体育器械设计中环保型材料的使用

姜佳君

（陕西中医药大学，陕西 西安 712046）

在社会经济高速发展的今天，人们的生活水平得到了很大程度的提高，人们已经不仅仅满足于追求高质量的物质生活，各种休闲娱乐活动也是人们日常生活中必不可少的，越来越多的人通过体育锻炼来维持身心健康，甚至掀起了全民运动的热潮，可想而知体育运动已经逐渐成为人们生活中不可或缺的一部分了。再则随着社会经济的不断发展，自然环境不断恶化，自然资源不断减少，人们的绿色环保意识也在不断增强。因此，新型绿色环保材料的应用越来越广泛，将环保型材料应用到体育器械、体育场馆等领域中，不仅满足了人们的使用需求，同时也符合当今社会的绿色环保发展理念。随着体育行业中绿色环保材料的进一步应用，将为人们提供更加健康、节能的运动生活，推动体育行业更加健康的发展。

1 绿色环保材料简介

欧美国家是最早的对绿色环保材料进行研究和应用的地区，由于经济和工业的大力发展，造成了大量的自然资源的浪费，以及对环境产生了极大的污染，这使得工业发达的欧美国家越来越重视对绿色环保材料的开发研究，逐渐研究开发出一些能够取代传统高耗能材料的新型环保材料，这也为推动绿色环保材料的发展进步创造了良好的时代背景。在绿色环保材料的研究和应用上面，欧美国家已经发展得较为成熟，与此相比我国针对绿色环保材料的研究起步较晚，还处于探索阶段，尤其是在建筑行业，主动应用绿色环保材料的意识还较为薄弱。因此，我国目前对绿色环保材料的研究和应用还不够成熟，暂时还不能满足各行各业对绿色环保材料的应用需求。基于此我国相关部门正在不断加大对绿色环保材料的研究和投入，对我国绿色环保材料的发展产生了很大的促进作用，绿色环保材料的应用也越来越广泛。

在体育运动领域中，绿色环保型材料的应用主要是在体育器械制备、体育设施建设和装饰记忆体育运服装等方面。如今全民锻炼的热潮正在逐步提升，体育行业发展正处于高速阶段，人们的绿色环保理念在不断增强，绿色环保型材料在体育行业的应用也越来越多，相信随着新的科学技术的不传创新，环保型材料将会为体育行业的发展增添新动力。

2 体育器械设计中环保型材料的应用

随着人们生活水平的不断提升，为了保持身心素质的健康，体育运动也逐渐被更多的人所重视，这也极大程度的推动了体育运动行业的发展。同时在绿色环保理念的影响下，体育行业也越来越重视环保型材料的应用，从而确保体育运动领域形成绿色环保的发展趋势，也使得人们的运动生活更加健康，更加绿色节能。

开展体育运动的基本条件就是体育器械的选择，想要良好的进行一项体育运动，同时保证体育运动者的安全健康，选择合适的体育器械是十分重要的。因此，为了使体育运动更加规范化、标准化，其中重要的依据之一就是体育器械的选择。基于此，科研人员开发了许多具有优异舒适性和高稳定性的绿色环保型材料，并且将其广泛地应用到了体育器械的设计制作中，其中应用频率较高的主要有碳纤维复合材料、石墨烯复合材料、不饱和聚酯复合材料以及环氧树脂复合材料等。

2.1 碳纤维复合材料。

碳纤维是一种主要有碳元素组成的特殊纤维，由于碳含量的不同，碳纤维也分为多种不同的类型，总体而言碳纤维的含碳量会保持在90%以上。碳纤维具有很多优良特性，例如：耐高温、耐腐蚀、良好的导热性和导电性，耐疲劳等等，此外，碳纤维较为柔软，易于加工成不同的形态，同时沿着纤维轴向表现出很高的强度。除此之外，与其他材料相比，碳纤维的比重相对较小，强度相对较高。碳纤维可以制备成高阻尼的特殊复合材料，其在高尔夫球杆的制作中得到了广泛应用，随着这种碳纤维复合材料的记入，球杆的自重能够大约减少10%~40%，同时使击球的时间延长，能够使球飞得更远。在网球拍的设计制作中，要求其重量要轻，这就使得质量轻。比模量和强度相对较高的碳纤维复合材料得到广泛应用，采用该材料制作的球拍使球拍的初始速度明显加快。另外，在自行车比赛中，为了提升车体的减震性能和刚性，诸如座位支架、车身构架等等都用了碳纤维复合材料。

