體育器械設(shè)計(jì)中環(huán)保型材料的使用

姜佳君

（陜西中醫(yī)藥大學(xué)，陜西 西安 712046）

在社會(huì)經(jīng)濟(jì)高速發(fā)展的今天，人們的生活水平得到了很大程度的提高，人們已經(jīng)不僅僅滿足于追求高質(zhì)量的物質(zhì)生活，各種休閑娛樂活動(dòng)也是人們?nèi)粘Ｉ钪斜夭豢缮俚模絹碓蕉嗟娜送ㄟ^體育鍛煉來維持身心健康，甚至掀起了全民運(yùn)動(dòng)的熱潮，可想而知體育運(yùn)動(dòng)已經(jīng)逐漸成為人們生活中不可或缺的一部分了。再則隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展，自然環(huán)境不斷惡化，自然資源不斷減少，人們的綠色環(huán)保意識(shí)也在不斷增強(qiáng)。因此，新型綠色環(huán)保材料的應(yīng)用越來越廣泛，將環(huán)保型材料應(yīng)用到體育器械、體育場館等領(lǐng)域中，不僅滿足了人們的使用需求，同時(shí)也符合當(dāng)今社會(huì)的綠色環(huán)保發(fā)展理念。隨著體育行業(yè)中綠色環(huán)保材料的進(jìn)一步應(yīng)用，將為人們提供更加健康、節(jié)能的運(yùn)動(dòng)生活，推動(dòng)體育行業(yè)更加健康的發(fā)展。

1 綠色環(huán)保材料簡介

歐美國家是最早的對綠色環(huán)保材料進(jìn)行研究和應(yīng)用的地區(qū)，由于經(jīng)濟(jì)和工業(yè)的大力發(fā)展，造成了大量的自然資源的浪費(fèi)，以及對環(huán)境產(chǎn)生了極大的污染，這使得工業(yè)發(fā)達(dá)的歐美國家越來越重視對綠色環(huán)保材料的開發(fā)研究，逐漸研究開發(fā)出一些能夠取代傳統(tǒng)高耗能材料的新型環(huán)保材料，這也為推動(dòng)綠色環(huán)保材料的發(fā)展進(jìn)步創(chuàng)造了良好的時(shí)代背景。在綠色環(huán)保材料的研究和應(yīng)用上面，歐美國家已經(jīng)發(fā)展得較為成熟，與此相比我國針對綠色環(huán)保材料的研究起步較晚，還處于探索階段，尤其是在建筑行業(yè)，主動(dòng)應(yīng)用綠色環(huán)保材料的意識(shí)還較為薄弱。因此，我國目前對綠色環(huán)保材料的研究和應(yīng)用還不夠成熟，暫時(shí)還不能滿足各行各業(yè)對綠色環(huán)保材料的應(yīng)用需求。基于此我國相關(guān)部門正在不斷加大對綠色環(huán)保材料的研究和投入，對我國綠色環(huán)保材料的發(fā)展產(chǎn)生了很大的促進(jìn)作用，綠色環(huán)保材料的應(yīng)用也越來越廣泛。

在體育運(yùn)動(dòng)領(lǐng)域中，綠色環(huán)保型材料的應(yīng)用主要是在體育器械制備、體育設(shè)施建設(shè)和裝飾記憶體育運(yùn)服裝等方面。如今全民鍛煉的熱潮正在逐步提升，體育行業(yè)發(fā)展正處于高速階段，人們的綠色環(huán)保理念在不斷增強(qiáng)，綠色環(huán)保型材料在體育行業(yè)的應(yīng)用也越來越多，相信隨著新的科學(xué)技術(shù)的不傳創(chuàng)新，環(huán)保型材料將會(huì)為體育行業(yè)的發(fā)展增添新動(dòng)力。

