高分子復(fù)合材料在體育器械的應(yīng)用與性能*

孫晉媛

（西安醫(yī)學(xué)院，陜西西安 710021）

隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展，人民的物質(zhì)生活得到了很好的保障，開始追求身心的釋放。于是國(guó)民開始進(jìn)行各種體育活動(dòng)來(lái)豐富業(yè)余生活。人們對(duì)體育器械的要求也越來(lái)越高，因此不斷開發(fā)新型材料以滿足當(dāng)前需求。高分子材料也稱為聚合物材料，是通過(guò)高分子化合物為基體，再添以其他助劑構(gòu)建而成的材料，一般具有平均10000以上的分子量，并且它在聚合過(guò)程后會(huì)變成不同分子量大小的許多高聚物的混合物[1]。高分子材料具有耐腐蝕、耐極限條件、設(shè)計(jì)自由度高和高力學(xué)性能，已經(jīng)逐漸開發(fā)應(yīng)用于群眾體育以及競(jìng)技體育器材[2]。此外，由于高分子材料的來(lái)源廣泛和質(zhì)量輕等優(yōu)點(diǎn)而作為基礎(chǔ)材料用于提升運(yùn)動(dòng)員的實(shí)驗(yàn)舒適度和提高成績(jī)?；诖?，本文對(duì)高分子材料在體育器械的應(yīng)用及其性能進(jìn)行大致的表述與分析。

1 高分子材料分類

任何事物的發(fā)展變化和人類社會(huì)活動(dòng)有著之間或者間接的關(guān)系，與陶瓷和金屬等材料類似，高分子材料的不斷發(fā)展成熟與我們的生活息息相關(guān)[3]。

當(dāng)前，對(duì)高分子材料的分類主要如圖1所示。天然高分子材料是從自然生物體獲得未經(jīng)過(guò)人工合成的一類產(chǎn)品。但是，天然高分子材料的可加工性能、力學(xué)性能、耐環(huán)境性能等往往不能滿足實(shí)際需求。對(duì)于現(xiàn)代體育競(jìng)技而言，高新材料的發(fā)展在體育科技水平的提高方面發(fā)揮著積極作用，因此提高高分子材料力學(xué)、生物學(xué)、耐環(huán)境性能等獲得高性能改性高分子材料很有必要[4]。

圖1 高分子材料分類Fig.1 Classification of polymer materials

2 高性能高分子材料對(duì)競(jìng)技體育的影響

2.1 高分子材料在體育器械中的發(fā)展

隨著體育運(yùn)動(dòng)的逐漸發(fā)展，體育材料開始日新月異。現(xiàn)代競(jìng)技體育促進(jìn)了高性能高分子材料的產(chǎn)生及應(yīng)用。特殊性能高分子材料與競(jìng)技體育的關(guān)系還表現(xiàn)為，競(jìng)技體育為高性能高分子材料提供了一個(gè)應(yīng)用領(lǐng)域和展現(xiàn)的平臺(tái),成為促進(jìn)材料發(fā)展的主要驅(qū)動(dòng)力。此外，需求也是促進(jìn)研究發(fā)展的動(dòng)力，通過(guò)研究高性能競(jìng)技材料有利于高分子技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展[5]。上世紀(jì)五十年代左右，隨著材料科學(xué)的迅猛發(fā)展，撐桿跳迎來(lái)了它的春天，最開始的撐桿跳中的跳桿為木制材料，由于此類材料不具備彈性轉(zhuǎn)化動(dòng)能的能力，所以最終被淘汰。慢慢的復(fù)合材料開始被應(yīng)用到體育項(xiàng)目中，由玻璃纖維與有機(jī)樹脂粘合制造成玻璃纖維復(fù)合桿，重量輕且經(jīng)久耐用和彈性好，而成為運(yùn)動(dòng)員得心應(yīng)手的武器。利用這一武器，美國(guó)運(yùn)動(dòng)員首次打破了 “人的體力不能超過(guò)4.87m的極限”的神話。20世紀(jì)末，利用合成樹脂與碳纖維進(jìn)行復(fù)合加工的高分子復(fù)合材料有著遠(yuǎn)超一般材料的彈性和韌性，能夠最大程度地將勢(shì)能轉(zhuǎn)化為動(dòng)能，進(jìn)而大大提升競(jìng)技成績(jī)，瑞典運(yùn)動(dòng)員以6.18m的高度再次打破世界記錄[6]。

