聚乙烯材料制备的体育运动器材的综合性能研究

孟祥龙 Lee Sang-heang

摘 要：随着研究的不断深入，各种新型材料层出不穷，这些材料在体育运动器材中的应用也越来越广泛。在这些新型材料中，聚乙烯材料以其优异的抗冲击、蠕变、力学、热稳定等性能成为体育运动器材中普遍运用的材料，例如聚乙烯纤维、聚乙烯泡沫、聚乙烯板材等材料被应用于各种不同的体育运动场景中。研究证明由聚乙烯材料所制成的各种体育器材，能在各方面满足体育运动过程中的苛刻需求，对运动员起到很好的保护作用。另外，聚乙烯材料优异的热稳定性使其延长了体育运动器材的使用寿命。文章以此为基础，研究了聚乙烯材料制备的体育运动器材抗弯曲、蠕变性能，力学性能，耐冲击性能，耐磨、耐低温性能，抗湿、抗化学腐蚀性能及其热稳定性，对于聚乙烯材料在体育运动器材中的运用及其发展具有重要意义。

关键词：聚乙烯材料;体育运动器材;综合性能

中图分类号：TQ325 文献标识码：A 文章编号：1001-5922（2021）09-0079-04

Research on Comprehensive Performance of Sports Equipment Made of Polyethylene Materials

Meng Xianglong1，2， Lee Sang-heang2

（Xi an Polytechnic University， Xi an 710048， China; 2. Jeonju University， Jeonju 55068， Korea）

Abstract：With the deepening of research， a variety of new materials emerge in endlessly. The application of these materials in sports equipment is becoming more and more extensive. Among these new materials， polyethylene materials has become commonly used materials in sports equipment due to its excellent iMPact resistance， creep， mechanics， and thermal stability. Such as polyethylene fibers， polyethylene foams， polyethylene sheets and other materials are applied to various sports scenes. Studies have proved that various sports equipment made of polyethylene materials can meet the demanding needs of sports in all aspects， and play a good protective role for athletes. In addition， the excellent thermal stability of polyethylene materials makes it prolong the service life of sports equipment. Based on this， the paper studies the bending and creep properties， mechanical properties， iMPact resistance， wear resistance， low temperature resistance， moisture resistance， chemical corrosion resistance and thermal stability of sports equipment made of polyethylene materials. It is of great significance to the application and development of polyethylene materials in sports equipment.

Key words：polyethylene material; sports equipment; comprehensive performance

0 引言

隨着生活水平的提高，人们开始关注生活质量和身体素质，于是全民运动事业逐渐开展，体育事业也随之发展迅速，各种新型材料在体育运动器材中的应用也越来越广泛。聚乙烯材料作为热塑性树脂，以其耐低温、抗冲击、耐磨等优势，被广泛应用于体育、建材等各个领域，受到众多人的青睐。在体育运动器材领域中，各种形态的聚乙烯型材都受到广大运动员的欢迎。例如由聚乙烯纤维制备而成的球拍网线、人造草坪球场;由聚乙烯泡沫制备而成的体操垫、地垫等保护设施;有聚乙烯材料制备而成的航标浮标、仿真冰板。聚乙烯材料在体育运动器材中的应用提高了器材的使用寿命、抗冲击等性能，在其使用过程中不能能给运动员带来很好的体验感，还能起到保护作用。本文针对聚乙烯材料的各种性能以其在体育运动器材中的各种应用，分析了聚乙烯材料制备的体育运动器材的综合性能，对聚乙烯材料的推广应用，以及改性研究起到了参考作用，对于体育事业的发展也具有重要意义。