2 體育器械設(shè)計(jì)中環(huán)保型材料的應(yīng)用

隨著人們生活水平的不斷提升，為了保持身心素質(zhì)的健康，體育運(yùn)動(dòng)也逐漸被更多的人所重視，這也極大程度的推動(dòng)了體育運(yùn)動(dòng)行業(yè)的發(fā)展。同時(shí)在綠色環(huán)保理念的影響下，體育行業(yè)也越來越重視環(huán)保型材料的應(yīng)用，從而確保體育運(yùn)動(dòng)領(lǐng)域形成綠色環(huán)保的發(fā)展趨勢，也使得人們的運(yùn)動(dòng)生活更加健康，更加綠色節(jié)能。

開展體育運(yùn)動(dòng)的基本條件就是體育器械的選擇，想要良好的進(jìn)行一項(xiàng)體育運(yùn)動(dòng)，同時(shí)保證體育運(yùn)動(dòng)者的安全健康，選擇合適的體育器械是十分重要的。因此，為了使體育運(yùn)動(dòng)更加規(guī)范化、標(biāo)準(zhǔn)化，其中重要的依據(jù)之一就是體育器械的選擇?；诖?，科研人員開發(fā)了許多具有優(yōu)異舒適性和高穩(wěn)定性的綠色環(huán)保型材料，并且將其廣泛地應(yīng)用到了體育器械的設(shè)計(jì)制作中，其中應(yīng)用頻率較高的主要有碳纖維復(fù)合材料、石墨烯復(fù)合材料、不飽和聚酯復(fù)合材料以及環(huán)氧樹脂復(fù)合材料等。

2.1 碳纖維復(fù)合材料。

碳纖維是一種主要有碳元素組成的特殊纖維，由于碳含量的不同，碳纖維也分為多種不同的類型，總體而言碳纖維的含碳量會(huì)保持在90%以上。碳纖維具有很多優(yōu)良特性，例如：耐高溫、耐腐蝕、良好的導(dǎo)熱性和導(dǎo)電性，耐疲勞等等，此外，碳纖維較為柔軟，易于加工成不同的形態(tài)，同時(shí)沿著纖維軸向表現(xiàn)出很高的強(qiáng)度。除此之外，與其他材料相比，碳纖維的比重相對較小，強(qiáng)度相對較高。碳纖維可以制備成高阻尼的特殊復(fù)合材料，其在高爾夫球桿的制作中得到了廣泛應(yīng)用，隨著這種碳纖維復(fù)合材料的記入，球桿的自重能夠大約減少10%~40%，同時(shí)使擊球的時(shí)間延長，能夠使球飛得更遠(yuǎn)。在網(wǎng)球拍的設(shè)計(jì)制作中，要求其重量要輕，這就使得質(zhì)量輕。比模量和強(qiáng)度相對較高的碳纖維復(fù)合材料得到廣泛應(yīng)用，采用該材料制作的球拍使球拍的初始速度明顯加快。另外，在自行車比賽中，為了提升車體的減震性能和剛性，諸如座位支架、車身構(gòu)架等等都用了碳纖維復(fù)合材料。

圖1 碳纖維網(wǎng)球拍Fig.1 Carbon fiber tennis racket

2.2 石墨烯復(fù)合材料。

從石墨中剝離的具有一層原子厚度的二維晶體即為石墨烯，其結(jié)構(gòu)的表層張力比較大，是一種理論模型，是無法獨(dú)立存在的。研究人員采用機(jī)械剝離法，也就是利用膠帶在石墨表層提取出單層碳材料，成功地提取出石墨烯，這也證實(shí)了石墨烯是可以獨(dú)立存在的。目前的研究發(fā)現(xiàn)，石墨烯是最強(qiáng)、最薄、導(dǎo)電性、導(dǎo)熱性最好，同時(shí)具有優(yōu)良柔韌性的納米材料，其輕薄程度甚至可以達(dá)到一個(gè)原子厚度。利用石墨烯為原料制成的復(fù)合材料具有優(yōu)良的耐熱性和尺寸穩(wěn)定性。利用石墨烯復(fù)合酶基材料處于20℃的情況下，其磨損體積大概能夠減少90%，在其中加入適量的石墨烯后，通過測試發(fā)現(xiàn)材料的熱疲勞壽命顯著增加，大概增加210%。此外還有許多研究人員展開了一系列理論性試驗(yàn)，證明在體育器械領(lǐng)域中，石墨烯高分子納米復(fù)合材料將會(huì)發(fā)揮巨大的作用。

