高性能高分子材料性能優(yōu)勢及對籃球運動發(fā)展影響分析研究

任博聰

（陜西鐵路工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院，陜西渭南714000）

高分子材料是以高分子聚合物為主體的材料，與金屬材料、陶瓷材料一樣,高分子材料是在當(dāng)前人類社會活動中得到了廣泛應(yīng)用的一種重要材料類型,是構(gòu)筑現(xiàn)代社會幸福生活的基石之一。高分子材料種類豐富,可以從來源或者性能上來進行劃分和歸類：從來源上可以分為天然高分子、天然改性高分子、合成高分子；從性能上可以分為通用高分子和功能高分子。高分子材料因其來源、加工等比較容易，而且性能優(yōu)異，因此在生產(chǎn)和生活中被廣泛應(yīng)用?；@球運動是一項集力量和速度為一體的體育運動，具有一定的競爭難度。除去運動員的技能還對籃球運動的相關(guān)材料也提出了更高的要求（韌性、強度、抗擊等），高分子材料因其優(yōu)異的性能，可以滿足籃球材料的要求，可以被應(yīng)用到籃球運動領(lǐng)域的多個方面[1]。

1 籃球運動高性能高分子材料分類與性 能分析

高分子材料是以高分子化合物及其他添加劑為基礎(chǔ)所構(gòu)成的材料，也被成為聚合物材料。將其根據(jù)來源劃分，可分為天然高分子和合成高分子材料。前者是存在于生物體內(nèi)的高分子化合物，可分為天然纖維、天然樹脂、天然膠等。后者主要是指塑料、合成橡膠和合成纖維三大合成材料，此外還包括膠黏劑、涂料等?；@球運動常用高性能高分子材料分類見圖1。

圖1 籃球運動常用高性能高分子材料分類Fig. 1 Classification of high performance polymer materials commonly used in basketball

1.1 碳纖維復(fù)合材料（CFRP）

碳纖維本身為一種纖維材料，在不進行復(fù)合條件下僅用碳纖維并不能制造出部分性能要求較高的零部件。因此，碳纖維要和樹脂一起制成復(fù)合材料使用。根據(jù)所用樹脂種類的不同，以及碳纖維品種、狀態(tài)（可制成織物及短纖維等多種形態(tài)）的不同，制成的CFRP的特性也大不相同。而碳纖維復(fù)合材料（CFRP）是碳纖維增強碳基體復(fù)合材料，具有高強高模、密度低、熱膨脹系數(shù)小、耐燒蝕、耐疲勞、化學(xué)惰性、抗熱沖擊、尺寸穩(wěn)定性高、斷裂韌性大、導(dǎo)電性極高等一系列優(yōu)點。CFRP不僅是一種無與倫比的耐燒蝕材料，而且也是一種最高使用溫度的熱結(jié)構(gòu)材料。因此CFRP作為新型的耐高溫結(jié)構(gòu)-功能一體化工程材料，得到了迅速的發(fā)展，使其在航空航天領(lǐng)域中成為難以替代的材料。目前，廣泛應(yīng)用于固體發(fā)動機噴管，導(dǎo)彈比錐，航天飛機耐燒蝕材料和隔熱材料，民用、軍用飛機和賽車的摩擦制動材料以及生物工程結(jié)構(gòu)材料，由于CFRP的價格相對較高，限制了它在工業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用。無論從產(chǎn)量還是產(chǎn)值，它在國防尖端方面及飛機制動材料的應(yīng)用已經(jīng)囊括了CFRP的90%。碳纖維制品特點：

（1）碳纖維復(fù)合材料（CFRP）的密度比許多金屬材料要輕，CFRP的密度約為1.85g/cm3、鋁（Al)的密度為2.7g/cm3左右，鐵（Fe）的密度為7.8g/cm3左右[2]。

