塑料复合材料在体育设施中的应用

张新

摘要：塑料复合材料是近些年来材料学研究的重点领域之一，通过强化塑料基与其他材料的结合，能够改变传统塑料环保性能不足、应用范围狭窄等方面的劣势。在体育设施中广泛应用塑料复合材料，能够根据不同的塑料复合材料所拥有的特征，提升体育运动的舒适性和安全性，提升专业运行员的运动成绩，促进体育产业的整体发展，为国民健康和社会经济发展做出巨大的贡献。

关键词：体育设施;塑料复合材料;体育运动

中图分类号：TQ327 文献标识码：A 文章编号：1001-5922（2019）12-0049-04

提升塑料复合材料在体育设施中的应用水平是未来体育行业发展的重要趋势之一，塑料复合材料的应用，不仅能够改变传统材料给体育事业本身发展带来的限制，还能够改变由于传统生产工艺带来的环境污染问题，满足绿色材料应用和生产的需要，为环保事业做出贡献。但是由于塑料复合材料在普通社会群体中的认知度较低，体育活动开展水平较低等方面的影响，使得相关体育设施在推广应用过程中存在较大的限制。

1 塑料复合材料的概念和研究进展

1.1塑料复合材料的概念

在认识塑料复合材料时，首先需要明确塑料材料本身是一种高分子材料，并不属于复合材料。其次是由于塑料复合材料目前还处于快速发展的阶段，相关的研究还在持续进行，并且由于研究领域的不同，所给的定义也有着较大的差异。但是就其本质上而言，塑料复合材料是由包括塑料材料在内的两种或者两种以上的材料经复合效应产生的新型材料，从结构角度而言，复合材料包含有基体材料和增强材料。在实际生产过程中，复合效应包括线性效应和非线性效应两种类型，两种效应之间的区别在量與量之间分别呈现出正比和曲线关系。在复合效应作用下产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备的新性能。

1.2塑料复合材料的研究进展

据能够查找到的资料显示，塑料复合材料在我国的研究起始于上个世纪七十年代，经过五十多年的发展，目前塑料复合材料不仅在应用领域上得到了极大的扩展，而且在生产工艺和材料复合组成等方面也取得了较为明显的成就。目前塑料复合材料的研究在材料研究上主要集中在热塑性塑料、生物炭复合材料、纳米碳酸钙复合材料、生物基纤维复合材料、木塑复合材料、塑料一陶瓷复合材料等各个方面。在应用范围的研究上，已经从传统的军事和航空航天等领域扩展到汽车、给排水管材、体育设施等各种民用领域中。但是从整体上而言，我国在塑料复合材料的研究上虽然起步较早，但是目前与国际先进水平之间依然存在较大的差距，还有较大的提升空间。

2 塑料复合材料在体育设施应用中的优势

2.1更好的力学性能

在描述材料的力学性能时，通常用比强度和比模量来表示。比强度是用来描述材料自身拉伸强度与材料表观密度比例的单位，比模量则是描述材料的模量和密度比例。比强度高表明在同等强度条件下材料本身的质量更轻、比模量高则表示材料在同等承载能力下，材料的密度更低。塑料复合材料生产过程中，以不同的炭纤维作为增强材料，较之于传统的钢材料在比强度和比模量上可以有数倍的提升，以塑代钢在未来体育设施行业发展中必将成为重要趋势之一。

2.2更好的安全性能

运动员在完成体育动作时，大多需要借助于对应的体育器械，在使用过程中如果发生过载的情形，传统的金属材料质地较脆，抗冲击性能较差，容易给运动员带来较大的伤害。塑料复合材料在依托于增强材料特性的作用下，能够在将过载力的作用限定在一定范围内，在体育设施部分发生断裂等情形时，不会影响到其他部位的应力性能，极大的提升了体育设施的安全性能。