在冰雪運(yùn)動(dòng)中，滑雪板的材料從20世紀(jì)60年代之前的纖維板等制成，20世紀(jì)70年代的高分子材料-超高分子聚乙烯，到21世紀(jì)后的導(dǎo)電性滑雪板，有效地降低了滑雪過(guò)程中產(chǎn)生的靜電影響，近年來(lái)研究員中試圖從聚酰胺纖維、碳纖維環(huán)氧復(fù)合物作為主要材料，利用擠拉和纖維纏繞工藝開發(fā)高強(qiáng)度、抗沖擊力強(qiáng)度大、彎曲強(qiáng)度高的新型滑雪板，并已經(jīng)取得了一定的成果[7]。

競(jìng)技體育運(yùn)動(dòng)服飾種類眾多，可分為水上服、冰上服、田徑服、體操服、登山服、球類服、舉重服、摔跤服、擊劍服等，因此在運(yùn)動(dòng)服設(shè)計(jì)中，不同運(yùn)動(dòng)對(duì)服飾的性能需求也就存在較大差異，也就使得材料選擇和設(shè)計(jì)上需要有針對(duì)性，如利用聚氨酯薄膜配合涂層結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的防水透氣性強(qiáng)和高機(jī)械性能的水上服，聚氨酯和聚降冰片烯等材料設(shè)計(jì)的高度智能化熱敏形狀記憶功能體操服,尼龍塔夫綢上涂覆聚胺酸系聚合物設(shè)計(jì)的吸汗和排汗田徑服等[8]。

2.2 高性能高分子材料的發(fā)展及意義

當(dāng)今社會(huì)科技飛速發(fā)展，在征服自然與改造自然物質(zhì)的同時(shí)將材料學(xué)科的運(yùn)用與人類社會(huì)結(jié)合發(fā)展到一個(gè)新的水平[9]?，F(xiàn)在體育競(jìng)技的背后除了存在科學(xué)的運(yùn)動(dòng)員素質(zhì)訓(xùn)練以外，先進(jìn)科學(xué)技術(shù)所產(chǎn)生的先進(jìn)材料運(yùn)用于現(xiàn)代體育經(jīng)濟(jì)也是一個(gè)國(guó)家體育實(shí)力的隱性重要因素之一。

材料科學(xué)為滿足人類需求迅速發(fā)展，單是傳統(tǒng)材料的種類已達(dá)至幾十萬(wàn)種，而新材料的推陳出新更是速度驚人，其中高分子材料由于其具有強(qiáng)度高、韌性好、耐疲勞性強(qiáng)、大多數(shù)是惰性、耐腐蝕等優(yōu)點(diǎn)逐漸成為競(jìng)技體育器械制作的新寵[10]。

3 高分子材料在體育器械的應(yīng)用

3.1 高分子材料制作與改性

高分子材料的力學(xué)性能是其在體育器械應(yīng)用時(shí)的重要依據(jù)。因其剛性、韌性、潤(rùn)滑性等方面的優(yōu)點(diǎn)，使其在制作或者提高體育器械質(zhì)量上顯得尤其重要。所以為了提高高分子材料的力學(xué)性能，相關(guān)工作者利用交聯(lián)、共聚、共混、改性等方法制備相關(guān)的高分子復(fù)合材料，將高性能改性高分子與體育器械相結(jié)合應(yīng)用[11]。

對(duì)于高分子的改性，可以直接將功能納米材料與高分子材料進(jìn)行共混，從而達(dá)到改性目的，如LEITE等的相關(guān)研究用三種不同的季銨鹽對(duì)粘土進(jìn)行化學(xué)改性，在聚酰胺6中加入蒙脫石粘土，最終提高了聚酰胺6的彈性模量，并且提高了強(qiáng)度[12]。如張芳芳等人通過(guò)乳液聚合技術(shù)合成了以聚丁二烯(PB)為核，以聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)為殼的核殼結(jié)構(gòu)改性劑，分別用于聚對(duì)苯二甲酸丁二醇酯(PBT)／聚碳酸酯(PC)共混物的改性，最終達(dá)到增韌的效果[13]。

