工程复合塑料特性分析及其在现代体育设施中的应用

2019-02-10张含亮李宝强

粘接 2019年12期

张含亮李宝强

摘要：受自身特性影响，传统的普碳钢及铝合金材质的体育器械或健身机械，在使用一段时间后无法避免地出现腐蚀或变形等现象，一方面降低了体育器械的使用寿命;另一方面大大增加了人们在进行健身和运动时的风险隐患。文章在对体育器械和健身器械中使用频率较高的工程塑料及其复合材料进行简要分析的基础上，对各类型塑料或纤维复合材料的性能、特性进行了阐述。以水上运动设施、球类运动设施、滑板及其他运动设施为例，对塑料及复合材料在体育健身器械及设施中的应用、优势等进行了分析，并对该类型材料未来在体育器材中的应用趋势进行了展望。

关键词：塑料;复合材料;体育器械;健身器械;应用分析

中图分类号：TQ323 文献标识码：A 文章编号：1001-5922（2019）12-0128-05

随着我国经济的不断发展和国家精神文明建设进程的日渐推進，社会团体及个人对健康问题的重视程度越来越高，在闲暇之余进行锻炼和健身，成为现代人群生活中必须参与的环节[1-3]。同时，随着我国由全民体育到竞技体育的逐渐转变，高水平的竞赛越来越多，由此带来了巨大的体育产业需求，促使各类型的体育器械、体育设施以及建设器械逐渐向绿色、环保、轻量化等方向发展，传统的金属、木材材料逐渐被塑料、碳纤维等复合材料取代[4-5]。

我国的塑料及复合材料体育器械加工业发展迅猛，许多厂商和品牌都逐渐研发出了具有高性能、高质量，能够有效提升运动安全性的复合材料运动器械。但由于我国国民对新型材料认知程度较低、认可程度较差等问题，尚未在全国范围内得到推广[6-7]。常见的运动器械仍然以普碳钢材料主体为主。该类型材料经过汗水、雨水等侵蚀后，非常容易出现腐蚀现象，影响器械的使用寿命的同时，非常容易给参与运动的人员造成伤害。因此，提升运动器械的产品质量和使用过程中的稳定性，对于当下我国的体育事业发展来说至关重要。

与传统的普碳钢材料相比，塑料及其复合材料能够承受更高程度的疲劳磨损，拥有更长的使用寿命，同时由于其加工过程中能够使用较多的可回收物而具备了比传统器械更加低廉的成本[8]。尽管某些特定的部件需要一些价值较为昂贵的复合材料，但是该类型材料具备的性能往往要超出普通材料许多，如篮球鞋中底中常用的碳板便是碳纤维材料加工而成，相比于普通材料具有高出许多的抗扭转性能和稳定性，因而受到众多高端鞋类产品的青睐，从长远角度看，经济效益更为可观[9]。

1 工程塑料

1.1工程塑料性能简介

与普通的日用塑料不同，任一种工程塑料的发明目的都是要取代某些可替代金属零部件，而不完全是为了人们的日常使用[10]。工程塑料在体育器材中的使用优势及相应的主要性能有以下3点。

1.1.1具有更加优良的综合性能

与普通的体育用品塑料材料如聚丙烯、聚氯乙烯等相比，工程塑料如聚酰胺、聚甲醛、等的优势主要体现在：①工程塑料的温度适应性能更好，在某些冰雪运动项目如滑雪等运动中，工程塑料变现出了更加优异的耐低温性，不易因温度而出现形变或开裂;②具有更强的抗变形能力，比如某些由工程塑料加工而成的自行车头盔等，能够具备比普通材料明显更加优异的保护性能;③耐酸性、耐腐蚀性更强，某些与人体长期接触的运动器械，如护膝、各类型器材持握部位等会因为人体汗液等的影响出现腐蚀、形变，影响运动的安全性，而使用工程塑料加工而成的器械能够提升运动的安全性及该器械的使用寿命。因此，工程塑料比普通塑料、金属等材料具有更加优异的综合性能[11]。

