高分子化工新材料體育器材領域智能化發(fā)展研究

郭攀

摘 要：高分子化工新材料的應用與發(fā)展，是體育器材性能不斷優(yōu)化與改善的基礎。文章針對當前體育器材制備領域常用的幾種高分子化工材料進行分析，總結了這些高分子化工新材料的性能優(yōu)勢。對高分子化工新材料如何影響體育器材發(fā)展進行總結，著重分析了高分子化工新材料體育器材領域的智能化、節(jié)能環(huán)保化等發(fā)展方向。

關鍵詞：體育器材;智能化發(fā)展;芳綸纖維;碳纖維

中圖分類號：TQ050.4+22?????? 文獻標識碼：A文章編號：1001-5922（2022）01-0154-04

Study on the intelligent development of new polymer chemical material sports equipment field

GUO Pan

（Xi′an Traffic Engineering Institute，Xi′an 710300，China）

Abstract：The application and development of new polymer chemical materials is the basis for the continuous optimization and improvement of the performance of sports equipment.In this paper，several polymer chemical materials that commonly used in the field of sports equipment preparation were analyzed，and the performance advantages of these new polymer chemical materials were summarized.This paper studied how the new polymer chemical materials affected the development of sports equipment，and analyzed the development direction of intelligent，energy saving and environmental protection in the field of sports equipment.

Key words：sports equipment;intelligent development;aramid fiber;nylon fiber;carbon fiber

體育器材種類繁多，對應上游原材料的來源也頗為豐富，當前應用較多的有木材、金屬及合金、橡膠、皮革以及各類型高分子復合材料等。隨著現代的科技的不斷進步以及體育產業(yè)整體不斷壯大，越來越多的高分子化工新材料開始逐漸普及，碳纖維、芳綸纖維等材料制備而成的體育器材價格也逐漸親民化，為高分子化工新材料在體育器材領域的普及和更加長遠的發(fā)展奠定了基礎。高分子化工新材料憑借自身優(yōu)異的綜合性能優(yōu)勢或單一性能優(yōu)勢，很大程度影響著現代體育器材、體育服飾以及體育場地的發(fā)展。目前，在體育器材制備領域應用較多的高分子化工新材料有芳綸纖維材料、碳纖維復合材料等。體育器材領域的發(fā)展其本質是科技的發(fā)展，體育用品企業(yè)的發(fā)展，需著力于新材料研發(fā)，為此通過開發(fā)更加環(huán)保、性能更加優(yōu)異的新材料并將其應用于體育器材中[1]。

1 高分子化工新材料的分類及其優(yōu)勢

1.1 材料分類

高分子化工新材料，指的是一類以高分子化合物為基礎或核心，通過一系列物化手段制備而成的材料。圖1所示為不同分類規(guī)則下高分子化工新材料的分類情況。

然而，并不是所有高分子材料都能用于體育器材的制備。通常情況下，體育器材要求高分子新材料需要具備某一方面較為突出的物化性能、盡量低的生產和加工成本以及較強的環(huán)保優(yōu)勢等。因此，當前體育器材領域最常用且發(fā)展前景最佳的高分子化工新材料主要有芳綸纖維材料、尼龍纖維復合材料、碳纖維材料、不飽和聚酯復合材料等[2]。

1.2 高分子化工新材料性能優(yōu)勢

1.2.1 芳綸纖維材料

芳綸纖維即芳香族聚酰胺纖維。芳綸材料本身具有質地柔軟、密度小等特點，利用芳綸材料制備運動服飾能夠為運動員提供較為舒適的穿著感。同時，芳綸纖維的強度高、能夠保證在較高溫度的外部環(huán)境下不分解、不融化，能夠提供較長的運動服飾使用壽命周期。芳綸纖維是目前最佳的防刺面料纖維材料之一，在射擊運動、射箭運動以及擊劍運動中均多有使用。與碳纖維等材料相比具有伸長率高、耐局部沖擊能力強等優(yōu)勢。