圖2 石墨烯材料Fig.2 Graphene material

2.3 不飽和聚酯復(fù)合材料。

二元醇和二元羧酸經(jīng)過縮聚反應(yīng)生成的聚合物即為不飽和聚酯樹脂。其具有優(yōu)異的力學(xué)性能，且價(jià)格低廉，同時(shí)具有良好的韌性和耐腐蝕性能，因此被廣泛地制備和生產(chǎn)。憑借其優(yōu)異的韌性和耐腐蝕性，不飽和聚酯樹脂被廣泛用于防腐、結(jié)構(gòu)、絕緣體等復(fù)合材料中，以不飽和聚酯樹脂為原料制成的不飽和聚酯復(fù)合材料在體育器械領(lǐng)域的應(yīng)用主要有單雙杠、球拍、賽艇、跳板、撐桿、魚竿等等。

2.4 環(huán)氧樹脂復(fù)合材料。

環(huán)氧樹脂是一種熱固性樹脂，其分子結(jié)構(gòu)中有多個(gè)環(huán)氧基團(tuán)，加入恰當(dāng)?shù)脑噭?，其可以發(fā)生交聯(lián)反應(yīng)形成具有三維網(wǎng)狀的固化物結(jié)構(gòu)。環(huán)氧樹脂的主要類型是雙酚型環(huán)氧樹脂，也就是環(huán)氧氯丙烷與雙酚A的融合產(chǎn)物。環(huán)氧樹脂分子中有環(huán)氧基、醚鍵及脂肪族烴基等，它的這些極性基團(tuán)可以和硅酸鹽、金屬等材料的表面形成很強(qiáng)的分子間作用力，另外環(huán)氧基還可以和具有活性氫的材料表面形成化學(xué)鍵。環(huán)氧樹脂中醚鍵的存在保證了其分子鏈的料號(hào)的柔順性，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)了材料表層的順利擴(kuò)散。所以，環(huán)氧樹脂具有很強(qiáng)的粘著性，常常被稱為萬能膠，利用環(huán)氧樹脂復(fù)合材料鋪設(shè)的跑道能夠使運(yùn)動(dòng)員的蹬地力量顯著提高，使步頻、步速大大加快，進(jìn)而提高了遠(yuǎn)動(dòng)員的比賽成績。此外室內(nèi)場地鋪設(shè)中使用環(huán)氧樹脂涂料，由于其良好的彈性、柔韌性記憶緩沖性，能夠顯著緩解運(yùn)動(dòng)員身體關(guān)節(jié)和地面之間的沖擊力度，從而使運(yùn)動(dòng)員身體不受傷害，另外環(huán)氧樹脂復(fù)合材料還具有良好的消音性能，對減少比賽時(shí)的噪音起到良好效果。