图1 碳纤维网球拍Fig.1 Carbon fiber tennis racket

2.2 石墨烯复合材料。

从石墨中剥离的具有一层原子厚度的二维晶体即为石墨烯，其结构的表层张力比较大，是一种理论模型，是无法独立存在的。研究人员采用机械剥离法，也就是利用胶带在石墨表层提取出单层碳材料，成功地提取出石墨烯，这也证实了石墨烯是可以独立存在的。目前的研究发现，石墨烯是最强、最薄、导电性、导热性最好，同时具有优良柔韧性的纳米材料，其轻薄程度甚至可以达到一个原子厚度。利用石墨烯为原料制成的复合材料具有优良的耐热性和尺寸稳定性。利用石墨烯复合酶基材料处于20℃的情况下，其磨损体积大概能够减少90%，在其中加入适量的石墨烯后，通过测试发现材料的热疲劳寿命显著增加，大概增加210%。此外还有许多研究人员展开了一系列理论性试验，证明在体育器械领域中，石墨烯高分子纳米复合材料将会发挥巨大的作用。

图2 石墨烯材料Fig.2 Graphene material

2.3 不饱和聚酯复合材料。

二元醇和二元羧酸经过缩聚反应生成的聚合物即为不饱和聚酯树脂。其具有优异的力学性能，且价格低廉，同时具有良好的韧性和耐腐蚀性能，因此被广泛地制备和生产。凭借其优异的韧性和耐腐蚀性，不饱和聚酯树脂被广泛用于防腐、结构、绝缘体等复合材料中，以不饱和聚酯树脂为原料制成的不饱和聚酯复合材料在体育器械领域的应用主要有单双杠、球拍、赛艇、跳板、撑杆、鱼竿等等。

2.4 环氧树脂复合材料。

环氧树脂是一种热固性树脂，其分子结构中有多个环氧基团，加入恰当的试剂，其可以发生交联反应形成具有三维网状的固化物结构。环氧树脂的主要类型是双酚型环氧树脂，也就是环氧氯丙烷与双酚A的融合产物。环氧树脂分子中有环氧基、醚键及脂肪族烃基等，它的这些极性基团可以和硅酸盐、金属等材料的表面形成很强的分子间作用力，另外环氧基还可以和具有活性氢的材料表面形成化学键。环氧树脂中醚键的存在保证了其分子链的料号的柔顺性，进而实现了材料表层的顺利扩散。所以，环氧树脂具有很强的粘着性，常常被称为万能胶，利用环氧树脂复合材料铺设的跑道能够使运动员的蹬地力量显著提高，使步频、步速大大加快，进而提高了远动员的比赛成绩。此外室内场地铺设中使用环氧树脂涂料，由于其良好的弹性、柔韧性记忆缓冲性，能够显著缓解运动员身体关节和地面之间的冲击力度，从而使运动员身体不受伤害，另外环氧树脂复合材料还具有良好的消音性能，对减少比赛时的噪音起到良好效果。

