的強(qiáng)度，也增強(qiáng)了其耐磨的使用性能，保障了運(yùn)動員在攀巖時的安全性[7]。

3 高分子復(fù)合材料對體育設(shè)施舒適度的影響

3.1 增加了運(yùn)動服裝的舒適、透氣性

正確的體育運(yùn)動與鍛煉可以促進(jìn)青少年的健康生長，青少年處于對新事物充滿好奇與學(xué)習(xí)動力的時期，因此要著重其運(yùn)動的舒適性與輕松愉悅性，以培養(yǎng)其對體育運(yùn)動的熱愛。因此，在青少年運(yùn)動器材的設(shè)計與生產(chǎn)中，要把健康和舒適作為選材的首要需求。在材料選擇上要結(jié)合體育用品的特殊使用特性和運(yùn)動需求，例如運(yùn)動服裝，要具備透氣、吸汗排濕、保溫親膚等使用性能，coolmax纖維織物、coolplus纖維織物或者棉都是在此需求上具有良好表現(xiàn)的材料，可以采用到運(yùn)動服裝的設(shè)計與生產(chǎn)中;水中運(yùn)動的泳衣、潛水服等要具備高彈性、柔軟性和防水性，因此可選擇聚氨酯作為此類服裝生產(chǎn)的材料，再采用底膠和面膠涂層結(jié)合的方法對聚氨酯面料進(jìn)行加工，降低在水中運(yùn)動的阻力，提升了運(yùn)動員水中運(yùn)動的舒適性與自由性，可有效幫助運(yùn)動員取得更好的競賽成績[8-9]。

3.2 提升了運(yùn)動場和跑道舒適、安全性

如今，大部分學(xué)校的跑道都建成了塑膠跑道，代替了以往的水泥跑道;體育健身場所的地面也采用了塑膠地板，對于提升運(yùn)動員舒適性具有重要意義。塑膠跑道和塑膠地板有出色的回彈、吸音、減震、耐磨和防滑等特性。塑膠跑道相比于傳統(tǒng)材料跑道，擁有顯著的彈性勢能，力量回轉(zhuǎn)和吸震力強(qiáng)，可有效削減來自運(yùn)動員腳部的沖擊力;力的作用是相互的，那么運(yùn)動員受到的相對力量就較小，減小了運(yùn)動員的受傷風(fēng)險，運(yùn)動員在上邊訓(xùn)練或者比賽都較為舒適，不會因運(yùn)動時間久造成腳部的疼痛感。塑膠跑道有一定的透氣性，在高溫的暴曬下，不易變形，也不會散發(fā)較難聞的氣味影響運(yùn)動員的訓(xùn)練。塑膠跑道的組成結(jié)構(gòu)如圖2所示，底層的建設(shè)要保證地基的穩(wěn)定;在上方的4、5、6層建造上都運(yùn)用了塑膠材料，最外層的主要材料為聚丙烯酸酯，與運(yùn)動員直接接觸，擁有較強(qiáng)的彈性和舒適性。

3.3 加強(qiáng)了水上運(yùn)動設(shè)施舒適度與強(qiáng)度

賽艇、水上摩托、沖浪板以及帆板等這些水上運(yùn)動設(shè)施常用材料為塑料以及復(fù)合材料，這些設(shè)施要承載運(yùn)動員的質(zhì)量，也要抗擊水的沖擊，因此需要具備較強(qiáng)的硬度和剛性，所以通常會在塑料材料中添加復(fù)合纖維材料，以提升設(shè)施的強(qiáng)度，滿足運(yùn)動員的使用需求。這些設(shè)施多采用熱塑性與熱固性材料，不僅質(zhì)量輕，便于運(yùn)動員掌控速度與方向，且手感好，提升了運(yùn)動的舒適性?；?、沖浪板等水上設(shè)施的外層除了使用纖維增強(qiáng)塑料，通常還采用了具有保溫效果的聚氨酯泡沫復(fù)合材料，一定程度上可減少運(yùn)動員在水中能量的消耗;另外可利用聚碳酸酯混合復(fù)合材料和其他功能材料制作成水上摩托鞍座，可大大提升使用舒適性[10]。

4 結(jié)語

綜上所述，我國經(jīng)濟(jì)實(shí)力的增強(qiáng)與人民生活水平的提高，使得人們逐漸加深了對體育運(yùn)動鍛煉的重視。隨著材料科學(xué)技術(shù)的不斷研發(fā)與應(yīng)用，人們對體育器材與設(shè)施的綜合使用性能要求越來越高，高分子復(fù)合材料以其來源廣、成型工藝簡單、成本低等各項(xiàng)優(yōu)勢被廣泛應(yīng)用于體育運(yùn)動器材與設(shè)施的生產(chǎn)與制造中，復(fù)合材料的使用大大提升了體育器材與設(shè)施的使用舒適度與安全性等?？萍荚诓粩噙M(jìn)步，體育設(shè)施的生產(chǎn)要緊跟科學(xué)技術(shù)的發(fā)展步伐，以推動我國體育事業(yè)的發(fā)展。

參考文獻(xiàn)

[1]江 偉. 塑料復(fù)合材料在體育設(shè)施和健身器材中的應(yīng)用[J]. 塑料工業(yè)，2019，47（01）：152-155.

[2]王 靜. 纖維增強(qiáng)復(fù)合材料及其在體育娛樂器材中的應(yīng)用[J]. 合成材料老化與應(yīng)用，2019，48（06）：137-140.

[3]晁嘉文. 基于CFRP材料在體育器材上的應(yīng)用與設(shè)計[J]. 合成材料老化與應(yīng)用，2020，49（01）：128-130.

[4]胡紫薇，楊洪君. 運(yùn)動護(hù)膝舒適性影響因素探究[J]. 設(shè)計，2020，33（07）：20-24.

[5]曾琪智. 新型復(fù)合材料在體育器材中的應(yīng)用研究[J]. 材料保護(hù)，2020，53（07）：201-203.

[6]王小妮. 高分子材料動態(tài)力學(xué)性能對體育器械的影響研究[J]. 合成材料老化與應(yīng)用，2020，49（05）：120-122.

[7]薄阿維. 先進(jìn)高分子材料體育裝備性能分析及對競技體育發(fā)展的影響研究[J]. 合成材料老化與應(yīng)用，2020，49（06）：163-165.

[8]陳正權(quán)，王利娟. 功能高分子復(fù)合材料（SFPC）體育防護(hù)用具加工特點(diǎn)與性能分析[J]. 粘接，2021，45（02）：67-70.

[9]李 萌. 高力學(xué)性能高分子材料與競技體育融合發(fā)展分析[J]. 合成材料老化與應(yīng)用，2021，50（02）：163-165+134.

[10]雷 慧，鄧羅平. 高校體育設(shè)施舒適度影響因子分析[J]. 體育成人教育學(xué)刊，2018，34（05）：30-33.