2.5 三維紡織復(fù)合材料。

三維紡織復(fù)合材料具有優(yōu)良的力學(xué)性能，其質(zhì)量輕、抗沖擊性能良好。在運(yùn)動(dòng)護(hù)具的制作中，傳統(tǒng)的制作方式就是將紡織材料和橡膠進(jìn)行復(fù)合，采用該方法制作的護(hù)具具有一定的保護(hù)作用，但是其透氣性不太好，而且使用壽命不長，易于老化，同時(shí)大多數(shù)不能進(jìn)行回收再利用。隨著紡織材料加工技術(shù)的日趨優(yōu)化，在制作運(yùn)動(dòng)護(hù)具時(shí)采用高性能紡織材料，可以有效解決傳統(tǒng)護(hù)具中存在的這些弊端。熱熔性粘合纖維經(jīng)過加熱會(huì)熔融，同時(shí)具有一定的粘合性能，在這種熔融狀態(tài)下它能夠和三維卷曲中空滌綸纖維進(jìn)行粘合，從而制備運(yùn)動(dòng)護(hù)具。由于三維卷曲中空滌綸的纖維存在一種中空卷曲狀態(tài)，使得其制成的運(yùn)動(dòng)護(hù)具具有良好的透氣和蓬松效果，其強(qiáng)力也較大。該材料制成的運(yùn)動(dòng)護(hù)具具有優(yōu)良的透氣性好和緩沖性能，并且能夠回收再利用。此外，三維紡織復(fù)合材料能夠整體制造，能夠滿足各種運(yùn)動(dòng)護(hù)具的不同需求，在不久的將來這種環(huán)保型復(fù)合材料在運(yùn)動(dòng)護(hù)具的應(yīng)用范圍也會(huì)不斷增大。

3 環(huán)保型材料在體育領(lǐng)域的其他應(yīng)用

在體育領(lǐng)域中，環(huán)保型材料不僅僅用于體育運(yùn)動(dòng)器械的設(shè)計(jì)和生產(chǎn)，還被廣泛地應(yīng)用于體育場館的建設(shè)和裝飾，隨著人們對體育場館的各種需求不斷增加，體育場館的設(shè)計(jì)和選材上面都有了一些新的要求，此外體育服裝領(lǐng)域也使用到了新型的綠色環(huán)保材料，各種環(huán)保纖維被應(yīng)用的體育運(yùn)動(dòng)服裝的設(shè)計(jì)和生產(chǎn)當(dāng)中，滿足和不同運(yùn)動(dòng)員的個(gè)性化需求，下面簡要介紹了環(huán)保型材料在體育場館和體育運(yùn)動(dòng)服裝領(lǐng)域的應(yīng)用。

3.1 體育運(yùn)動(dòng)服裝中環(huán)保型材料的應(yīng)用。

在對體育運(yùn)動(dòng)服裝進(jìn)行選擇時(shí)，首要考慮的就是服裝的舒適度和穩(wěn)定性，因而促使了各類具有優(yōu)良性能的材料的開發(fā)和利用，目前應(yīng)用最為廣泛的有負(fù)離子功能性纖維、Outlast纖維和Coolplus纖維等。

負(fù)離子功能性纖維。負(fù)離子功能性纖維可以通過成纖高分子和具有負(fù)離子功能的無機(jī)添加劑共混紡絲而成，當(dāng)運(yùn)動(dòng)員穿上采用負(fù)離子功能性纖維制成的運(yùn)動(dòng)服裝時(shí)，在春雨水汽、摩擦、有氧等狀態(tài)下會(huì)產(chǎn)生大量的負(fù)離子，這些負(fù)離子會(huì)在衣服和身體之間構(gòu)成負(fù)離子空氣層，能夠使人體內(nèi)部的氧自由基無毒化，最終避免氧自由基對運(yùn)動(dòng)員身體的各種傷害。另外負(fù)離子功能纖維還能夠使人體體液的pH值達(dá)到pH值≈7.4的弱堿性狀態(tài)，該狀態(tài)下能夠活化細(xì)胞，加快身體新陳代謝，使人體血液凈化，能夠及時(shí)的清除人體內(nèi)的廢棄物。另外運(yùn)動(dòng)員穿上負(fù)離子功能纖維制成的運(yùn)動(dòng)服裝后，還能夠有效減少運(yùn)動(dòng)員運(yùn)動(dòng)之后體內(nèi)產(chǎn)生的乳酸，能夠使運(yùn)動(dòng)員的機(jī)體恢復(fù)加快。負(fù)離子功能性纖維還有一定的抑菌和抗菌效果。登山、賽車比賽或者徒步旅行的時(shí)候都可以選擇這種有負(fù)離子功能纖維制成的鞋襪或者貼身衣褲以及毛巾等，能夠有效地防止各種外界因素威脅人體健康，也確保在整個(gè)運(yùn)動(dòng)過程中人體皮膚的外環(huán)境保持干凈。

