基于體育器材的塑料與復(fù)合材料分析

史巖峰

(陜西工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院， 陜西 咸陽 712000)

隨著社會經(jīng)濟快速更新發(fā)展，我國人民生活水平顯著提升，物質(zhì)與精神生活需求隨之越來越豐富，尤其是對于身體健康與心理健康的積極關(guān)注，迫切需要健全的體育設(shè)施與運動器材，在很大程度直接促進了體育行業(yè)的迅速發(fā)展。2008年北京奧運會直接推動全民運動走向了高潮，顯著促進了運動員與社會群眾對于體育的興趣與熱愛。而作為體育運動的重要基礎(chǔ)條件，體育器械的整體性能要求也不斷提高，因此學(xué)術(shù)界對于體育器材選材的研究一直在逐步深化，從木質(zhì)與金屬質(zhì)材料實現(xiàn)了向各種新型材料的轉(zhuǎn)變，即合金、塑料與復(fù)合材料等等[1]。因此，本文主要對體育器材用塑料與復(fù)合材料開展了詳細分析與探究。

1 文獻綜述

基于塑料及復(fù)合材料的體育運動設(shè)施與器材選材已構(gòu)成了強大的市場機制。1990年，國外體育與器材銷售額超出了20億美元，相關(guān)制造企業(yè)達到2 500家；1994年，全球體育運動設(shè)施與器材復(fù)合材料消耗高達2.4萬t；1997年，全球體育運動設(shè)施與器材復(fù)合材料消耗高達5萬t；2000年，全球高爾夫球棒復(fù)合材料消耗高達2 000 t。而國內(nèi)體育行業(yè)年均產(chǎn)值達3千億，占據(jù)國民生產(chǎn)總值大約0.6%，而國內(nèi)制造體育運動設(shè)施與器材占據(jù)了全球市場份額大約65%，由此可以發(fā)現(xiàn)，體育行業(yè)將會不斷演變?yōu)閲裆a(chǎn)總值關(guān)鍵行業(yè)。體育行業(yè)包含健身與器材等多領(lǐng)域，競賽與健身為體育行業(yè)重要組成部分，2008年北京奧運會的開展在很大程度上健全了基礎(chǔ)體育運動設(shè)施，激發(fā)了全民健身積極性與興趣。但是，對于專業(yè)運動員與民眾而言，運動設(shè)施與器材都必須具備良好的安全性與可靠性，以有效防止意外事故，保障體育運動順利開展。而作為新型生產(chǎn)制造材料，塑料具備良好的力學(xué)性能與耐腐蝕性，使得其快速占據(jù)了體育運動設(shè)施與器材選材領(lǐng)域[2]。

2 塑料與復(fù)合材料制品

當前市場上的體育產(chǎn)品各式各樣，大多數(shù)都運用了塑料及復(fù)合材料，其中樹脂基復(fù)合材料最受青睞。常見塑料與復(fù)合材料體育類制品[3]具體如表1所示。

表1 塑料與復(fù)合材料體育類制品

3 塑料及復(fù)合材料品類與特性

3.1 不飽和聚酯樹脂

經(jīng)過固化之后，不飽和聚酯樹脂(UP)是固體狀態(tài)，可透明可不透明，耐光性與耐熱性較差，堅韌性良好，容易著色，面向酸與鹽溶液穩(wěn)定性較高，還具備可燃性，力學(xué)性能與耐腐蝕性較好，可以和大多數(shù)增強劑融合，成本相對偏低。

3.2 環(huán)氧樹脂

在經(jīng)過固化之后，環(huán)氧樹脂(EP)的力學(xué)性能、耐腐蝕性、尺寸穩(wěn)定性較好，但是由于固化機制不同，所獲環(huán)氧樹脂材料性能也存在顯著性差異，所以可就各應(yīng)用領(lǐng)域選擇相應(yīng)固化機制。同時環(huán)氧樹脂還能與纖維增強劑有機復(fù)合，以此優(yōu)化力學(xué)性能。

3.3 碳纖維增強復(fù)合材料

碳纖維增強復(fù)合材料(CFRP)即無機高分子纖維材料，備受體育領(lǐng)域青睞，且多層次替代金屬材料，其質(zhì)量輕，強度高。當前體育運動設(shè)施與器材選材以復(fù)合材料為主，碳纖維增強復(fù)合材料占據(jù)比例較大[5]。

4 材料性能測試

4.1 力學(xué)性能

4.1.1 材 料

WSR型不飽和聚酯樹脂片材；Araldite XHE型環(huán)氧樹脂片材；BQ-Y-P-1.5K型碳纖維增強樹脂基復(fù)合材料片材。片材長度一致，即長250 mm；寬20 mm。

4.1.2 方 法

拉伸性能測試：利用微機控制電子萬能試驗機進行測試，拉伸速度設(shè)定為6 mm/min；微型測力傳感器測試拉伸強度；位移傳感器測試斷裂伸長率；以不同伸長率相應(yīng)拉伸強度載荷值為載體，基于增量變化計算出彈性模量。所有材料都進行三次拉伸性能測試。