1 良好的抗弯曲和蠕变性能

1.1 抗弯曲性能

由聚乙烯制备的聚乙烯纤维材料具有强度高、抗冲击性能好等优势，因此被广泛应用于体育运动器材中，例如由聚乙烯纤维及经过改性的聚乙烯纤维制备而成的网拍网线、滑雪板等。聚乙烯纤维的制备方法多种多样，有高压固态挤出法、增塑熔融纺丝法以及冻胶纺丝-超倍拉伸法等。国内一家公司以聚乙烯纤维等为主要原料，在添加了一些其它的辅助材料后成功制备了羽毛球的球拍网线，该球拍网线具有较高的抗弯曲性能、使用寿命较长，还具有较强的抗冲击性能、吸振性能等。经验证，该羽毛球拍在控球、吊球、放网等各方面的动作中都有较好的击球效果。

值得注意的是，温度对于聚乙烯材料的弯曲性能有很大的影响。当温度低于室温时，聚乙烯材料容易脆化，其弯曲模量增大，且此时的弯曲模量高于室温;随着温度由低变高，聚乙烯材料的弯曲性能逐渐变差，其抗弯曲性能逐渐减弱;在温度高于室温时，聚乙烯材料的刚度变差，抗弯曲性能减弱，这是因为，随着温度的升高，聚乙烯材料内的分子热运动加剧，分子间作用力随之减小，材料的抗弯曲性能变差。

1.2 蠕变性能

蠕变是指材料在恒定的作用力条件下其形变随着时间的延长而逐渐增加的现象。一种材料的蠕变性能关系到材料尺寸的稳定性，如果一种材料极易发生蠕变，会直接影响其尺寸，那么其在应用过程中会有很大的限制，因此在材料进行应用时，对其蠕变性能的研究有重要意义。聚乙烯材料的蠕变性能与其分子结构有紧密的联系，长链聚乙烯材料分子之间的相互作用力较小，分子之间容易发生滑动，因此聚乙烯材料具有蠕变性能。如图1所示为聚乙烯材料在30kN、40kN、50kN作用力下的蠕变曲线，在不同的作用力下，聚乙烯材料的压缩蠕变分别为8.1%、12.1%、16.3%。从图中可以看出，随着作用力的增大，聚乙烯材料的蠕变应变越大，因此在对聚乙烯材料的应用中要具体考虑聚乙烯材料的蠕变性能，从而发挥其最大的优势。

2 优良的力学和耐冲击性能

2.1 力学性能

高分子量的聚乙烯材料的力学性能较好，在具有相同的线性密度时，超高分子量聚乙烯材料的拉伸强度高于钢丝绳约十几倍，且高出芳纶纤维40%，高于普通化学纤维和钢纤维的十倍。另外，聚乙烯材料的强度和模量在相同质量的聚烯胺、碳纤维和硼纤维等材料中也占据最高水平。

2.2 耐冲击性能

聚乙烯纤维耐冲击性能优异，在受到外力冲击的过程中发生形变，因其优异的吸收能量和抵抗冲击的能力被誉为“世界三大高科技纤维”，且高于另外两种纤维芳纶纤维和碳纤维。在对聚乙烯材料进行冲击试验时，发现聚乙烯冲击试样在断裂过程中吸收的能量高于芳纶纤维、碳纤维和玻璃纤维的1.8～3倍。并且与这3种纤维相比，聚乙烯纤维的防弹能力也较高。另外，从冲击韧性的角度来看，在高速冲击过程中聚乙烯纤维所吸收的能量是芳纶纤维的两倍。聚乙烯纤维的耐冲击性能使其在体育运动器材运用中能发挥其巨大的优势，尤其是在网球拍和羽毛球拍网线中的应用，给运动员带来很好的体验感的同时，又延长球拍的使用寿命。

3 耐磨和耐低温性能

3.1 耐磨性能

对于一般的材料来说，其耐磨性会随着材料模量的增大而随之减小，但是由于聚乙烯材料的摩擦系数较小，因此随着聚乙烯材料模量的增大，其耐磨性随之增大。由聚乙烯材料制备的滑雪板等因其优异的耐磨性能，受到广大体育运动器材生产商的青睐。根据磨损率的计算公式：