Outlast纖維。Outlast纖維是一種新型的腈綸，被業(yè)界稱為“智能空調(diào)腈綸”，有5 dtex,3.3 dtex，2.2 dtex等不同規(guī)格，長度在51~110 mm之間，紡織原料主要是毛條或者三纖，這種纖維材料主要應(yīng)用于戶外服裝面料制作中，如運(yùn)動(dòng)服、滑雪衫、滑雪褲等。其制備技術(shù)主要有共混紡絲和面料涂層，其中共混紡絲是將含有Outlast技術(shù)的微膠囊直接植入到腈綸之中，制成的纖維能夠進(jìn)行紡紗，而面料涂層則是將含有Outlast技術(shù)的微膠囊涂抹在紡織面料的表面。采用Outlast纖維材料制成的運(yùn)動(dòng)服裝，由于包含有成千上萬個(gè)具有能量轉(zhuǎn)換功能的微膠囊，可以做到持續(xù)的釋放能量和吸收能量，通過這種能量的釋放和吸收能夠調(diào)節(jié)溫度，所以穿上這種運(yùn)動(dòng)服裝能夠使人體保持在較為舒適的溫度范圍中，由此可見Outlast纖維可以用來制成冬暖夏涼的運(yùn)動(dòng)服裝。Outlast纖維也可以直接純紡，同時(shí)也能和棉、毛、麻、絲等天然纖維進(jìn)行混紡，針織和梭織皆可，應(yīng)用簡單，可以大量地應(yīng)用到戶外運(yùn)動(dòng)服、鞋類、運(yùn)動(dòng)胸衣、內(nèi)衣等方面。穿上采用Outlast纖維材料制成的服裝，能夠顯著減少過熱或流汗的情況，還能夠避免濕冷、抵御寒冷，滿足運(yùn)動(dòng)員的熱量需求，這也使得該種面料的運(yùn)動(dòng)服裝廣受消費(fèi)者的青睞。

圖3 納米微膠囊技術(shù)Fig.3 Nano microcapsule technology

Coolplus纖維是一種可降解、可再生的綠色環(huán)保纖維材料。Coolplus纖維的截面呈現(xiàn)“+”型，其表層有大量細(xì)微的溝槽存在，因此采用這種纖維材料制成的服裝具有優(yōu)良的速干功能和吸濕透氣性能，同時(shí)還能夠抵御寒冷，將Coolplus纖維制成面料可以單獨(dú)使用，進(jìn)行純紡，也可以和其他的諸如棉、毛、麻等纖維混紡，面料簡單易得，能夠大量的應(yīng)用于各種運(yùn)動(dòng)服裝。目前在許多不同的運(yùn)動(dòng)品牌中都可以看到Coolplus纖維面料的廣泛應(yīng)用，并且廣受各大消費(fèi)者的歡迎。

3.2 體育設(shè)施中環(huán)保型材料的應(yīng)用。

我國在體育場館建筑方面還存在著一些經(jīng)驗(yàn)不足的地方，在建設(shè)過程中也還存在一些問題，例如材料的選擇不夠科學(xué)，沒有采用更加綠色環(huán)保的材料等。也就是說目前我國體育場館建設(shè)中綠色環(huán)保材料的應(yīng)用還沒有普及，需要進(jìn)一步地加深。現(xiàn)階段國內(nèi)體育設(shè)施建設(shè)中使用到的環(huán)保型材料主要是環(huán)保玻璃、UPVC管材以及環(huán)保墻體等。