1.1.2保证强度的同时获得更加轻量化的设计

出去某些以重量衡量成绩的体育运动如举重、投掷、力量器材等之外，通常的运动器械如滑雪板、各类型的运动鞋、护具等均要求质量越轻越好。工程塑料如聚酰胺树脂（即尼龙）、聚砜树脂（常用于生产无纺布）等能够在保证运动器械强度的同时大大降低运动器械的重量，在比如游泳等比赛中大大提升运动员的竞赛成绩。此外，自行车运动中车架、服饰、安全头盔及各类型护具中使用的工程塑料在保障运动员安全的同时，大大降低了车身重量以及进行自行车运动过程中产生的消耗，提升了便携性[12]。

1.1.3成本低、易加工

相比于传统的金属器材或木质器材，工程塑料的加工工艺要求相对较低，某些器材使用注塑工艺可直接一次成型，如网球拍、羽毛球拍等[13]。一方面易加工的特性大大降低了加工成本，另一方面也为大批量、低成本加工奠定了基础。因此某些金属制品运动器材已经逐渐被工程塑料器材所取代。

1.2几种塑料的力学性能研究

工程塑料的种类繁杂，以ABS （Acrylonitrile Bu-tadiene Styrene，丙烯腈一丁二烯一苯乙烯）、FRP （Fi-breglass Reinforced Plastics，玻璃纤维增强塑料）、PU（Polyurethane，聚氨酯）三者为例进行工程塑料力学性能研究对比[14-15]。相同实验条件下3种工程塑料性能详情如表1所示。

通过实验对比可知，3种材料性能各有优劣，其中，ABS材料的弯曲率仅13%，形变量明显小于另外两种材料，多用于加工需长期或大力量使用不变型的器材，如单杠、双杆等;FRP材料的拉伸强度450kgf/cm2，显著优于另外2种材料，多用于加工某些拉伸器材的握柄等;PU材料的冲击强度28kgf/cm2，比另外两种材料性能优异，因此多用于制作各种球类器材，如足球、篮球等的外皮等。此外，通过一定比例加工而成的复合材料能够同时拥有多种材料的优点，因而可提供更加丰富的加工工艺。

2 工程复合塑料

2.1性能简介

材料领域对复合材料的定义是，利用某种物力或化学方法，将两种或以上不同成分及性能的材料进行加工而产生的性能优异、缺陷较少的高性能组合材料。复合材料的特性主要有2点：①符合材料的综合性能由于组成该复合材料的单一各类型材料;②复合材料通常由机体（如金属、非金属）和增强材料（如碳纤维、玻璃纤维等各类型纤维）组成。复合材料的种类非常多，从家庭日用品、体育材料到航空航天器械、医疗器械等领域均被广泛利用。工程复合塑料在体育器材中的运用特点主要有以下4点。

2.1.1拥有较高的比强度和比模量

比模量=杨氏模量/p，该值的大小代表了对应材料或零件的刚性大小。以碳纤维复合材料为例，通常碳纤维材料的比模量是对应普通碳钢材料的5倍左右;比强度是普通碳钢的11倍左右。由碳纤维材料加工而成的体育器材能够拥有比普通碳钢高出许多倍的强度和刚度。

2.1.2密度小

密度小带来的优势是体育器材更多的轻量化设计。在某些运动如羽毛球运动、雪上运动、自行车运动中，对球拍、滑雪板、自行车等体育器械的轻量化设计能够较大幅度提升运动员的竞技成绩，同时也能够一定程度上对运动员提供保护。由于工程复合塑料（1.3g/cm3≤p≤2.0g/cm3）通常拥有远低于普通金属材料的密度（p铝=2.7g/cm3、p钛=2.7g/Cm3），通过科学合理的轻量化设计，即便保证相同几何尺寸的情况下，由工程复合塑料加工而成的体育器械其质量也要远小于普通金属材料。

2.1.3具有更加广泛的科研前景

作为工程符合塑料加工技术中的一种，纳米等级超分子成型技术利用改变纤维符合材料中的层次、组合方式及纤维方向，便能够研发出某些具有特定性能的复合材料。体育器械制造厂家能够更具不同的器械及应用方向定制不同的复合材料，甚至能够更具运动员的手型、力量或者其他综合条件量身定做适合其运动特征的运动器械。对于不同人群的体育器械适用范围及高端定制运动器械的研发提供了广阔的思路。

