体育设施和运动器械用塑料及复合材料的选材

李珈骐

摘要：近年来，材料学发展的新领域是塑料及复合材料。相比较于传统的金属材料，塑料及复合材料具备更强的疲劳磨损性能，因此具备更长的应用年限。在体育设施与运动器械中应用塑料及复合材料，能够确保较低的制造与安装成本。尽管一些塑料及复合材料的价格贵、原料产量少，可是具备显著的环保效益，立足于长远而言，塑料及复合材料具备更加显著的经济效益。为此，本文主要分析了体育设施和运动器械用塑料及复合材料的选材原则和应用问题。

关键词：体育设施;运动器械;塑料及复合材料;选材;应用

中图分类号：TQ326.3文献标识码：A 文章编号：1001-5922（2019）06-0068-04

体育运动项目的水平和推广程度受到体育设施和运动器械的直接影响作用，而体育设施和运动器材中最为关键的因素是材料。当今，体育设施和运动器械的材料应用现状为：混合应用各种材料、逐步增加和扩大塑料及先进复合材料的应用面。当前体育运动的发展趨势是更强、更高、更快，因此需要体育设施和运动器材实现体育运动的发展要求，而塑料及复合材料的应用可以满足这种需要。

1 常用的塑料类别及特点

体育设施和运动器材囊括了很多的塑料类别，经常应用的塑料类别及其特点如下所述。

1.1不饱和聚酯及特点

固化之后的不饱和聚酯具备不透明或透明的特点，该材料的耐酸性与柔韧性优良，并且稳定性和力学性能优良，然而该材料缺少较高的耐热性和耐光性，一般跟纤维材料复合应用，例如，以手糊成型制作皮划艇身能够应用50%的玻璃纤维和50%的聚对苯二甲酸丁二醇酯，结合挤压以及缠绕成型能够制作成高尔夫球棒。

1.2环氧树脂及特点

固化之后的环氧树脂的特点是尺寸稳定性优良、抗腐蚀性好、力学性能高，因为其具备较多的固化体系，各种固化剂可以获得多样性的环氧树脂材料性能，所以能够结合各种应用行业实施异样的固化体系。除此之外，环氧树脂还能够跟纤维增强材料复合应用，以提高其力学性能，其被普遍地应用于制作撑杆中，而弓箭和鱼竿的制作也能够应用碳纤维和环氧树脂复合材料以缠绕成型的方法获得。

1.3聚邻苯二甲酸二烯丙酯及特点

聚邻苯二甲酸二烯丙酯的黏结性能优越，能够跟碳纤维和玻璃纤维等材料复合应用，以获得耐疲劳、韧性大、强度高的复合材料，尤其适宜应用于运动器材上。

2 用塑料及复合材料的选材原则

对于塑料及复合材料的在体育设施和运动器械中的应用而言，首先确保其满足制成品的基本性能，像是具备相应的韧性和强度等，然后再完善其它方面。下面，笔者综合性地分析了体育设施和运动器械用塑料及复合材料的选材原则。

2.1轻质化的选材原则

大部分的运动器械需要结合人力实现运动，为此，需要其具备较轻的质量，像是冰鞋、撑杆、赛艇、游泳衣等运动衣、跑鞋等运动鞋、滑雪板、皮划艇、自行车等。一部分需要凭借机械力实现运动的体育器械，其在一定功率的前提条件下，其主导依旧是轻质材料，像是电动游乐船、电碰车、赛车等。对于体育设施而言，轻质化非常便于维修、拆卸、安装等，以及轻质材料常常具备优良的阻尼减振性能，这也是体育场馆和跑道的需求标准。塑料及复合材料的一个典型特色是轻质化。当然，塑料及复合材料的密度也存在不同之处，通常而言，塑料的密度要小于复合材料的密度。

2.2耐老化的选材原则

需要在户外应用大部分的运动器械和体育设施，受到酸性气体和臭氧的作用、雨水侵蚀、紫外线和太阳光照射的影响，以及高温和低温交替的影响，导致缺少耐候性的材料颜色变暗、表面龟裂、出现老化等，这就需要塑料及复合材料的应用具备优良的耐老化性能。特别是对于露天的滑雪场围栏、场馆地板、跑道等体育设施而言，这种要求更高。