（2）抗腐蝕性強，CFRP具有很強的耐腐蝕性，在自然環(huán)境惡劣下依然可以正常工作，能夠減少陽光、風(fēng)沙、氧氣等對運動器材的侵蝕，增強其使用壽命；CFRP還可以抵御紫外線，免除了困擾許多材料的紫外線傷害問題的煩惱。

（3）耐磨、耐沖擊性好，CFRP耐磨、耐沖擊，對比一般材料優(yōu)勢非常明顯。

（4）良好的導(dǎo)電性能，碳纖維導(dǎo)電性能良好，1米長的12K碳纖維絲的電阻約為35Ω。

（5）抗沖擊高，適用于體育器材的生產(chǎn)、制造。

1.2 聚氨酯復(fù)合材料

與傳統(tǒng)材料相比聚氨酯復(fù)合材料具有以下特點，見表1。

表1 與傳統(tǒng)材料（橡膠）相比聚氨酯復(fù)合材料的性能優(yōu)勢Table 1 Performance advantages of polyurethane composite plastics compared with traditional materials (rubber)

由表1可知，聚氨酯復(fù)合材料在密度、拉伸強度、彈性模量、抗老化、耐腐蝕性和耐疲勞性等方面均優(yōu)于天然橡膠[3]。

（1）密度小的聚氨酯質(zhì)量相對較輕，而質(zhì)量輕的材料對體育運動的舒適度具有很大的影響。這類輕質(zhì)量的體育器材，在保障體育器材性能的同時還方便維護，增長使用壽命。

（2）拉伸強度、彈性模量等力學(xué)性能優(yōu)異，它可以在保證材料性能的基礎(chǔ)上，降低對體育器材的成本投入。

（3）抗老化、耐腐蝕性強，在一些自然環(huán)境惡劣下，可以減少陽光、風(fēng)沙、氧氣等對運動器材的侵蝕，增強其使用壽命。

1.3 丙烯酸

彈性丙烯酸球場地坪的塑材軟墊及丙烯酸涂面系統(tǒng)，其厚度為3～4 mm左右。在以鋪設(shè)好的基面上在鋪設(shè)內(nèi)含百分百無機性纖維顏料與彈性丙烯酸，其優(yōu)勢在于：性價比高；水性原料，屬于綠色無污染的環(huán)保產(chǎn)品；由丙稀酸丙烯酸乳膠原料制成，色彩鮮艷、抗紫外光性能好，可以保持長時間在陽光下暴曬而不褪色；回彈性好，不易開裂，具有減震功能，可以為運動員帶來舒適的運動感，同時可以減少運動員受傷；耐候性高，在一些自然環(huán)境惡劣的環(huán)境里，可以減少陽光、風(fēng)沙、氧氣等對運動器材的侵蝕，增強使用壽命；附著力強，結(jié)合牢固，不脫層、不鼓泡；表面平整，方便維護和清理，性價比高，費用低[4]。

2 高性能高分子材料對籃球運動的發(fā)展影響

2.1 高分子材料對籃球的發(fā)展影響

傳統(tǒng)的籃球一般使用動物皮革進行制造，這種球控球手感好，彈性適中，但是生產(chǎn)過程復(fù)雜，而且價格、保養(yǎng)成本偏高。現(xiàn)在制作籃球的材料多為聚氨酯（PU）和PVC 合成皮，PU耐磨性好、易加工、不易變形，通過調(diào)控-OH與異氰酸酯基（R-N=C=O）的比值能夠改變材料的柔順性，可以避免因使用不正確而導(dǎo)致的球爆炸事件。PVC（聚氯乙烯）通過聚合物的改性能提高材料的耐高溫和抗沖擊性。溫度為142℃左右時，在棉布或者紙張上涂上PVC進行加熱會發(fā)生變化生成凝膠，凝膠成型后變?yōu)楸∧ぃ偻ㄟ^滾筒對薄膜進行壓緊，即為人造革。人造革在手感和耐低溫性能上不如聚氨酯（PU）材料，但其在耐磨、防水、價格、抗鹽堿性能上比聚氨酯材料好，適用范圍更廣。