3.2 高分子材料在器械上的應(yīng)用及性能

高分子材料與競(jìng)技體育相輔相成，現(xiàn)代體育的發(fā)展呼吁且要求高分子材料的產(chǎn)生與進(jìn)化。盡管先進(jìn)材料并不是競(jìng)技體育取得優(yōu)秀成績(jī)的唯一原因，還與運(yùn)動(dòng)員的先天素質(zhì)，是否接受過(guò)系統(tǒng)訓(xùn)練，心理素質(zhì)保持與提高，天氣等原因息息相關(guān)。但是科學(xué)技術(shù)的發(fā)展使得先進(jìn)材料滲透在運(yùn)動(dòng)員運(yùn)動(dòng)生涯的日常中，為了提高體育成績(jī)，仿生技術(shù)、電子通訊技術(shù)、醫(yī)藥學(xué)技術(shù)等都在體育競(jìng)技中占有重要地位，從而要求相關(guān)高分子性能的精益求精。盡管只是材料的一小點(diǎn)進(jìn)步，但也可能會(huì)帶來(lái)競(jìng)技體育的巨大優(yōu)勢(shì)，使得名次與成績(jī)有著明顯變化。

3.2.1 通用樹脂與纖維材料

尼龍、滌綸、腈綸、棉等材料有著較好的強(qiáng)度，且具有耐熱性好，耐磨性強(qiáng)，吸水性佳且保暖的優(yōu)點(diǎn)，故而通常被用于運(yùn)動(dòng)服的制作，又比如氨綸纖維由于其彈性好，常用來(lái)制作泳衣、秋衣、護(hù)腕和護(hù)膝，而高酯纖維由于其強(qiáng)度大，易分散等特點(diǎn)常用于制作運(yùn)動(dòng)襪[14]。

3.2.2 環(huán)氧樹脂復(fù)合材料

環(huán)氧樹脂是分子中含有兩個(gè)以上環(huán)氧基團(tuán)的一類聚合物的總稱，其中含有-OH（羥基）、-COOH（羧基），可以在分子間與金屬發(fā)生配位，由于其優(yōu)越的性能，賦予了環(huán)氧樹脂另一個(gè)萬(wàn)能膠的稱號(hào)，也常常用其作為跑道和室內(nèi)運(yùn)動(dòng)場(chǎng)，從而可以減少?zèng)_擊以保護(hù)運(yùn)動(dòng)參賽人員的腳踝膝蓋，增加運(yùn)動(dòng)員的職業(yè)生涯壽命[15]。

3.3.3 工程聚合材料

在運(yùn)動(dòng)器材上，工程聚合材料得到了廣泛的應(yīng)用。比如聚酯因其韌性、耐磨性用于制造乒乓球；聚氨酯、聚氯乙烯因其耐腐蝕性、抗老化性用來(lái)制作籃球；PC因其牢固、耐熱、耐老化等特性用來(lái)鋪塑膠跑道[16]。

3.3.4 高分子復(fù)合材料性能

高分子復(fù)合材料具有獨(dú)特的性能，比如JZZ-1型液體裝甲，在不受力的情況下材料柔軟，但在瞬間作用力的襲擊下可以分散沖擊能量，而在沖擊過(guò)后繼續(xù)保持其柔軟狀態(tài)。常見的高分子復(fù)合材料的常規(guī)力學(xué)性能見表1[17]。

表1 幾種塑料復(fù)合材料力學(xué)性能對(duì)比Table 1 Comparison of mechanical properties of several plastic composites

4 結(jié)語(yǔ)

大力發(fā)展國(guó)民體育素質(zhì)是提高一個(gè)國(guó)家綜合素質(zhì)必不可少的重要因素，也是一個(gè)國(guó)家隱性國(guó)力的體現(xiàn)。而在發(fā)展的過(guò)程中體育護(hù)具、器械等發(fā)揮著作用。將復(fù)合高分子材料與器械相結(jié)合，將促進(jìn)國(guó)民體育不斷發(fā)展。本文對(duì)高分子復(fù)合材料進(jìn)行簡(jiǎn)要剖析，旨在為我國(guó)高分子復(fù)合材料得體育應(yīng)用提供參考。