其中，V=?m/ρ为材料的磨损体积，ρ为试样的密度，?m试样在磨损后的质量损失，F为实验过程中的摩擦力，D为试样的滑动距离。在对聚乙烯材料磨损率测定实验研究中发现，与碳纤维、芳纶纤维等所形成的增强塑料的磨损率相比，聚乙烯的磨损率远远小于其他两种材料，因此其耐磨性能要远高于这两种材料。与金屬材料相比，其耐磨性能也较好，在对其进行砂浆磨损试验时，发现聚乙烯材料的磨损指数远小于金属材料，其磨损指数是碳钢的1/7、黄铜的 1/27。由于聚乙烯材料有较高的磨损系数，即较高的耐磨性能，被广泛应用于在体育、建材等各领域中。

3.2 耐低温性能

聚乙烯材料有较好的耐低温性能，在-260℃左右的低温条件下仍具有很好的延展性能，而且在-195℃左右的低温条件下其耐冲击性能仍保持较高水平，被广泛应该用于各种低温条件。国内一家公司因聚乙烯材料优异的耐低温性能，将其作为原材料，并在其他材料的辅助作用下制备了聚乙烯仿真冰板，成功将其应用于体育运动过程中。另外一家公司利用螺栓将聚乙烯板片进行固定连接，将其应用于溜冰运动场地中，并通过调节聚乙烯板片的数量来调节运动场地的大小。

在低温条件下测试聚乙烯材料的拉伸性能中发现，聚乙烯材料仍然表现出良好的拉伸性能，拉断聚乙烯材料所需的作用力并不比常温条件下的作用力低，与金属钢材相比，其低温条件下的强度韧性较高，被广泛应用于各种低温场景中。

4 良好的抗湿性和抗化学腐蚀性能

4.1 抗湿性能

聚乙烯材料具有优异的抗湿性能，在体育运动器材中，由聚乙烯泡沫制备而成的地垫等设备被广泛用于各种运动防护过程中。国内某一大学利用聚乙烯材料良好的抗湿性能制备了一种交联聚乙烯发泡材料，通过实验研究发现，该材料的回弹性能较好、避空率较高、泡孔不易塌陷，使用寿命较长，在体育运动器材中由其制备的地垫不仅能够起到很好的缓冲作用，而且在其长时间的使用过程中还能起到很好的防水作用，不会渗透汗液，在对其进行清洁过程中可以直接用水擦拭，适合体操运动员以及调高运动员的各种训练中。

4.2 抗化学腐蚀性能

聚乙烯的化学结构简单，其结构单元为[CH2-CH2]，分子链中不包含其他的化学基团，因此在与其他化学试剂接触时不易受到活性基团的攻击发生化学反应，因此其化学性质和结构较稳定，抗化学腐蚀性能极好。例如，聚乙烯纤维的分子链之间排列紧密，对于化学试剂还有其他小分子能够起到有效的阻止作用，因此聚乙烯纤维在受到海水等的侵袭时，仍能保持其强度不变，同时又不易被溶剂溶解。海水中含有丰富的化学离子，一般的材料长时间接触海水容易受到腐蚀，影响其使用效果极其使用寿命，因此在海上运动项目中可以有效利用聚乙烯纤维的化学稳定性和抗化学腐蚀性能进行海上体育运动器材的设计，延长体育运动器材的使用寿命。聚乙烯结构简单，具有较高的结晶度，因此能够适应复杂的环境，保持其强度。另外，聚乙烯在部分有机溶剂中能发生溶胀现象，但其力学损失并不会受到很大影响。通过实验将聚乙烯纤维和其他纤维在不同化学介质中进行强度实验，发现在受到化学介质的影响后，聚乙烯纤维的强度明显高于其他几种纤维，而且其强度几乎保持不变。值得注意的是，虽然聚乙烯纤维的化学性质稳定，抗腐蚀性能较好，但是在次氯酸等极少数的溶液中会发生溶胀现象，强度会有所降低，因此在对其进行应用时应特别注意。