2.2 高性能高分子材料對球衣的發(fā)展影響

影響運動員體育成績的不單是體育水平，運動服的材料和舒適度同樣會直接影響到運動成績?；@球運動服按照材料分類可以分為以下兩種：防水透濕性好，這種球服一般以聚酰胺合成材料尼龍塔夫綢為基礎(chǔ)，在其表面涂上復(fù)氨酸系聚合物，可以使籃球服具有良好的透氣和吸濕排濕的性能。保溫吸汗性好，聚酯纖維（滌綸）是聚酯（PET）和紡絲的合成物，主要成分為(C10H8O4)n，相對分子量約為18500。聚酯纖維的穩(wěn)定性、耐皺性和絕緣性等都比較好，同時抗酸、堿度效果良好[5]。如果在含有聚酯纖維材料上在進行真空蒸鍍鋁或鈦，它的有效反射紅外線效果會更好，將其用在球服制作中可以控制球服內(nèi)部的溫度，提高球衣舒適度。在此基礎(chǔ)上，相關(guān)人員研制出一款新的由三層纖維組成衣料。我們常用的纖維分為兩種：人造纖維，此類纖維一般從石油中提取出含有疏水基團，因此也被成為疏水纖維，該纖維是回潮率小于4.5%、吸濕性較弱的纖維；天然纖維，此類纖維主要是由葡萄糖（C6H12O6）組成，成分中含有大量能與水結(jié)合的羥基（-OH），二者結(jié)合形成氫鍵，因此被稱為親水纖維。如果籃球服的制作采用最外層為親水性纖維、最內(nèi)層是疏水性纖維，中間層是兩種纖維的混合，因此該球服在防水透濕性、保濕吸汗性上將是非常好的，適合運動員使用[6]。

2.3 高性能高分子材料對球鞋的發(fā)展影響

高分子碳纖維可以應(yīng)用在球鞋上，即碳纖維防扭轉(zhuǎn)承托盤，也就是用碳纖維制造的防扭轉(zhuǎn)承托盤。碳纖維板在球鞋起到防扭轉(zhuǎn)承托盤的作用。說到防扭轉(zhuǎn)托盤，要從人體工程學(xué)、人腳的生理結(jié)構(gòu)說起，防扭轉(zhuǎn)承托盤就好比足弓對于腳的作用。作為骨骼，足弓是框架，起支撐負載肌肉組織的作用。作為結(jié)構(gòu)，足弓是橋梁，連結(jié)前后腳掌并緩沖或傳導(dǎo)力量。對于鞋來說，防扭轉(zhuǎn)承托盤的作用與足弓的作用非常相似。首先，它的防扭轉(zhuǎn)功能正是為了保護足弓，防止球鞋和人腳在作用力下發(fā)生損壞。運動員的足弓一旦受傷，后果是難以想象的，很可能意味著運動生命的結(jié)束。所以，這個保護功能是碳纖承托盤的最基本的使命。其次，作為承托盤，它的作用就像骨骼對于肌肉組織，脊椎對于人體，鋼筋對于混凝土，是支撐，是筋骨。沒有承托盤的運動鞋都軟趴趴的，缺少穩(wěn)定性，無法適用于激烈的運動項目。因此，名牌運動鞋（籃球鞋、足球鞋）都具有強大的防損傷設(shè)計。對于功能性運動鞋來說，防扭轉(zhuǎn)承托盤是必須的結(jié)構(gòu)。而碳纖維復(fù)合材料的作用，就是讓它更堅韌、更有彈性的同時，讓它重量更輕，目前來說，碳纖維復(fù)合材料是制造球鞋防扭轉(zhuǎn)承托盤最好的材料，用最好的材料制造出最好的鞋[7]。