環(huán)保玻璃。傳統(tǒng)的建設(shè)過程中，硅酸鹽玻璃被大量的使用，其價(jià)格昂貴且玻璃易碎，并其硅酸鹽玻璃的制作過程中要消耗大量的熱能，給環(huán)境造成污染，同時(shí)造成資源浪費(fèi)。隨著科學(xué)技術(shù)的不斷進(jìn)步，近年來建設(shè)用玻璃的用量越來越大，研究人員也漸漸開發(fā)出各種新型的環(huán)保玻璃，如夾層玻璃、真空玻璃、泡沫玻璃和化學(xué)親和玻璃等等。夾層玻璃一般和混凝土搭配使用，其具有隔音和隔離紫外線的功能。泡沫玻璃主要是將廢舊的玻璃收集起來加入特定的添加劑，經(jīng)過發(fā)熔化工藝制成的，其密度較小，同時(shí)耐腐蝕性能優(yōu)異，所以被廣泛地應(yīng)用與建筑建設(shè)中。化學(xué)親和玻璃和夾層玻璃具有一定的相似性，同時(shí)還能夠根據(jù)室內(nèi)的溫度對透光度進(jìn)行調(diào)節(jié)。所以在建筑設(shè)施建造過程中使用綠色環(huán)保玻璃，不僅能夠發(fā)揮其自身的優(yōu)勢，還能夠體現(xiàn)現(xiàn)代建筑的美學(xué)魅力。

圖4 節(jié)能環(huán)保玻璃Fig.4 Energy saving and environmental protection glass

UPVC管材。排水管材在建筑設(shè)施中是必不可少的，在體育設(shè)施建設(shè)中，UPVC管材是一種使用較多的環(huán)保型材料。該材料的原料是聚氯乙烯，制備成的管材質(zhì)量輕、無毒、不含塑化劑，同時(shí)耐腐蝕性和柔軟性優(yōu)良，十分適用于供水管網(wǎng)。另外，UPVC管材不會(huì)導(dǎo)電，也不與堿或者酸性物質(zhì)發(fā)生反應(yīng)，在使用過程中不用另外涂抹防腐層?；赨PVC管材的各種優(yōu)良性能，其在建筑設(shè)施領(lǐng)域的應(yīng)用也越來越廣泛。

環(huán)保墻體。采用綠色環(huán)保材料制成的環(huán)保墻體能夠有效提高材料的使用壽命，同時(shí)增加墻體的穩(wěn)定性，使室內(nèi)環(huán)境的安全得到足夠保障。目前比較常見的環(huán)保墻體有以下幾種：模網(wǎng)混凝土，廣泛應(yīng)用與樓梯中；加氣混凝土砌磚，具有優(yōu)良的滲透性、隔熱性及抗裂性；空心墻板承重墻體，具有很強(qiáng)的承重力。

4 結(jié)語

由體育器械到體育運(yùn)動(dòng)服裝，甚至于體育設(shè)施的建設(shè)，體育領(lǐng)域中環(huán)保型材料的應(yīng)用越來越廣泛。盡管近些年來我國的體育行業(yè)發(fā)展迅猛，但是與一些發(fā)達(dá)國家相比還存在著一定差距，尤其是環(huán)保型材料的使用還不夠深入，綠色環(huán)保材料的研究和開發(fā)需要較高的成本，這也在一定程度上限制了環(huán)保型材料的普及，但是近些年來，隨著國家的大力支持，綠色環(huán)保產(chǎn)業(yè)在不斷擴(kuò)大，體育行業(yè)的科技水平也在不斷提升，相信在不久的將來，綠色環(huán)保材料在體育領(lǐng)域的應(yīng)用范圍會(huì)不斷增加，體育行業(yè)也會(huì)朝著更加環(huán)保健康的方向發(fā)展。