2.3更好的减震性能

塑料本身属于高分子聚合物，在发生形变时具有黏性和弹性双重特征，目前已经研发成功并投入应用的超高分子量聚乙烯纤维，其性能更加全面、更加优异。在塑料与碳纤维材料进行复合成型时，由于二者具有的特殊结构，能够在界面形成密布的裂纹。在产生应力作用时，这些裂纹处可以产生对应的摩擦力，而应力作用消失时，摩擦作用所产生的动能则会转化成热能，这种转化过程即是以更好的减震性能来体现的。拥有更好减震性能的材料，不仅能够对运动员成绩的发挥起到推动作用，在更大程度上能够起到保护运动员的作用。

2.4可成型性强

体育设施的研究在体育事业的发展过程中涵盖多个不同的方面，在某种程度上而言，体育设施的形态更新对运动员的成绩提升、大众体育锻炼的效果等方面也有着重要的影响。但是受制于加工工艺和生产成本等方面的影响，某些体育设施形态的更新只能停留在图纸设计和小批量生产的阶段，无法满足体育设施生产的需要[1]。塑料复合材料在应用于体育设施的生产过程中时，可以根据增强材料的特点，采用缠绕成型、模压成型、RTM成型和拉挤成型等不同的制备方法，通过相应的加工工艺改变碳纤维的排列方向，从而使塑料复合材料达到一次成型的目的，更好的提升体育设施的综合性能。

3 炭纤维增强塑料在体育设施中的应用

炭纤维增强塑料的研究历史较为悠久，生产工艺较为成熟，在体育设施中的应用范围最为广泛，取得了较好的经济效益和社会效益，也是目前塑料复合材料在体育设施应用研究中最为集中的热点方向。碳纤维增强材料是将塑料和炭纤维分别作为基体相和增强相进行固结，并分别起到传递应力和承受应力的作用。炭纤维增强塑料较之于传统材料而言，具有更加优异的力学性能，具有良好的减震性能和安全性能，在其生产和应用过程中还具有较好的环保性能。在目前已经投入生产和应用环节的碳纤维增强塑料主要应用于球拍类体育器材、杆棒类体育器材和板类体育器材中。

球拍类体育活动有多种，包括羽毛球、网球等，不同的运动类型对于材料的要求也存在较大差异，一般情况下而言，对于拍面部分而言，需要具有较好的延展性、抗冲击性和减震性能，而拍柄部分则要求具有合适程度的摩擦力，既能够保持运动过程中的舒适度，又能够帮助运动员更好的判断和控制球类运动的轨迹，取得更好的运动成绩[2]。在相关学者的研究资料中显示，炭纤维增强塑料在网球拍生产中的应用已经有数十年的历史，由于其自身所具有的特性，已经逐步替代木质材料和铝制金属材料，在网球拍材料中占据了主导地位，并且随着相关研究技术的发展，关于炭纤维材料的研究和革新还在持续进行之中。

塑料复合材料在杆棒类体育设施中的应用，主要集中在撑杆、鱼竿和高尔夫球棒等体育活动中，这些体育活动对器材性能的要求主要是集中在弹性和韧性等方面。足够的弹性能够使体育设施在发生应力作用后迅速恢复到原来的状态，具有较好韧性的塑料复合材料能够在体育设施发生变形和断裂过程中吸收掉更多的能量。基于塑料复合材料应用生产的杆棒类体育设施，不仅能够帮助运动员取得更好的竞技成绩，还能够延长体育设施的使用寿命，提升运动过程中的安全度。

板类体育设施包括乒乓球拍、滑雪板、帆船板等，将塑料复合材料应用于这些体育设施时，能够更好的发挥其强度、韧性和抗冲击性等方面的特征。由于是对于一些水上运动设施而言，尽量减少水流的阻碍作用，提高体育设施的使用寿命，是进行材料研究过程中需要注意的重要问题，不同特性的塑料复合材料在不同位置和零件的应用，能够改进传统材料应用中的不足，更好的满足相关体育设施的使用需求。

