高分子复合材料在体育器械的应用与性能*

孙晋媛

（西安医学院，陕西西安 710021）

随着我国经济的不断发展，人民的物质生活得到了很好的保障，开始追求身心的释放。于是国民开始进行各种体育活动来丰富业余生活。人们对体育器械的要求也越来越高，因此不断开发新型材料以满足当前需求。高分子材料也称为聚合物材料，是通过高分子化合物为基体，再添以其他助剂构建而成的材料，一般具有平均10000以上的分子量，并且它在聚合过程后会变成不同分子量大小的许多高聚物的混合物[1]。高分子材料具有耐腐蚀、耐极限条件、设计自由度高和高力学性能，已经逐渐开发应用于群众体育以及竞技体育器材[2]。此外，由于高分子材料的来源广泛和质量轻等优点而作为基础材料用于提升运动员的实验舒适度和提高成绩。基于此，本文对高分子材料在体育器械的应用及其性能进行大致的表述与分析。

1 高分子材料分类

任何事物的发展变化和人类社会活动有着之间或者间接的关系，与陶瓷和金属等材料类似，高分子材料的不断发展成熟与我们的生活息息相关[3]。

当前，对高分子材料的分类主要如图1所示。天然高分子材料是从自然生物体获得未经过人工合成的一类产品。但是，天然高分子材料的可加工性能、力学性能、耐环境性能等往往不能满足实际需求。对于现代体育竞技而言，高新材料的发展在体育科技水平的提高方面发挥着积极作用，因此提高高分子材料力学、生物学、耐环境性能等获得高性能改性高分子材料很有必要[4]。

图1 高分子材料分类Fig.1 Classification of polymer materials

2 高性能高分子材料对竞技体育的影响

2.1 高分子材料在体育器械中的发展

随着体育运动的逐渐发展，体育材料开始日新月异。现代竞技体育促进了高性能高分子材料的产生及应用。特殊性能高分子材料与竞技体育的关系还表现为，竞技体育为高性能高分子材料提供了一个应用领域和展现的平台,成为促进材料发展的主要驱动力。此外，需求也是促进研究发展的动力，通过研究高性能竞技材料有利于高分子技术的进一步发展[5]。上世纪五十年代左右，随着材料科学的迅猛发展，撑杆跳迎来了它的春天，最开始的撑杆跳中的跳杆为木制材料，由于此类材料不具备弹性转化动能的能力，所以最终被淘汰。慢慢的复合材料开始被应用到体育项目中，由玻璃纤维与有机树脂粘合制造成玻璃纤维复合杆，重量轻且经久耐用和弹性好，而成为运动员得心应手的武器。利用这一武器，美国运动员首次打破了 “人的体力不能超过4.87m的极限”的神话。20世纪末，利用合成树脂与碳纤维进行复合加工的高分子复合材料有着远超一般材料的弹性和韧性，能够最大程度地将势能转化为动能，进而大大提升竞技成绩，瑞典运动员以6.18m的高度再次打破世界记录[6]。

在冰雪运动中，滑雪板的材料从20世纪60年代之前的纤维板等制成，20世纪70年代的高分子材料-超高分子聚乙烯，到21世纪后的导电性滑雪板，有效地降低了滑雪过程中产生的静电影响，近年来研究员中试图从聚酰胺纤维、碳纤维环氧复合物作为主要材料，利用挤拉和纤维缠绕工艺开发高强度、抗冲击力强度大、弯曲强度高的新型滑雪板，并已经取得了一定的成果[7]。

竞技体育运动服饰种类众多，可分为水上服、冰上服、田径服、体操服、登山服、球类服、举重服、摔跤服、击剑服等，因此在运动服设计中，不同运动对服饰的性能需求也就存在较大差异，也就使得材料选择和设计上需要有针对性，如利用聚氨酯薄膜配合涂层结构设计的防水透气性强和高机械性能的水上服，聚氨酯和聚降冰片烯等材料设计的高度智能化热敏形状记忆功能体操服,尼龙塔夫绸上涂覆聚胺酸系聚合物设计的吸汗和排汗田径服等[8]。