2.3好韧性与高强度的选材原则

大部分的运动器械需要具备轻质的特点，而减重的一个关键策略是减小材料的密度。除此之外，如果材料具备较高的强度，那么能够在实现相同力学性能的基础上降低使用的材料量，进而确保运动器械的轻质化。尤其是具备显著比韧性（性能和质量的比）、比模量、比强度的材料更适宜应用于体育设施和运动器材上。虽然金属（铝和钢等）的力学性能优异，可是其比模量、比强度都显著低于树脂基纤维增强复合材料。像是碳纤增强环氧树脂的比模量是铁、铝、钢的4～6倍，其比强度是铁合金的3～5倍，是铝合金的4～6倍，是钢的5～8倍。因此，在具备相同模量和强度的情况下，树脂基复合材料的应用能够大大降低制成品的质量。

2.4容易加工成型的选材原则

体育设施与运动器材中应用塑料及复合材料的一个关键要素是优良的成型加工性。通常而言，能够以热成型、挤出、吹塑、注塑等方法加工热塑性塑料和合金，较为简单。无论是热固性树脂基复合材料，还是热塑性树脂基复合材料，往往难以成型。然而，基于持续开发具备优良加工性能的树脂和该行业成型技术的不断进步，能够以相应的方式加工各种材料为成型产品。树脂传递模塑成型、拉拨成型、压制成型、真空袋成型、软模成型、缠绕成型、热压灌成型、压力袋成型等是先进复合材料的主要成型技术。不过，通常的复合材料也实施层压成型、喷射成型、手糊成型的方式，像是能够以手糊成型技术制作游乐船。

2.5其它方面的选材原则

在体育设施与运动器材中应用塑料及复合材料不但应坚持以上原则，而且应兼顾材料的性价比、舒适性、阻尼性、卫生性等。一些设施需要具备优良的阻尼减振性能，像是塑胶跑道、跳高缓冲垫、体育场馆地板;运动器具（像是运动服饰）的舒适性可以使运动员的成绩提升;卫生性需要应用的材料不会充满难闻、有毒、有害的气体，其属于运动卫生性提升的关键性标准;性价比也是需要关注的一个方面，在级别较高的运动比赛往往应用价格高、性能卓越的产品，往往较难普及和推广。

3 塑料及复合材料的选材应用

3.1水上运动设施的选材应用

船体材料需要具备较高的刚度和强度，为此，纤维增强塑料（像是玻璃纤维增强热固型树脂材料）被常常应用。另外，一部分性能高的纤维材料（像是高性能碳纤维材料）能够实现比模量和比强度的提升。帆船帆板应用的主导材料是丙烯酸酯/苯乙烯/丙烯腈共聚物、聚碳酸酯、聚苯乙烯等，一部分热固性树脂材料（聚氨酯和环氧树脂等）也在该领域中应用。主要选用芳纶纤维、碳纤维、玻璃纤维、石墨纤维等增强材料。而对于滑水板和冲浪板等设施而言，主要将聚氨酯泡沫复合材料和纤维增强塑料应用于外层，而主要将聚氯乙烯和乙烯基树脂等复合材料应用于内层。

3.2滑板运动设施的选材应用

滑板的主要组成部分是砂纸、轮子、支架、板体等，金属、黏土、橡膠是其最开始应用的材料，聚氨酯材料是当今的应用主导。对于其轮子，能够在控制聚氨酯使用量的基础上控制其硬度，以适应各种路面。将聚碳酸酯与聚丙烯应用于其塑料板面，这两种材料具备的强度和力学性能能够实现荷载情况下板面的不损坏或不变形。另外，塑料材料的轻质化特色便于使用和携带。

