聚乙烯材料制備的體育運(yùn)動(dòng)器材的綜合性能研究

孟祥龍 Lee Sang-heang

摘 要：隨著研究的不斷深入，各種新型材料層出不窮，這些材料在體育運(yùn)動(dòng)器材中的應(yīng)用也越來越廣泛。在這些新型材料中，聚乙烯材料以其優(yōu)異的抗沖擊、蠕變、力學(xué)、熱穩(wěn)定等性能成為體育運(yùn)動(dòng)器材中普遍運(yùn)用的材料，例如聚乙烯纖維、聚乙烯泡沫、聚乙烯板材等材料被應(yīng)用于各種不同的體育運(yùn)動(dòng)場景中。研究證明由聚乙烯材料所制成的各種體育器材，能在各方面滿足體育運(yùn)動(dòng)過程中的苛刻需求，對(duì)運(yùn)動(dòng)員起到很好的保護(hù)作用。另外，聚乙烯材料優(yōu)異的熱穩(wěn)定性使其延長了體育運(yùn)動(dòng)器材的使用壽命。文章以此為基礎(chǔ)，研究了聚乙烯材料制備的體育運(yùn)動(dòng)器材抗彎曲、蠕變性能，力學(xué)性能，耐沖擊性能，耐磨、耐低溫性能，抗?jié)瘛⒖够瘜W(xué)腐蝕性能及其熱穩(wěn)定性，對(duì)于聚乙烯材料在體育運(yùn)動(dòng)器材中的運(yùn)用及其發(fā)展具有重要意義。

關(guān)鍵詞：聚乙烯材料;體育運(yùn)動(dòng)器材;綜合性能

中圖分類號(hào)：TQ325 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：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

隨著生活水平的提高，人們開始關(guān)注生活質(zhì)量和身體素質(zhì)，于是全民運(yùn)動(dòng)事業(yè)逐漸開展，體育事業(yè)也隨之發(fā)展迅速，各種新型材料在體育運(yùn)動(dòng)器材中的應(yīng)用也越來越廣泛。聚乙烯材料作為熱塑性樹脂，以其耐低溫、抗沖擊、耐磨等優(yōu)勢，被廣泛應(yīng)用于體育、建材等各個(gè)領(lǐng)域，受到眾多人的青睞。在體育運(yùn)動(dòng)器材領(lǐng)域中，各種形態(tài)的聚乙烯型材都受到廣大運(yùn)動(dòng)員的歡迎。例如由聚乙烯纖維制備而成的球拍網(wǎng)線、人造草坪球場;由聚乙烯泡沫制備而成的體操墊、地墊等保護(hù)設(shè)施;有聚乙烯材料制備而成的航標(biāo)浮標(biāo)、仿真冰板。聚乙烯材料在體育運(yùn)動(dòng)器材中的應(yīng)用提高了器材的使用壽命、抗沖擊等性能，在其使用過程中不能能給運(yùn)動(dòng)員帶來很好的體驗(yàn)感，還能起到保護(hù)作用。本文針對(duì)聚乙烯材料的各種性能以其在體育運(yùn)動(dòng)器材中的各種應(yīng)用，分析了聚乙烯材料制備的體育運(yùn)動(dòng)器材的綜合性能，對(duì)聚乙烯材料的推廣應(yīng)用，以及改性研究起到了參考作用，對(duì)于體育事業(yè)的發(fā)展也具有重要意義。

1 良好的抗彎曲和蠕變性能

1.1 抗彎曲性能

由聚乙烯制備的聚乙烯纖維材料具有強(qiáng)度高、抗沖擊性能好等優(yōu)勢，因此被廣泛應(yīng)用于體育運(yùn)動(dòng)器材中，例如由聚乙烯纖維及經(jīng)過改性的聚乙烯纖維制備而成的網(wǎng)拍網(wǎng)線、滑雪板等。聚乙烯纖維的制備方法多種多樣，有高壓固態(tài)擠出法、增塑熔融紡絲法以及凍膠紡絲-超倍拉伸法等。國內(nèi)一家公司以聚乙烯纖維等為主要原料，在添加了一些其它的輔助材料后成功制備了羽毛球的球拍網(wǎng)線，該球拍網(wǎng)線具有較高的抗彎曲性能、使用壽命較長，還具有較強(qiáng)的抗沖擊性能、吸振性能等。經(jīng)驗(yàn)證，該羽毛球拍在控球、吊球、放網(wǎng)等各方面的動(dòng)作中都有較好的擊球效果。