2.5 三维纺织复合材料。

三维纺织复合材料具有优良的力学性能，其质量轻、抗冲击性能良好。在运动护具的制作中，传统的制作方式就是将纺织材料和橡胶进行复合，采用该方法制作的护具具有一定的保护作用，但是其透气性不太好，而且使用寿命不长，易于老化，同时大多数不能进行回收再利用。随着纺织材料加工技术的日趋优化，在制作运动护具时采用高性能纺织材料，可以有效解决传统护具中存在的这些弊端。热熔性粘合纤维经过加热会熔融，同时具有一定的粘合性能，在这种熔融状态下它能够和三维卷曲中空涤纶纤维进行粘合，从而制备运动护具。由于三维卷曲中空涤纶的纤维存在一种中空卷曲状态，使得其制成的运动护具具有良好的透气和蓬松效果，其强力也较大。该材料制成的运动护具具有优良的透气性好和缓冲性能，并且能够回收再利用。此外，三维纺织复合材料能够整体制造，能够满足各种运动护具的不同需求，在不久的将来这种环保型复合材料在运动护具的应用范围也会不断增大。

3 环保型材料在体育领域的其他应用

在体育领域中，环保型材料不仅仅用于体育运动器械的设计和生产，还被广泛地应用于体育场馆的建设和装饰，随着人们对体育场馆的各种需求不断增加，体育场馆的设计和选材上面都有了一些新的要求，此外体育服装领域也使用到了新型的绿色环保材料，各种环保纤维被应用的体育运动服装的设计和生产当中，满足和不同运动员的个性化需求，下面简要介绍了环保型材料在体育场馆和体育运动服装领域的应用。

3.1 体育运动服装中环保型材料的应用。

在对体育运动服装进行选择时，首要考虑的就是服装的舒适度和稳定性，因而促使了各类具有优良性能的材料的开发和利用，目前应用最为广泛的有负离子功能性纤维、Outlast纤维和Coolplus纤维等。

负离子功能性纤维。负离子功能性纤维可以通过成纤高分子和具有负离子功能的无机添加剂共混纺丝而成，当运动员穿上采用负离子功能性纤维制成的运动服装时，在春雨水汽、摩擦、有氧等状态下会产生大量的负离子，这些负离子会在衣服和身体之间构成负离子空气层，能够使人体内部的氧自由基无毒化，最终避免氧自由基对运动员身体的各种伤害。另外负离子功能纤维还能够使人体体液的pH值达到pH值≈7.4的弱碱性状态，该状态下能够活化细胞，加快身体新陈代谢，使人体血液净化，能够及时的清除人体内的废弃物。另外运动员穿上负离子功能纤维制成的运动服装后，还能够有效减少运动员运动之后体内产生的乳酸，能够使运动员的机体恢复加快。负离子功能性纤维还有一定的抑菌和抗菌效果。登山、赛车比赛或者徒步旅行的时候都可以选择这种有负离子功能纤维制成的鞋袜或者贴身衣裤以及毛巾等，能够有效地防止各种外界因素威胁人体健康，也确保在整个运动过程中人体皮肤的外环境保持干净。

Outlast纤维。Outlast纤维是一种新型的腈纶，被业界称为“智能空调腈纶”，有5 dtex,3.3 dtex，2.2 dtex等不同规格，长度在51~110 mm之间，纺织原料主要是毛条或者三纤，这种纤维材料主要应用于户外服装面料制作中，如运动服、滑雪衫、滑雪裤等。其制备技术主要有共混纺丝和面料涂层，其中共混纺丝是将含有Outlast技术的微胶囊直接植入到腈纶之中，制成的纤维能够进行纺纱，而面料涂层则是将含有Outlast技术的微胶囊涂抹在纺织面料的表面。采用Outlast纤维材料制成的运动服装，由于包含有成千上万个具有能量转换功能的微胶囊，可以做到持续的释放能量和吸收能量，通过这种能量的释放和吸收能够调节温度，所以穿上这种运动服装能够使人体保持在较为舒适的温度范围中，由此可见Outlast纤维可以用来制成冬暖夏凉的运动服装。Outlast纤维也可以直接纯纺，同时也能和棉、毛、麻、丝等天然纤维进行混纺，针织和梭织皆可，应用简单，可以大量地应用到户外运动服、鞋类、运动胸衣、内衣等方面。穿上采用Outlast纤维材料制成的服装，能够显著减少过热或流汗的情况，还能够避免湿冷、抵御寒冷，满足运动员的热量需求，这也使得该种面料的运动服装广受消费者的青睐。