3.3球类运动设施的选材应用

各种球拍、保龄球、高尔夫球、棒球等是常见的球类，主要将发泡离子树脂应用于高尔夫球，应用聚对苯二甲酸丁二醇酯复合材料以及碳纤维增强塑料于球棒上，聚氨酯发泡材料是其里面的填充物。另外，垒球棒也能够应用纤维增强塑料制作而成，当今一般以玻璃纤维增强塑料和硬质聚氨酯泡沫材料制作高性能的垒球，这样不但使球棒高强和轻质，而且使球棒的寿命显著增加。在球拍制作上主要应用性能强的塑料复合材料，当今一般以玻璃纤维增强环氧树脂、碳纤维增强环氧树脂制作高档球拍。因为应用过程中的球拍受力十分复杂，不但要确保球拍的高强度弯曲功能，而且要确保球拍的强度和扭曲刚性优良。纤维增强树脂复合材料的特点是比模量、比强度高及轻质，还能够确保球拍的不变形。纤维增强塑料复合材料还可以吸能减震，能够尤为舒适地应用。

3.4自行车的选材应用

当前制造自行车中应用很多的塑料及复合材料，这提高了其性能和降低了车身质量。自行车中应用塑料主要存在两个方面：一是以数值基复合材料使自行车的附加值提升，降低车身质量，当今在车轮与车架中普遍地应用树脂基复合材料;二是在小型自行车制造中应用热塑性塑料成型。

3.5撑杆的选材应用

对于撑杆跳运动而言，木质材料是应用最早的材料，尽管其强度较高，可是缺少理想的弹性，以及质量较重。之后木质撑杆被竹制撑杆所取代，因为竹制撑杆的质量强和韧性强，从而显著提升了选手的比赛成绩。在上个世纪的60年代，撑杆制作中应用尼龙材料，然后逐步应用玻璃纤维增强尼龙材料，这显著提升了撑杆的性能。在研发性能更高的纤维材料影响下，玻璃纤维逐步被碳纤维增强树脂材料所代替，变成具备最为理想性能的撑杆材料。这是由于碳纤维增强撑杆材料的优势在于弹性形变性能优越，可以显著地储存能量，从而高效率地转变弹性势能为动能，让选手取得尤为理想的比赛成绩。

3.6跑道即运动场的选材应用

当今水泥地面逐步地被塑胶地板和跑道取代，其被普遍地应用于学校操场和体育场中，塑胶跑道的特点是美观、防滑、减震性好。对于塑胶跑道而言，其组成结构有很多层，其中有聚丙烯酸酯材料的塑胶弹力层（最上层）、乳状乙烯-乙酸乙烯酯和橡胶颗粒组成的塑胶层、乙烯-乙酸乙烯酯共聚物和沙子组成的过渡层等。另外，改性聚氨酯材料跑道的特点是环境友好型、低毒性，为此，人们越来越注重对传统聚氨性方法的分析。例如，纳米改性聚氨酯材料的弹性与强度非常好，以及具备显著的耐磨性能和耐老化性能，结合无机离子改性之后的聚氨酯复合材料显著优化了断裂伸长率和拉伸强度，因而具备尤为理想的耐热性和阻燃性。

3.7其它方面的选材应用

一部分体育运动项目常常要求保护好眼睛，护目镜以聚碳酸酯材料制作可以在破裂的情况下确保眼睛不被碎片伤害，运动头盔还能够以聚碳酸酯材料进行制造。也应用耐磨损和耐摩擦的聚氨酯材料制作溜冰鞋轮。应用聚甲醛材料制作滑雪杖，在实现要求机械强度的情况下还可以使其摩擦力减小。在制作钓鱼竿中还能够应用增强纤维的中高温固化环氧树脂，干法卷管成型是其制造工艺技术，这样制造的钓鱼竿具备光滑的表面，以及具备理想的力学性能。

4 结语

综上所述，跟传统的金属材料进行比较而言，塑料及复合材料具备尤为理想的性能，以及具备多样化和简单的成型工艺，其将尤为普遍地应用于体育设施和运动器械中。并且，体育设施和运动器械中应用塑料及复合材料还具备成本小、应用年限长等优势。在以后的发展中，塑料及复合材料将更加注重选用增强材料和树脂基体，从而使材料的性能变得尤为特殊，能够实现各种运动项目和比赛的需要。总之，基于社会的发展，人们对体育设施和运动器材的标准不断提升，塑料及复合材料的可设计性和多样性能意味着其发展前景将十分广阔。