4 生物质塑料复合材料在体育设施中的应用

生物质塑料复合材料的研究也已经有了多年的历史，并且在包括保温材料、包装材料、汽车、电器、日用品和建筑材料等多个行业得到了广泛的应用。生物质塑料复合材料在社会生产生活中得以广泛应用的主要原因是其来源更加广泛，具有良好的生物降解特性，对于制备途径要求较低，能够极大的减少化学材料生产过程中产生的污染现象，具有良好的环保性能。例如国际乒联在2014年对生产乒乓球的材料进行严格改进之后，虽然在生产成本上有所提高，但是改变了传统塑料生产出来的乒乓球具有易燃性的缺陷，将其从易燃易爆物品名单中剔除，从而取消了大型比赛用球无法通过航空运输的限制，在整体上降低了乒乓球赛事的运营成本[3]。生物质塑料复合材料不仅来源广泛，而且类型众多，具有良好的应用特性和广泛的应用范围。

生物质塑料复合材料相对于传统塑料和金属材料具有写对材质轻的特性，不仅能够运用于皮划艇、运动型自行车等对力量持久性要求比较高的体育设施中，还能够应用于运动鞋和运动服装等运动设备中。在这些设施的帮助作用下，能够减少运动员在比赛过程中不必要的体力消耗，改变体力的整体分配，提升整体运动成绩。

生物质塑料复合材料在工艺加工过程中，通过添加相应的辅助材料来提高其使用寿命。在现代体育发展过程中，全民健身活动的开展逐渐贯穿于社会各个阶层中，大量的室外公共健身器材被投放到所需求的地区。这些室外公共器材在使用过程中不仅要受到紫外线、风沙、氧化、雨水等自然环境的影响，还会遭受到不同的人为破坏作用。尤其是对于体育设施的表面材料而言，在重点使用部位经常会出现老化褪色甚至脱落的现象。通过纤维增强聚合物基的复合作用，能够改善生物质塑料复合材料的抗老化性能，提升体育设施对盐雾、氧化和湿热等环境的抗侵蚀能力，从而提升体育设施的使用寿命。

以硅橡胶和塑料基复合而成的材料，由于硅橡胶原子结构分布特性带来的耐高温性特征不仅能够得以保留，还能够得到极大的提升。这种塑料复合材料大多是应用于跑道和训练场地的铺垫层中，其能够在超出180℃的情形下保持原有弹性超过数周或者更长时间[4]。同时，某些材料还能够保持较高的氧气透过率，从而提升训练场地内的整体空气环境。

木塑复合材料是将塑料和植物纤维进行处理之后，经过挤出加工或其他工艺处理而制成的复合材料，工艺处理的方式包括物理技术、化学处理以及新型材料加工工艺，不仅在加工过程中不添加工业胶等有害物质，而且工艺加工过程中具有操作流程简单、能耗低等特征，因而在大型体育场馆的基础建设和运动场座椅等设施中具有广泛的应用范围。随着木塑产品生产工艺的进一步成熟，其在体育设施中的应用范围必将更加广泛。

5 塑料复合材料在体育设施应用中存在的问题及解决措施

5.1整体发展水平较低

塑料复合材料在体育设施在发达国家具有较为悠久的历史，经过数十年的发展，已经形成了规模化的产能，并且在多种产品的生产工艺上达到了更高的水平。就世界范围而言，塑料复合材料的产能主要集中在日本、美国和荷兰三个国家，据有关数据资料显示，这三个国家相关企业的产能占到世界总产量的80%以上，而我国只有在部分种类产品的生产上占到了一定的优势[5]。就我国目前在塑料复合材料生产上而言，多数产能主要集中在珠三角及东南沿海地带，内陆部分城市中有零星企业分布，这些企业一起构成了我国塑料复合材料为原材料的体育设施产业，为推动我国相关产业的发展做出了巨大的贡献。但是就整体上而言，我国在塑料复合材料的生产上水平还处于比较低的水平，一方面是由于在技术更新和生产工艺研究上，较之国外同一行业还有比较大的差距，另一方面是由于我国经济发展水平还比较低，在精神文明建设和体育事业发展上与国外发达国家之间还存在较大的差距。想要促进塑料复合产业的整体发展水平，不仅要强化这方面的技术要求，更要能够通过工艺更新来降低塑料复合材料的整体生产成本，使其在替代传统材料的应用过程中能够具有性能上的优势和经济性上的优势，真正达到物美价廉的效果，而不是将以塑料复合材料生产出的体育设施简单的成为高端体育器械，限制了其在大众体育活动开展过程中应当发挥的作用。提升塑料复合材料在体育设施中的应用水平，需要充分发挥市场竞争机制，在相关政策的引导下，积极引导社会资本进入研发生产领域，在竞争中促进整体发展水平的提高，尽快缩短与发达国家之间的差距。