2.1.4具有更高的安全等级

使用普通的金属材料如碳钢等材料加工而成的器械，在经过大量人员使用以及空气中的酸性物质腐蚀后，通常会出现较为严重得耐久性下降的现象。同时，由于金属器械的自重往往较大，极易造成运动过程中的危险事故，威胁使用者的生命安全。复合材料由于具有极高的耐腐蝕性和刚性，在经过长时间使用后不易腐蚀、不易变形;由于自重较轻，即便在某些极限运动中发生疲劳性损坏也不会因为器械自重砸伤使用人员。同时，从微观角度分析纤维符合塑料的各个纤维方向上的受力差异不大，即便发生损坏也会使受力均摊到各个纤维，往往不会出现影响整体使用的大面积破坏。工程复合塑料的这些优点均能够保证为运动器械使用人员提供普通金属材料无法提供的安全保护。

2.2常见增强型塑料

增强型塑料是工程符合塑料中的重要组成部分，主要包含以玻璃纤维、碳纤维为基体的增强型工程材料。材料中各类型纤维的布局和性能对于复合材料最终的综合性能好坏有着决定性影响。体育器械中常用的增强型塑料主要有以下3种。

2.2.1织物类

植物类增强型塑料，即以预成型体结构的形式进行各类型纤维基体与增强材料的加工复合。采用该加工工艺加工而成的植物类复合材料能够有效避免出现纤维材料加工过程中的纤维缠结和剪切效应，从而保证加工而成的增强型织物结构具有明显优异的结构整体性和一致性。织物类材料的加工形式有针织、编织、机织等形式，加工过程中不需要进行二次成型，大大缩短了加工时间。如现在某些织物面类型的篮球鞋，既能够保证足够的稳定性用来维护运动中的各种形变，又具有明显优异的透气性和轻质性。

2.2.2无机纤维类

无机纤维主要的性能优势在于其具备较大的拉伸强度，如玻璃纤维、碳化硅纤维等材料的抗弯曲形变能力及抗冲击载荷能力性能要明显优于其他种类的体育器材材料。因此，无机纤维类材料被广泛用于各类型的球杆、球拍以及滑板等需要较强的抗冲击载荷性能的体育器材中。

2.2.3高强高模合成纤维

高强高模合成纤维主要包含芳纶、超高模量聚乙烯纤维和混杂纤维等。高强高模合成纤维的最大特点是具有高强度、低密度以及能够与基体树脂进行良好的加工结合性能等。尤其高强高模合成混杂纤维又同时具备了其他纤维两种或两种以上的不同纤维结构，能够根据具体的用途进行定制，从而满足不同的运动种类和运动器械需求。

3 塑料复合材料体育设施和健身器材品种

3.1水上运动设施

水上运动器械或设施中经常用到工程塑料或其复合材料的有赛艇、皮划艇、帆船、水上摩托等。其中，芳纶材料以其密度低、耐水性强、耐腐蚀性强的特点而被广泛应用于各类型船艇的帆布设计中;碳纤维材料及不饱和聚酯树脂复合物、玻璃纤维等材料则多见于船艇的船身和骨架;碳纤维增强塑料、环氧树脂复合物和泡沫加层板等材料多被用于加工各型号的桨或桨杆。此外，乙烯基酯树脂和聚氯乙烯复合材料等则多被用于加工冲浪板、滑水板的内层;外层则多采用纤维增强塑料（玻璃钢）和聚氨酯泡沫复合材料（RPFC）等材料加工制成。

3.2球类运动设施

球类运动设施使用工程复合塑料作为加工原料的运动种类非常多，常见的有羽毛球拍、网球拍，高尔夫球、垒球及球棒、棒球及球棒、手套等。其中，网球拍或羽毛球拍的骨架使用的材料多数为碳纤维一聚乙烯复合材料，该材料耐腐蚀性强、强度高、质轻，能够降低运动过程中的损耗，球拍的网则多由芳纶或聚酰胺等材料加工而成，具有较强的耐久性;高尔夫球、部分硬质棒球、垒球的加工原材料主要是发泡离子树脂;垒球或棒球棒使用的加工原材料为碳纤维一聚对苯二甲酸丁二醇酯复合材料，或者玻璃纤维一聚对苯二甲酸丁二醇酯复合材料。