5 热稳定性好

聚乙烯材料的热稳定性能较好，在对其进行热失重实验后可以有效对这一点进行验证。热失重曲线是了解物质热分解温度区间的关键曲线，对于物质热稳定性的分析至关重要，它有助于确定样品在受热过程中是否会发生热降解，从而影响材料的分子量进而影响其使用效果。如图2所示为聚乙烯样品热失重测试（TGA）曲线。由聚乙烯材料的热失重曲线可知，聚乙烯材料的热分解过程简单，其热分解在温度为450℃左右开始，在500℃左右趋于稳定，其最大的降解速率所对应的温度为480℃左右。实验证明，聚乙烯材料的热稳定性很好，在温度<450℃的环境中可以得到很好的应用。在体育运动中不可避免的会遇到高温天气的影响，因此将聚乙烯材料应用于体育运动器材中不易受到环境因素的影响而使其使用效果变差。

6 结语

在体育运动领域中，各式各样的聚乙烯型材被广泛的应用到球类、水上以及冰上运动的器材中。由聚乙烯材料制备而成的体育运动器材具有较好的抗弯曲性能、耐冲击性能、耐低温性能等，这类体育运动器材不仅能够给运动员带来较好的体验，还能在使用过程中对运动员起到很好的保护作用。另外该类体育器材使用寿命较长、制作成本低，因此在体育运动项目中受到众多运动员及运动商家的喜爱。在对聚乙烯的研究过程中，专家为了改善聚乙烯的某些特性，对其进行改性实验，进一步提高了聚乙烯的耐磨性、抗湿性等性能。改性聚乙烯在体育运动器材中也得到广泛应用，例如，球场中的草坪，通过改性聚乙烯的使用增加了草坪的柔软度，提高了草坪的安全性;在足球等球类中使用改性聚乙烯材料，增加了球类的减震性能，在保护运动员的同时还能适应各种高强度运动;在地垫等运动保护器材中添加改性聚乙烯纤维，能够增大垫子的回弹性，不容易发生塌陷。聚乙烯和改性聚乙烯材料无论是在體育运动还是其他领域都受到大家的欢迎和广泛应用。

参考文献

[1]苏罗川，宜晨虹，刘文杰.超高分子量聚乙烯纤维复合材料的应用及其抗侵彻性能研究[J].化工新型材料，2019，47（01）：198-201.

[2]刘圣恭.超倍热拉伸超高分子量聚乙烯的结构及性能研究[D].株洲：湖南工业大学，2019.

[3]王宝成.超高分子量聚乙烯型材力学性能研究及应用[D].武汉：武汉工程大学，2017.

[4]郭力.高密度聚乙烯支链结构、结晶行为和力学性能的研究[D].大庆：东北石油大学，2017.

[5]谢东.超高分子量聚乙烯的表面改性及其耐磨性能研究[D].成都：西南交通大学，2011.

[6]黄晓华.改性聚乙烯的制备工艺及其在体育器材领域的应用研究进展[J].合成树脂及塑料，2020，37（03）：95-98.

[7]李娜.基于聚乙烯材料的体育器材应用研究进展分析[J].粘接，2020，41（04）：81-85.

[8]崔丙刚，宋晓芬.聚乙烯在体育器材领域的应用研究进展[J].合成树脂及塑料，2019，36（04）：102-105.

[9]杨鸿昌.化学交联聚乙烯发泡材料收缩率的研究[J].塑料科技，2018，46（08）：38-41.

[10]张庆法，任夏瑾，吴娟娟，等.活性炭/高密度聚乙烯复合材料的力学性能[J/OL].复合材料学报：1-10[2020-10-23].https：//doi.org/10.13801/j.cnki.fhclxb.20200224.001.