值得注意的是，溫度對(duì)于聚乙烯材料的彎曲性能有很大的影響。當(dāng)溫度低于室溫時(shí)，聚乙烯材料容易脆化，其彎曲模量增大，且此時(shí)的彎曲模量高于室溫;隨著溫度由低變高，聚乙烯材料的彎曲性能逐漸變差，其抗彎曲性能逐漸減弱;在溫度高于室溫時(shí)，聚乙烯材料的剛度變差，抗彎曲性能減弱，這是因?yàn)?，隨著溫度的升高，聚乙烯材料內(nèi)的分子熱運(yùn)動(dòng)加劇，分子間作用力隨之減小，材料的抗彎曲性能變差。

1.2 蠕變性能

蠕變是指材料在恒定的作用力條件下其形變隨著時(shí)間的延長而逐漸增加的現(xiàn)象。一種材料的蠕變性能關(guān)系到材料尺寸的穩(wěn)定性，如果一種材料極易發(fā)生蠕變，會(huì)直接影響其尺寸，那么其在應(yīng)用過程中會(huì)有很大的限制，因此在材料進(jìn)行應(yīng)用時(shí)，對(duì)其蠕變性能的研究有重要意義。聚乙烯材料的蠕變性能與其分子結(jié)構(gòu)有緊密的聯(lián)系，長鏈聚乙烯材料分子之間的相互作用力較小，分子之間容易發(fā)生滑動(dòng)，因此聚乙烯材料具有蠕變性能。如圖1所示為聚乙烯材料在30kN、40kN、50kN作用力下的蠕變曲線，在不同的作用力下，聚乙烯材料的壓縮蠕變分別為8.1%、12.1%、16.3%。從圖中可以看出，隨著作用力的增大，聚乙烯材料的蠕變應(yīng)變?cè)酱?，因此在?duì)聚乙烯材料的應(yīng)用中要具體考慮聚乙烯材料的蠕變性能，從而發(fā)揮其最大的優(yōu)勢。

2 優(yōu)良的力學(xué)和耐沖擊性能

2.1 力學(xué)性能

高分子量的聚乙烯材料的力學(xué)性能較好，在具有相同的線性密度時(shí)，超高分子量聚乙烯材料的拉伸強(qiáng)度高于鋼絲繩約十幾倍，且高出芳綸纖維40%，高于普通化學(xué)纖維和鋼纖維的十倍。另外，聚乙烯材料的強(qiáng)度和模量在相同質(zhì)量的聚烯胺、碳纖維和硼纖維等材料中也占據(jù)最高水平。

2.2 耐沖擊性能

聚乙烯纖維耐沖擊性能優(yōu)異，在受到外力沖擊的過程中發(fā)生形變，因其優(yōu)異的吸收能量和抵抗沖擊的能力被譽(yù)為“世界三大高科技纖維”，且高于另外兩種纖維芳綸纖維和碳纖維。在對(duì)聚乙烯材料進(jìn)行沖擊試驗(yàn)時(shí)，發(fā)現(xiàn)聚乙烯沖擊試樣在斷裂過程中吸收的能量高于芳綸纖維、碳纖維和玻璃纖維的1.8～3倍。并且與這3種纖維相比，聚乙烯纖維的防彈能力也較高。另外，從沖擊韌性的角度來看，在高速?zèng)_擊過程中聚乙烯纖維所吸收的能量是芳綸纖維的兩倍。聚乙烯纖維的耐沖擊性能使其在體育運(yùn)動(dòng)器材運(yùn)用中能發(fā)揮其巨大的優(yōu)勢，尤其是在網(wǎng)球拍和羽毛球拍網(wǎng)線中的應(yīng)用，給運(yùn)動(dòng)員帶來很好的體驗(yàn)感的同時(shí)，又延長球拍的使用壽命。

3 耐磨和耐低溫性能

3.1 耐磨性能

對(duì)于一般的材料來說，其耐磨性會(huì)隨著材料模量的增大而隨之減小，但是由于聚乙烯材料的摩擦系數(shù)較小，因此隨著聚乙烯材料模量的增大，其耐磨性隨之增大。由聚乙烯材料制備的滑雪板等因其優(yōu)異的耐磨性能，受到廣大體育運(yùn)動(dòng)器材生產(chǎn)商的青睞。根據(jù)磨損率的計(jì)算公式：