图3 纳米微胶囊技术Fig.3 Nano microcapsule technology

Coolplus纤维是一种可降解、可再生的绿色环保纤维材料。Coolplus纤维的截面呈现“+”型，其表层有大量细微的沟槽存在，因此采用这种纤维材料制成的服装具有优良的速干功能和吸湿透气性能，同时还能够抵御寒冷，将Coolplus纤维制成面料可以单独使用，进行纯纺，也可以和其他的诸如棉、毛、麻等纤维混纺，面料简单易得，能够大量的应用于各种运动服装。目前在许多不同的运动品牌中都可以看到Coolplus纤维面料的广泛应用，并且广受各大消费者的欢迎。

3.2 体育设施中环保型材料的应用。

我国在体育场馆建筑方面还存在着一些经验不足的地方，在建设过程中也还存在一些问题，例如材料的选择不够科学，没有采用更加绿色环保的材料等。也就是说目前我国体育场馆建设中绿色环保材料的应用还没有普及，需要进一步地加深。现阶段国内体育设施建设中使用到的环保型材料主要是环保玻璃、UPVC管材以及环保墙体等。

环保玻璃。传统的建设过程中，硅酸盐玻璃被大量的使用，其价格昂贵且玻璃易碎，并其硅酸盐玻璃的制作过程中要消耗大量的热能，给环境造成污染，同时造成资源浪费。随着科学技术的不断进步，近年来建设用玻璃的用量越来越大，研究人员也渐渐开发出各种新型的环保玻璃，如夹层玻璃、真空玻璃、泡沫玻璃和化学亲和玻璃等等。夹层玻璃一般和混凝土搭配使用，其具有隔音和隔离紫外线的功能。泡沫玻璃主要是将废旧的玻璃收集起来加入特定的添加剂，经过发熔化工艺制成的，其密度较小，同时耐腐蚀性能优异，所以被广泛地应用与建筑建设中。化学亲和玻璃和夹层玻璃具有一定的相似性，同时还能够根据室内的温度对透光度进行调节。所以在建筑设施建造过程中使用绿色环保玻璃，不仅能够发挥其自身的优势，还能够体现现代建筑的美学魅力。

图4 节能环保玻璃Fig.4 Energy saving and environmental protection glass

UPVC管材。排水管材在建筑设施中是必不可少的，在体育设施建设中，UPVC管材是一种使用较多的环保型材料。该材料的原料是聚氯乙烯，制备成的管材质量轻、无毒、不含塑化剂，同时耐腐蚀性和柔软性优良，十分适用于供水管网。另外，UPVC管材不会导电，也不与碱或者酸性物质发生反应，在使用过程中不用另外涂抹防腐层。基于UPVC管材的各种优良性能，其在建筑设施领域的应用也越来越广泛。

环保墙体。采用绿色环保材料制成的环保墙体能够有效提高材料的使用寿命，同时增加墙体的稳定性，使室内环境的安全得到足够保障。目前比较常见的环保墙体有以下几种：模网混凝土，广泛应用与楼梯中；加气混凝土砌砖，具有优良的渗透性、隔热性及抗裂性；空心墙板承重墙体，具有很强的承重力。

4 结语

由体育器械到体育运动服装，甚至于体育设施的建设，体育领域中环保型材料的应用越来越广泛。尽管近些年来我国的体育行业发展迅猛，但是与一些发达国家相比还存在着一定差距，尤其是环保型材料的使用还不够深入，绿色环保材料的研究和开发需要较高的成本，这也在一定程度上限制了环保型材料的普及，但是近些年来，随着国家的大力支持，绿色环保产业在不断扩大，体育行业的科技水平也在不断提升，相信在不久的将来，绿色环保材料在体育领域的应用范围会不断增加，体育行业也会朝着更加环保健康的方向发展。