2.2 高性能高分子材料的发展及意义

当今社会科技飞速发展，在征服自然与改造自然物质的同时将材料学科的运用与人类社会结合发展到一个新的水平[9]。现在体育竞技的背后除了存在科学的运动员素质训练以外，先进科学技术所产生的先进材料运用于现代体育经济也是一个国家体育实力的隐性重要因素之一。

材料科学为满足人类需求迅速发展，单是传统材料的种类已达至几十万种，而新材料的推陈出新更是速度惊人，其中高分子材料由于其具有强度高、韧性好、耐疲劳性强、大多数是惰性、耐腐蚀等优点逐渐成为竞技体育器械制作的新宠[10]。

3 高分子材料在体育器械的应用

3.1 高分子材料制作与改性

高分子材料的力学性能是其在体育器械应用时的重要依据。因其刚性、韧性、润滑性等方面的优点，使其在制作或者提高体育器械质量上显得尤其重要。所以为了提高高分子材料的力学性能，相关工作者利用交联、共聚、共混、改性等方法制备相关的高分子复合材料，将高性能改性高分子与体育器械相结合应用[11]。

对于高分子的改性，可以直接将功能纳米材料与高分子材料进行共混，从而达到改性目的，如LEITE等的相关研究用三种不同的季铵盐对粘土进行化学改性，在聚酰胺6中加入蒙脱石粘土，最终提高了聚酰胺6的弹性模量，并且提高了强度[12]。如张芳芳等人通过乳液聚合技术合成了以聚丁二烯(PB)为核，以聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)为壳的核壳结构改性剂，分别用于聚对苯二甲酸丁二醇酯(PBT)／聚碳酸酯(PC)共混物的改性，最终达到增韧的效果[13]。

3.2 高分子材料在器械上的应用及性能

高分子材料与竞技体育相辅相成，现代体育的发展呼吁且要求高分子材料的产生与进化。尽管先进材料并不是竞技体育取得优秀成绩的唯一原因，还与运动员的先天素质，是否接受过系统训练，心理素质保持与提高，天气等原因息息相关。但是科学技术的发展使得先进材料渗透在运动员运动生涯的日常中，为了提高体育成绩，仿生技术、电子通讯技术、医药学技术等都在体育竞技中占有重要地位，从而要求相关高分子性能的精益求精。尽管只是材料的一小点进步，但也可能会带来竞技体育的巨大优势，使得名次与成绩有着明显变化。

3.2.1 通用树脂与纤维材料

尼龙、涤纶、腈纶、棉等材料有着较好的强度，且具有耐热性好，耐磨性强，吸水性佳且保暖的优点，故而通常被用于运动服的制作，又比如氨纶纤维由于其弹性好，常用来制作泳衣、秋衣、护腕和护膝，而高酯纤维由于其强度大，易分散等特点常用于制作运动袜[14]。

3.2.2 环氧树脂复合材料

环氧树脂是分子中含有两个以上环氧基团的一类聚合物的总称，其中含有-OH（羟基）、-COOH（羧基），可以在分子间与金属发生配位，由于其优越的性能，赋予了环氧树脂另一个万能胶的称号，也常常用其作为跑道和室内运动场，从而可以减少冲击以保护运动参赛人员的脚踝膝盖，增加运动员的职业生涯寿命[15]。

3.3.3 工程聚合材料

在运动器材上，工程聚合材料得到了广泛的应用。比如聚酯因其韧性、耐磨性用于制造乒乓球；聚氨酯、聚氯乙烯因其耐腐蚀性、抗老化性用来制作篮球；PC因其牢固、耐热、耐老化等特性用来铺塑胶跑道[16]。

3.3.4 高分子复合材料性能

高分子复合材料具有独特的性能，比如JZZ-1型液体装甲，在不受力的情况下材料柔软，但在瞬间作用力的袭击下可以分散冲击能量，而在冲击过后继续保持其柔软状态。常见的高分子复合材料的常规力学性能见表1[17]。

表1 几种塑料复合材料力学性能对比Table 1 Comparison of mechanical properties of several plastic composites

4 结语

大力发展国民体育素质是提高一个国家综合素质必不可少的重要因素，也是一个国家隐性国力的体现。而在发展的过程中体育护具、器械等发挥着作用。将复合高分子材料与器械相结合，将促进国民体育不断发展。本文对高分子复合材料进行简要剖析，旨在为我国高分子复合材料得体育应用提供参考。