其中，V=?m/ρ為材料的磨損體積，ρ為試樣的密度，?m試樣在磨損后的質(zhì)量損失，F(xiàn)為實(shí)驗(yàn)過程中的摩擦力，D為試樣的滑動(dòng)距離。在對(duì)聚乙烯材料磨損率測定實(shí)驗(yàn)研究中發(fā)現(xiàn)，與碳纖維、芳綸纖維等所形成的增強(qiáng)塑料的磨損率相比，聚乙烯的磨損率遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于其他兩種材料，因此其耐磨性能要遠(yuǎn)高于這兩種材料。與金屬材料相比，其耐磨性能也較好，在對(duì)其進(jìn)行砂漿磨損試驗(yàn)時(shí)，發(fā)現(xiàn)聚乙烯材料的磨損指數(shù)遠(yuǎn)小于金屬材料，其磨損指數(shù)是碳鋼的1/7、黃銅的 1/27。由于聚乙烯材料有較高的磨損系數(shù)，即較高的耐磨性能，被廣泛應(yīng)用于在體育、建材等各領(lǐng)域中。

3.2 耐低溫性能

聚乙烯材料有較好的耐低溫性能，在-260℃左右的低溫條件下仍具有很好的延展性能，而且在-195℃左右的低溫條件下其耐沖擊性能仍保持較高水平，被廣泛應(yīng)該用于各種低溫條件。國內(nèi)一家公司因聚乙烯材料優(yōu)異的耐低溫性能，將其作為原材料，并在其他材料的輔助作用下制備了聚乙烯仿真冰板，成功將其應(yīng)用于體育運(yùn)動(dòng)過程中。另外一家公司利用螺栓將聚乙烯板片進(jìn)行固定連接，將其應(yīng)用于溜冰運(yùn)動(dòng)場地中，并通過調(diào)節(jié)聚乙烯板片的數(shù)量來調(diào)節(jié)運(yùn)動(dòng)場地的大小。

在低溫條件下測試聚乙烯材料的拉伸性能中發(fā)現(xiàn)，聚乙烯材料仍然表現(xiàn)出良好的拉伸性能，拉斷聚乙烯材料所需的作用力并不比常溫條件下的作用力低，與金屬鋼材相比，其低溫條件下的強(qiáng)度韌性較高，被廣泛應(yīng)用于各種低溫場景中。

4 良好的抗?jié)裥院涂够瘜W(xué)腐蝕性能

4.1 抗?jié)裥阅?/p>

聚乙烯材料具有優(yōu)異的抗?jié)裥阅?，在體育運(yùn)動(dòng)器材中，由聚乙烯泡沫制備而成的地墊等設(shè)備被廣泛用于各種運(yùn)動(dòng)防護(hù)過程中。國內(nèi)某一大學(xué)利用聚乙烯材料良好的抗?jié)裥阅苤苽淞艘环N交聯(lián)聚乙烯發(fā)泡材料，通過實(shí)驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)，該材料的回彈性能較好、避空率較高、泡孔不易塌陷，使用壽命較長，在體育運(yùn)動(dòng)器材中由其制備的地墊不僅能夠起到很好的緩沖作用，而且在其長時(shí)間的使用過程中還能起到很好的防水作用，不會(huì)滲透汗液，在對(duì)其進(jìn)行清潔過程中可以直接用水擦拭，適合體操運(yùn)動(dòng)員以及調(diào)高運(yùn)動(dòng)員的各種訓(xùn)練中。