1.2.2 尼龍纖維材料

體育領域常用的尼龍纖維復合材料主要由兩大類：①Nomex 纖維。由于其纖維結構中存在苯環(huán)，導致該纖維材料中的分子鏈無法進行內旋轉，又由于纖維結構中的極性酰胺基的存在，促使該纖維材料分子鏈上形成了一定數量的氫鍵;氫鍵的存在會很大程度增強該纖維材料分子鏈之間的作用力，給Nomex 纖維提供了較強的剛性。同時，由于苯環(huán)與酰胺基兩部分之間會形成共軛體系，又進一步增強該纖維材料的綜合性能。Nomex 纖維具有典型的高耐熱、高強度、高化學穩(wěn)定性，是一種廣泛應用于運動服飾、各類型繩索、賽車部件等領域的纖維材料。②Kevlar 纖維。其纖維結構中苯及酰胺基的存在會使纖維材料分子鏈不斷交替，是分子鏈中的苯和酰胺基成分的密度增大，加上苯環(huán)與酰胺基兩部分之間形成共軛體系的存在，Kevlar 纖維的剛性、強度、化學穩(wěn)定性等較為優(yōu)異，通常Kevlar 纖維材料的模量能夠達到一般鋼材的3.5倍左右，但密度通常僅為一般鋼材的20%左右。Kevlar 纖維被廣泛應用于防護服、防護手套、鞋繩、各類型繩索等的制備[3]。

1.2.3 碳纖維復合材料

碳纖維復合材料是一種被廣泛應用于體育器材加工制備領域的高分子復合材料，碳纖維復合材料密度普遍低于金屬鋁，碳纖維材料的密度通常僅有1.76～1.80 g/cm3，所制備的復合材料的密度通常也不會超過1.60 g/cm3;然而材料的整體強度卻比體育器材中常用木材、鋼材高，其比強度、比模量優(yōu)勢等均非常明顯，非常適合替代傳統(tǒng)體育器材中的木材、金屬材料，例如羽毛球拍、網球拍，滑雪板中的部分結構等。此外，碳纖維復合材料的疲勞強度較高，在經過上百萬次循環(huán)應力疲勞試驗以后，碳纖維復合材料的強度保留率仍然能夠達到原材料的60%以上;而相同試驗條件下鋁材僅能保持30%左右的原材料強度。較高的疲勞強度能夠極大地延長體育器材的使用壽命，保證使用者在使用該器材時不會因器材變形、斷裂等發(fā)生危險。

2 高分子材料對競技體育發(fā)展影響

2.1 運動器材領域

運動器材與競技體育之間為相互依存、相互促進的關系，性能優(yōu)異、安全可靠的運動器材能夠一定程度上提升運動員競技水平;而運動水平的全面提升又會向運動器材提出更多的制備要求，反過來促進運動器材的發(fā)展。運動器材的發(fā)展實際上是以材料科技為基礎，以人體力學等科學為輔助而發(fā)展的。在高分子材料誕生以來，已經對運動器材的發(fā)展起到了巨大的作用[4]。

2.1.1 運動鞋

運動鞋的覆蓋面極廣，包含籃球、足球、冰上運動、短跑、長跑鞋等多種類型。使用高分子材料制備運動鞋，已經成為當前運動器材領域最為常見的現象，運動鞋的發(fā)展極大地影響了競技體育的發(fā)展。

以籃球運動鞋為例?，F代籃球鞋鞋面材料基本經歷了帆布-天然皮革-合成皮革3個發(fā)展階段。目前大多數中高端籃球鞋的鞋面材料均采用超細纖維合成革制備而成，這種材料強度大、透氣性高、質量輕，在應用于籃球鞋領域之后極大地提升了運動員穿著舒適程度和透氣性。超細纖維合成革較高的材料強度，也能夠為籃球運動員提供絕佳的包裹感和穩(wěn)定性，運動員在進行激烈的對抗、大幅度的運球變向時，鞋面材料能夠很好地支撐運動員足部，使運動員能夠更好地發(fā)力，同時也能夠有效避免因動作過大帶來的運動損傷[5]。籃球鞋的鞋底材料最初使用硫化橡膠制備而成，此時的籃球鞋鞋底由于缺乏足夠的支撐性和彈性，運動員并不能盡全力起跳。國外某品牌率先將碳纖維復合材料支撐碳纖維板，用于籃球鞋的足弓或全腳掌中，起到抗扭轉提供穩(wěn)定性的作用。在籃球運動員大幅度變向的時候，鞋底會變形而碳板可以在此時控制抑制形變，能夠為籃球運動員提供強力的足部支撐，同時有效防止損傷腳底。