2.4 高分子材料對籃球架的發(fā)展影響

傳統(tǒng)的籃球運動中籃板的材質(zhì)多為木質(zhì)，因其結(jié)構(gòu)不夠規(guī)整，總會影響運動員的進球成績?，F(xiàn)在的籃板材質(zhì)多為有機玻璃（聚甲基丙烯酸甲酯/PMMA）, PMMA抗沖擊性能強、柔順性好。PMMA在經(jīng)過加熱處理后，其韌性和透光度都會提高，透光度也屬于高分子材料中最好的，高達90%以上。在高性能高分子材料中聚乙烯纖維（乙綸）和乙烯基酯（Vinyl Ester Resins）的復(fù)合物乙烯基酯復(fù)合材料可以用于球架表面，該乙烯基酯復(fù)合材料結(jié)合了乙綸和乙烯基酯的優(yōu)點，具有密度低、穩(wěn)定性強等優(yōu)點，適用于籃球架制作，會提高籃球的使用壽命、增強耐腐蝕性等[8]。最后再利用噴塑處理法進行處理，可以使籃球不掉漆、不褪色、耐氧化等。

2.5 高分子材料對籃球場地的發(fā)展影響

在打籃球時，人體會因肌肉的收縮產(chǎn)生反作用力，超過0.2秒的反作用力會給人體帶來類似鋼鐵的破壞力。而籃球運動是一項沖擊力很大的運用項目，運動員在起跳落地時很容易發(fā)生損傷。因此，籃球場地要在保持一定硬度的情況下，還需要具有適度的柔軟緩沖性。高性能高分子材料因其優(yōu)異的性能滿足了籃球場地的這一要求。

（1）ETPU減震緩沖技術(shù)：ETPU顆粒能在每一次受力后會有效積聚并釋放能量，獨特的高分子蜂窩結(jié)構(gòu)提供強大的緩震和回彈力，使跑道常年保持優(yōu)異的彈性[9]。革命性的“Damping”技術(shù)將ETPU應(yīng)用其中，在奔跑者每一步下都能被擠壓、膨脹，再反彈，減輕運動中對膝關(guān)節(jié)和腳踝的損傷。

（2）抗UV耐老化技術(shù)：1000h加速老化后，其物理性能降低幅度小于1%，測試結(jié)果符合國際國內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)。獨特的“Durable”面層技術(shù)，賦予其優(yōu)異的耐老化及抗凍融性能，不黃變，不硬化，彈性不流失，65℃到零下20℃依然保持極佳的物理性能，適合穿釘鞋頻繁進行專業(yè)競技賽事，另外，還具超長的使用壽命，環(huán)保可回收再利用。

2.6 高分子材料對護具的發(fā)展影響

高分子材料中的慢回彈聚氨酯泡沫因在室溫附近具有較高的粘彈性，能夠吸收較高的能量，故可以作為運動護具，防止意外傷害。根據(jù)防護部位，慢回彈聚氨酯運動護具分為護肩、護膝、護肘、護踝、護脛、護背、護臀和護尾椎以及頭盔等；根據(jù)運動種類，可以分為摩托車護具、滑雪護具、足球運動護具、溜冰運動護具等；根據(jù)使用方法，分為插片式、穿戴式和車縫連衣式。不同的運動對護具的要求不同，球場外使用聚碳酸酯（PC）、滌綸制成的圍欄，即使發(fā)生碰撞，人和圍欄都不會發(fā)生損傷。

3 結(jié)語

隨著科技的發(fā)展，高性能高分子材料在各個領(lǐng)域的應(yīng)用越來越多，因其性能優(yōu)勢在籃球運動中的應(yīng)用也越來越多[10]。利用高性能高分子材料生產(chǎn)的籃球，它的舒適性、安全性是其他材料無法達到的。隨著我國體育運動的發(fā)展和花式籃球的興起，使得高性能高分子材料在籃球運動中備受喜愛。