4.2 抗化學(xué)腐蝕性能

聚乙烯的化學(xué)結(jié)構(gòu)簡單，其結(jié)構(gòu)單元為[CH2-CH2]，分子鏈中不包含其他的化學(xué)基團(tuán)，因此在與其他化學(xué)試劑接觸時(shí)不易受到活性基團(tuán)的攻擊發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，因此其化學(xué)性質(zhì)和結(jié)構(gòu)較穩(wěn)定，抗化學(xué)腐蝕性能極好。例如，聚乙烯纖維的分子鏈之間排列緊密，對(duì)于化學(xué)試劑還有其他小分子能夠起到有效的阻止作用，因此聚乙烯纖維在受到海水等的侵襲時(shí)，仍能保持其強(qiáng)度不變，同時(shí)又不易被溶劑溶解。海水中含有豐富的化學(xué)離子，一般的材料長時(shí)間接觸海水容易受到腐蝕，影響其使用效果極其使用壽命，因此在海上運(yùn)動(dòng)項(xiàng)目中可以有效利用聚乙烯纖維的化學(xué)穩(wěn)定性和抗化學(xué)腐蝕性能進(jìn)行海上體育運(yùn)動(dòng)器材的設(shè)計(jì)，延長體育運(yùn)動(dòng)器材的使用壽命。聚乙烯結(jié)構(gòu)簡單，具有較高的結(jié)晶度，因此能夠適應(yīng)復(fù)雜的環(huán)境，保持其強(qiáng)度。另外，聚乙烯在部分有機(jī)溶劑中能發(fā)生溶脹現(xiàn)象，但其力學(xué)損失并不會(huì)受到很大影響。通過實(shí)驗(yàn)將聚乙烯纖維和其他纖維在不同化學(xué)介質(zhì)中進(jìn)行強(qiáng)度實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)在受到化學(xué)介質(zhì)的影響后，聚乙烯纖維的強(qiáng)度明顯高于其他幾種纖維，而且其強(qiáng)度幾乎保持不變。值得注意的是，雖然聚乙烯纖維的化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定，抗腐蝕性能較好，但是在次氯酸等極少數(shù)的溶液中會(huì)發(fā)生溶脹現(xiàn)象，強(qiáng)度會(huì)有所降低，因此在對(duì)其進(jìn)行應(yīng)用時(shí)應(yīng)特別注意。

5 熱穩(wěn)定性好

聚乙烯材料的熱穩(wěn)定性能較好，在對(duì)其進(jìn)行熱失重實(shí)驗(yàn)后可以有效對(duì)這一點(diǎn)進(jìn)行驗(yàn)證。熱失重曲線是了解物質(zhì)熱分解溫度區(qū)間的關(guān)鍵曲線，對(duì)于物質(zhì)熱穩(wěn)定性的分析至關(guān)重要，它有助于確定樣品在受熱過程中是否會(huì)發(fā)生熱降解，從而影響材料的分子量進(jìn)而影響其使用效果。如圖2所示為聚乙烯樣品熱失重測試（TGA）曲線。由聚乙烯材料的熱失重曲線可知，聚乙烯材料的熱分解過程簡單，其熱分解在溫度為450℃左右開始，在500℃左右趨于穩(wěn)定，其最大的降解速率所對(duì)應(yīng)的溫度為480℃左右。實(shí)驗(yàn)證明，聚乙烯材料的熱穩(wěn)定性很好，在溫度<450℃的環(huán)境中可以得到很好的應(yīng)用。在體育運(yùn)動(dòng)中不可避免的會(huì)遇到高溫天氣的影響，因此將聚乙烯材料應(yīng)用于體育運(yùn)動(dòng)器材中不易受到環(huán)境因素的影響而使其使用效果變差。

6 結(jié)語

在體育運(yùn)動(dòng)領(lǐng)域中，各式各樣的聚乙烯型材被廣泛的應(yīng)用到球類、水上以及冰上運(yùn)動(dòng)的器材中。由聚乙烯材料制備而成的體育運(yùn)動(dòng)器材具有較好的抗彎曲性能、耐沖擊性能、耐低溫性能等，這類體育運(yùn)動(dòng)器材不僅能夠給運(yùn)動(dòng)員帶來較好的體驗(yàn)，還能在使用過程中對(duì)運(yùn)動(dòng)員起到很好的保護(hù)作用。另外該類體育器材使用壽命較長、制作成本低，因此在體育運(yùn)動(dòng)項(xiàng)目中受到眾多運(yùn)動(dòng)員及運(yùn)動(dòng)商家的喜愛。在對(duì)聚乙烯的研究過程中，專家為了改善聚乙烯的某些特性，對(duì)其進(jìn)行改性實(shí)驗(yàn)，進(jìn)一步提高了聚乙烯的耐磨性、抗?jié)裥缘刃阅?。改性聚乙烯在體育運(yùn)動(dòng)器材中也得到廣泛應(yīng)用，例如，球場中的草坪，通過改性聚乙烯的使用增加了草坪的柔軟度，提高了草坪的安全性;在足球等球類中使用改性聚乙烯材料，增加了球類的減震性能，在保護(hù)運(yùn)動(dòng)員的同時(shí)還能適應(yīng)各種高強(qiáng)度運(yùn)動(dòng);在地墊等運(yùn)動(dòng)保護(hù)器材中添加改性聚乙烯纖維，能夠增大墊子的回彈性，不容易發(fā)生塌陷。聚乙烯和改性聚乙烯材料無論是在體育運(yùn)動(dòng)還是其他領(lǐng)域都受到大家的歡迎和廣泛應(yīng)用。

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