体育防护用具领域中工程塑料的应用研究

陈 璐

（西北大学现代学院，陕西西安710130）

一个国家体育产业发展状况，直接关系着人民生活水平高低，作为全球体育产业的重要构成部分，我国体育产业与体育设施生产行业已在不断尝试于体育防护用具生产加工领域引进工程塑料，这将在很大程度上推动我国体育产业的稳定发展[1]。据此本文具体阐述分析了体育防护用具领域用工程塑料。

1 工程塑料性能分析

体育防护用具的使用是为了最大程度上防止运动员在运动过程中受伤，同时还需确保不会出现有害的挥发性气体[2]。所以，总体来讲体育防护用具需具备安全性与稳定性，而工程塑料作为体育防护用具的优势性能需进一步试验测试验证。

1.1 试验对象

三种工程塑料：丙烯腈-丁二烯-苯乙烯（ABS）；玻璃纤维增强塑料（GFRP）；聚氨酯（PU）。

1.2 仪器

微机控制电子拉力试验机；数显落锤冲击试验机[3]。

1.3 方法

随机筛选原料并切割成尺寸230×230×4(mm)试样，然后以3m/s冲击速度三次测试材料冲击强度，以试验速度5mm/min三次测试弯曲强度和拉伸强度。

1.4 性能

体育防护用具领域用三种工程塑料试样性能试验测试结果见表1。

表1 性能测试结果Table 1 Performance test results

由表1可知，在抗冲击强度层面，PU明显强于ABS与GFRP；在弯曲强度层面，ABS略微强于PU与GFRP；在拉伸强度层面，GFRP最强，ABS次之，PU最差[4]。

2 工程塑料在体育防护用具中的应用分析

2.1 工程塑料优势特性分析

2.1.1 质轻

穿戴式防护用户或者需运动员人力操控的体育器械在体育运动防护用具领域所占比例非常高，即运动鞋、运动服装、护膝、撑杆、鞍马、球拍等。人们在使用这些体育器械或者防护用具主要是为了基于其作为辅助开展运动，或者帮助自身获取更优秀的运动竞赛成绩。所以运动员自身整体水平处于正常状态的前提下，一般越是质轻的体育器械或者防护用具越是能够为运动员获得更优秀的成绩提供帮助。因此体育器械与防护用具加工选用原材料时，应先选择基于相同设计造型下更为质轻的材料，以防止运动员运动过程中浪费体能，身体受到损伤。而工程塑料作为高分子材料，其分子之间间距比较大，所以相较于金属或者木材等密度更小，相同造型下由其制备而成的体育防护用具质量更轻。

2.1.2 强度高、韧性好

体育器械与防护用具使用时一般都需面临高使用率与使用强度，如地车速降、帆船、网球等，这些体育器械与防护用具使用时需面临高速降落所引发的巨大冲击，以及风帆吹动时的拉伸与球的撞击等，所以在实际设计加工时，应充分全方位考虑长时间使用状态下器械与防护用具的整体强度。但是由于大部分运动在逐步轻量化设计体育器械与防护用具，所以会适当缩减材料用量，以实现减重效应，如此一来势必会在一定程度上降低器械与防护用具综合强度与柔韧性[5]。对此体育器械与防护用具所用材料须同时满足低密度与高强度标准要求，而工程塑料则能够最大程度上满足此需求。就纤维增强塑料而言，此材料的纤维成分不仅强度高且柔韧性佳，在添加增强树脂材料之后，综合密度会显著降低，所以纤维增强塑料已实现了在滑板、自行车、帆船、球拍等体育器械及其相关防护用具中的普遍应用，相较于金属与木材等材料，新型纤维增强塑料的应用与发展前景更为广阔。

2.1.3 易加工成型

就体育器械与防护用具生产商来讲，工程塑料的易成型性能越好，则代表此材料在生产加工时越容易[6]。一般来讲，金属与热塑性塑料的易成型性能、热塑性都相对较高。然而在材料领域有关科学研究逐渐突破性前进的趋势下，工程塑料不仅成型越来越容易，且加工难度越来越小，而且随着加工工艺的改进与优化，使得生物工程塑料于较低成本标准下可加工为更加优质的体育器械与防护用具。

2.2 工程塑料在体育防护用具中的应用

2.2.1 运动自行车

竞技或者运动型自行车车架、车把、踏板、车圈等位置都需以工程塑料直接替代金属材料，以确保自行车具备质轻、舒适、高强等优势特征。自行车各个部位相对使用的工程塑料具体为：坐垫使用尼龙；手柄使用玻璃纤维增强聚对苯二甲酸乙二醇酯；车轮用碳纤维增强复合材料；车架用热塑性碳纤维复合材料。

2.2.2 穿戴式设备

穿戴式设备具体即体育运动所需防护用具，即头盔、防护装备等，要求高强度与韧度，而且于相同设计造型与使用状况下质轻。所以体育防护用具领域已开始着手研发各种可以满足穿戴式设备多元化性能要求的生物工程塑料，即基于拉挤工艺加工纤维复合材料以获取长纤维改性复合材料，其相对于既有纤维复合材料抗变形能力更好，而且密度更低、强度更大，以长纤维改性复合材料加工制备的体育防护用具的防护强度与柔韧性更佳，且质量更轻，在很大程度上降低了体育运动员运动过程中的身体负担，使用前景与发展前途广阔。

2.2.3 球类

球类运动即球与击打设备两个部分共同构成[7]，如篮球与足球等主要采用PU、尼龙、橡胶等材料制作外壳，以碳纤维增强材料等制作中心部分；高尔夫球等主要采用聚氨酯泡沫填充加工制作而成；网球拍与羽毛球拍等主要采用碳纤维增强树脂复合材料加工而成。当前高端运动与竞技领域的球拍加工制备都已实现了以碳纤维增强树脂复合材料为作为载体。

2.2.4 帆船

传统金属桅杆质量过大，且稳定性与耐水性较差，而木质桅杆强度低，且吸水之后质量上升速度比较快。所以碳纤维复合材料桅杆逐渐代替了金属与木质桅杆。而利用碳纤维复合材料加工制成的桅杆质轻，可辅助船身整体重心得到调整，减少压舱物，以此帮助船体实现瘦身，使得运动员可充分掌握帆船平衡。此外就应力层面来讲，高强与高模的碳纤维复合材料可保障桅杆刚度，抵抗弯曲变形，同时耐腐蚀性较好，可抵挡海水与盐雾等环境的负面影响。

3 结语

总之，体育防护用具要求强度高与韧性好，而且要求基于相同设计造型与使用条件下更为质轻。所以体育防护用具领域一直致力于研发具备多元化性能的生物工程塑料。本文通过三种工程塑料性能测试分析，整合汇总了其在体育防护用具领域应用的优势特性，并进一步对工程塑料在体育防护用具制备中的实际应用做了详细阐述。