5.2应用范围较为狭窄

目前我国在体育设施生产过程中，对于研发工作的重视程度不够，将复合材料应用于实际生产时，更多的是从国外引进成熟的生产工艺。在相关的研发平台上搜寻相关材料，大多只是在整体上对塑料复合材料的应用程度予以简单说明，而整体应用范围也只限制在较为成熟的产品中。无论是在新型塑料复合材料的研发上，还是在替代传统的金属材料等实际应用上，不仅缺乏相关的研究深度，更缺乏研究的寬度，有些研究内容甚至还停留在20世纪70年代的水平，与社会发展和人们精神文化丰富的需求之间存在较大的距离。就塑料复合材料自身的特性而言，其应用范围几乎可以涵盖现有体育设施生产的各个环节中，尤其是在国家“以塑代钢”政策的推动下，在体育设施生产上具有更加广阔的空间。要想顺应时代发展的潮流，真正拓展塑料复合材料的应用范围，不仅需要在对塑料复合塑料研究过程中尽量规避其自身现有的缺陷，更应当拓展其研究范围，提升其研究水平，为体育设施的发展做出更大的贡献。

5.3产学研相脱节

塑料复合材料的研究是以传统塑料产业为基础来开展的，在其研究过程中必须以社会生产为目标导向，但是目前我国高端塑料产业本身就与世界发达国家之间存在较大的差距，由此导致塑料复合材料的研究内容相对比较落后，在投入生产环节时在竞争力上存在较大的欠缺。对于体育设施生产企业而言，其生产的主要目的是为了在确保产品性能的基础上取得更多的经济效益。因此在企业对原材料的选择过程中不仅注重材料的性能，更加重视产品的实际生产成本，企业生产的产品在市场上是否具有相当的市场竞争力[6]。产学研相脱节的现实状况，使得大学的相关学科建设和研究机构在开展研究工作时，无法与体育设施生产的实际需求结合在一起，使得研究工作的开展无法产生应有的经济效益和社会效益，限制了我国塑料复合材料行业研究水平的提高。而企业在生产过程中更加注重材料性能和生产成本的综合要求，在生产过程中为了达到更高的水平，更加主动的采用进口材料来进行生产，以此更加限制了相关要求的发展。在塑料复合材料的发展和应用过程中，必须要在相关部门的引导下，建立起高效运行的塑料复合材料产学研一体化的平台，在研究工作和产业应用之间建立起高效的沟通平台，以此提升塑料复合材料在体育设施中的应用水平。

6 结语

塑料复合材料在体育设施生产和建设过程中具有广阔的应用范围，在未来体育事业发展过程中必将起到更大的推动作用。就目前我国在这方面的发展水平而言，距离世界发达国家之间还有较大的差距。正视和面对这种差距，采取更加积极的状态来迎接行业发展中的挑战，是相关从业者必须坚持的方向。

参考文献

[l]张国胜.体育器材中碳纤维增强塑料的应用研究[J].塑料工业，2019，47（06）：166-169.

[2]李珈骐.体育设施和运动器械用塑料及复合材料的选材[J].粘接，2019，40（06）：68-71.

[3]任军，张惠芳.聚氨酯在塑料跑道中的应用研究进展[J].塑料工业，2017，45（12）：6-10.

[4]李硕.新型材料对体育器材影响现状分析[J].当代化工研究，2017（08）：15-17.

[5]体育设施和运动器械应用塑料復合材料[J].国外塑料，2009，27（10）：65.

[6]廖正品.塑料与奥运及中国塑料工业的现状和发展[J].汽车工艺与材料，2008（05）：65-67.