3.3滑板

滑板是由冲浪运动演变而来的一种极限运动。工程复合塑料在该类型运动中使用的时间最长、成熟度最高。当前全球范围内的滑板加工材料基本已经全部采用工程复合材料聚氨酯加工而成，用以替换木质材料。滑板的主要结构包括支架、轮子、板体、轴承、砂纸等。其中，考量滑板质量高低、性能优劣的主要标准是轮子和板体的好坏。通过控制其中聚氨酯的含量和比例，能够帮助使用人员选择适合不同地面类型的轮子。如硬度85A的轮子质地软，具有良好的抓地性，因而比较适合在较为粗糙的地面进行使用;97A-103A的轮子则由于质地较硬、抓地性能相对较弱，而被广泛应用于光滑路面。

在全面使用聚氨酯作为滑板板面的加工材料之前，高端板面多使用加拿大枫木加工而成（也有黄桦、椴木等），木质材料加工而成的板体具有较好的弹性和稳定性，通常在使用过程中不易发生形变，能够使用较长时间。然后，木材在受潮之后的性能往往会发生很大程度的下滑，出现变形、开裂等现象，较易导致板体出现尺寸变化。同时由于枫木板价格较为昂贵且维修保养不便，近些年已经逐渐被工程复合材料等取代。

工程塑料滑板的主要成分为聚丙烯和聚碳酸酯，其材料特性为密度低、强度高、具有良好的力学性能以及较高的抗疲劳性。使用聚丙型和聚碳酸酯加工而成的板面能够保证长时间使用不发生形变，同时能够应对各种滑板动作的冲击。由于采用工程复合塑料加工而成的滑板具有质量轻、易携带、价格低廉、使用寿命长的特点而被广泛应用于中低端滑板的加工和设计中。

如图1所示是某品牌滑板的板体结构剖面图。其中1为滑板板体表面的环氧树脂一玻璃纤维复合层，其主要特性为耐水性强、耐腐蚀性强，能够帮助板体整体避免被水分或潮气渗透，同时该类型材料具有优异的耐磨性，能够增长板体的使用寿命;2为枫木半层，该品牌滑板采用了木一塑多种材料加工工艺，利用枫木良好的弹性和抗塑性形变性能来保证板体的设计尺寸及形状，同时避免在受到剧烈冲击时发生板体变形;3和6是滑板版面两侧互相垂直的竹木板层，利用竹木材料的剪切切力的特点提高滑板各方向上的剪切切力性能;4为碳纤维符合材料层，该层具有密度低、强度高、耐久性强和抗震性能好的优势，是整个滑板板体的核心部位，有利于保证板体轻质的同时，增强板体的刚性，同时易于保养和维护。目前这种以多种材料复合加工而成的滑板板体已经逐渐成为高端滑板器械中的主流加工和设计方向。

3.4其他运动设施

其他使用工程復合塑料加工而成的体育设施还有自行车、游泳池、跳水板、运动衣、体育操场等。其中碳纤维自行车架、双叉臂等新型零部件已经逐渐成为高端自行车或竞赛用自行车的标配，大大降低了自行车车重的同时提升了车身刚性和耐用性，但是缺点是价格较为昂贵;游泳池多采用无捻玻璃布和不饱和聚酯树脂复合材料以手糊和层压的方法进行制备，能够保证游泳池在较短的加工工期内完成建设，同时能够保证泳池长时间使用不发生脱落或变形、开裂的现象。多层材料复合加工而成的跑道已经逐渐代替了传统的水泥、沙土，既美观、易于清洁，同时又能够提供较大的摩擦力提升运动员竞技水平。同时，由工程复合塑料加工而成的塑胶跑道还具有更加环保的特征。常见的塑胶跑道结构如图2所示。

图2中第4层是沙子与乙烯一乙酸乙烯酯共聚物组成的过渡层，第5层是橡胶颗粒与乳状乙烯一乙酸乙烯酯组成的塑胶层，第6层的主要材料为聚丙烯酸酯。

4 结语

塑料及复合材料相比于传统的体育用品加工材料如木材、钢材等来说，综合性能更为优异，更易加工成型，具备更广泛的用途。因此，将该类型材料与各类型体育器材的结合，能够显著增强设备稳定性，在对设备减重的同时增加设备或器械的使用寿命。文章对塑料、复合材料的性能进行了综合分析，在此基础上结合实际应用案例对塑料及复合材料的应用进行了综述和展望。目前我国体育领域应用塑料和复合材料的研究相对较少，与我国体育产业中对塑料和复合材料的大量应用的情况不相符。因此，作者认为对塑料及复合材料在体育领域中的应用进行一次分析能够为相关各领域研究人员提供借鉴和帮助。

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