沖擊性能測試：利用沖擊試驗機進行測試，沖擊錘能設(shè)定為8J，所有材料都進行三次沖擊性能測試。

三種不同材料拉伸性能與沖擊性能測試，具體結(jié)果[6]如表2～表4所示。

表2 不飽和聚酯樹脂的拉伸性能與沖擊性能

表3 環(huán)氧樹脂的拉伸性能與沖擊性能

表4 碳纖維增強樹脂基復(fù)合材料的拉伸性能與沖擊性能

由表2～表4可知，碳纖維增強樹脂基復(fù)合材料的整體性能較好，尤其是拉伸強度、彈性模量、沖擊強度，明顯超出其余二者，然而斷裂伸長率卻相對偏低。而不飽和聚酯樹脂拉伸強度稍許超出環(huán)氧樹脂，而其他性能則明顯較低。此外，體育器材若對于力學(xué)性能要求高，則可根據(jù)實際情況，選擇助劑適度添加于塑料與復(fù)合材料，以滿足多元化與個性化需求。

4.2 耐腐蝕性能

4.2.1 材 料

氫氧化鈣，分析純；氫氧化鈉，分析純；氫氧化鉀，分析純；氯化鈉，分析純。

4.2.2 方 法

以120 g氫氧化鈣；1 g氫氧化鈉；4.6g氫氧化鉀；36 mL氯化鈉溶液，于1 000 mL去離子水中溶解，均分為三等份，分別把三種材料溶于其中，等待四周，每周按時觀察材料具體變化，以了解材料的耐腐蝕性。

不同材料的耐腐蝕性測試結(jié)果[7]具體如表5所示。

表5 不同材料耐腐蝕性

由表5可知，環(huán)氧樹脂的耐腐蝕性最強，碳纖維增強樹脂基復(fù)合材料最弱。通過溶于溶液四周后，三種材料都出現(xiàn)了一定的腐蝕，使得其表層有所變化，且局部有脫落現(xiàn)象。然而在實際應(yīng)用中，材料并不會長時間處于高鹽堿環(huán)境下，如果有獨特要求，可在表層添加耐腐蝕鍍層。

5 塑料與復(fù)合材料在體育器材中的應(yīng)用

5.1 跑道與地板

塑膠跑道與地板以其獨特優(yōu)勢在逐步替代水泥，即防滑、美觀、彈性好，且利于提升運動員的運動成績。一般來說塑膠跑道與場館地板結(jié)構(gòu)包含六層，即沙石墊層、防潮層、混凝土面層、塑膠沙過渡層、塑膠層、面層(塑膠彈力層)。面層材料性能具體如表6所示。面層材料大體為E/VAC乳液或者丙烯酸乳液進行固化，其中E/VAC乳液吸濕性較高，吸收過多水分會導(dǎo)致表層快速脫色，而且耐光性較差，極有可能會被丙烯酸乳液替代[8]。

表6 面層材料性能分析

5.2 球 類

常見球類即球拍、高爾夫球與棒球，其中高爾夫球選用發(fā)泡離子樹脂；球棒選用碳纖維增強塑料；填充物選用聚氨酯發(fā)泡。球拍選用高性能塑料復(fù)合材料，即環(huán)氧樹脂與碳纖維增強環(huán)氧樹脂復(fù)合材料，其不僅可保證球拍高強彎曲性能、強度與扭曲剛性，還可避免變形。

5.3 帆 板

沖浪板與滑水板等外層選用纖維增強塑料與聚氨酯泡沫復(fù)合材料，內(nèi)層選用乙烯基樹脂與聚氯乙烯復(fù)合材料。帆船帆板選用環(huán)氧樹脂與聚氨酯等樹脂材料，增強材料選用玻璃纖維、碳纖維、石墨纖維等[9]。帆布構(gòu)件用材料與成型方式具體如表7所示。

表7 帆板零部件用材料與成型方式

6 結(jié) 論

總之，不同于金屬材料，塑料與復(fù)合材料性能良好，成型工藝多元化，在體育器材領(lǐng)域具備長遠發(fā)展前景。而且塑料與復(fù)合材料制備體育器材具有顯著性優(yōu)勢，即使用壽命長、成本較低等。據(jù)此本文對塑料與復(fù)合材料在體育器材中的應(yīng)用做了深入探究，并基于三種不同塑料與復(fù)合材料進行了性能實驗測試，結(jié)果表明，碳纖維增強樹脂基復(fù)合材料的綜合力學(xué)性能良好，更加適合用于制作高強度運動器材；環(huán)氧樹脂的耐腐蝕性良好，適用于室外運動器材制作。在未來塑料與復(fù)合材料將會于樹脂基體、增強材料層面出現(xiàn)更多類型選擇，會為材料重新彌補各式各樣的獨特性能，進而滿足多種體育項目器材需要。