2.1.2 球拍、桿等

碳纖維等高分子復合材料具有絕佳的力學性能，且密度更低，極為適合加工成球拍、球棒以及球桿等規(guī)則狀體育器械，能夠大幅提升該器械的使用手感和綜合性能[6]。

以網球球拍為例。傳統(tǒng)的網球球拍多為木質或鋁合金材質，具有質量大、容易損壞、不能承受較高的網線張力等缺點。尤其鋁合金材質的球拍在擊球時的振動極為劇烈，擊球手感較差。而使用碳纖維材料制備而生的網球拍，能夠大幅降低同等規(guī)格網球球拍的質量，這得益于碳纖維材料優(yōu)異的力學性能，能夠為網球運動員提供絕佳的擊球手感，同時由于材料本身抗沖擊性能和阻尼性均較好，在大幅降低擊球振動的同時能夠有效緩解運動員手腕處壓力，降低運動員運動損傷幾率。

2.2 運動服飾領域

高分子復合材料中包含了大量的纖維材料，這些纖維材料中的芳綸、聚氨酯纖維、超細尼龍纖維材料等，是運動服飾領域成果應用極好的材料[7]。

以競技泳衣為例，最初的競技泳衣與一般泳衣并無明顯差異，均采用棉質材料加工而成。但隨著材料科技的飛速發(fā)展以及運動員對新材料泳衣需求的增大，尼龍、仿鯊魚皮材質的化工新材料開始逐漸應用于競技泳衣的制備領域。仿鯊魚皮泳衣是一種以防氧彈性紗和特細尼龍紗為基礎材質，按照類似鯊魚皮微結構紡織而成的面料。2007年問世的第3代仿鯊魚皮材質泳衣在1年的時間里助力運動員21次打破世界紀錄。雖然2010年國際泳聯(lián)全面禁止了非天然紡織物制作的泳衣，但“快皮3”等新材料泳衣仍然層出不窮，并極大地影響著現代游泳運動的發(fā)展。

2.3 運動場地

20世紀70年代之前，我國大多數非專業(yè)競技跑道均采用煤渣混合泥沙的形式鋪設而成。大多數學校、單位等不具備鋪設塑膠跑道的可能性[8]。然而，隨著高分子復合材料領域的發(fā)展，塑膠跑道等的鋪設成本逐漸降低，富有彈性、舒適感、安全性更好的塑膠跑道逐漸開始普及。聚氨酯跑道的發(fā)明與普及，大幅提升了運動員開展田徑項目時足部與地面的摩擦力，能夠使運動員的跑、跳等動作更為理想，進而獲得更好的競技成績。同時，良好的地面緩沖也能夠為運動員提供更加優(yōu)異的地面反饋，降低運動員足部、膝部以及頸椎等部位受到的沖擊。

3 高分子化工新材料在體育領域的智能化發(fā)展

隨著全民健身熱潮的興起，我國體育發(fā)展水平和結構都從單一開始向多樣化發(fā)展?？萍夹g水平的提高，為體育器材領域帶來了全新的發(fā)展機遇，同時也推動了體育領域朝智能和環(huán)保的方向發(fā)展。

3.1 智能化

科技的發(fā)展推動了高分子化工新材料的出現和發(fā)展，促進了體育器材領域的智能化發(fā)展。如體育領域的新型儲能纖維服裝，它可以減少其他因素對運動的影響，在一定程度上保證了運動成效;同時在環(huán)保上有了進一步發(fā)展，它可以將運動產生的能量轉化為電能，再用于運動員的日常使用（電子設備充電）。將智能化玻璃纖維材料用于室內體育場館的封頂，該材料完成的封頂可以根據天氣的變化控制室內的采光。某些具有編程功能的運動服裝通過添加微電子系統(tǒng)，能夠通過傳感器、計算機等隨時掌握運動員身體特征變化，為運動員團隊提供更加豐富的運動員身體數據，從而為運動員提供更好、更科學的訓練計劃等。部分科研人員研發(fā)出了一種彈性超強、可自修復且能通過電壓控制動作的新材料，這種材料能夠由25.4 cm被拉伸到254 cm以上，具有極強的自我修復功能，是一種極為理想的人工肌肉材料。運動員在出現運動損傷以后，可以將該材料作為肌肉纖維的替代品，降低傷病對自身的影響[9]。

3.2 節(jié)能環(huán)?；?/p>

節(jié)能、環(huán)保、普及綠色可持續(xù)發(fā)展理念，是當前我國社會各行各業(yè)發(fā)展的基本公式;同時，也是維持我國社會全面、可持續(xù)發(fā)展的重要基礎。高分子復合材料本身具有一定的環(huán)保優(yōu)勢，但其生產與制備環(huán)節(jié)會形成一定的污染。作為對高分子復合材料依賴程度極高的體育領域，應積極開展綠色生產，引進節(jié)能環(huán)保生產設備等開展綠色可持續(xù)生產，持續(xù)優(yōu)化高分子復合材料的節(jié)能性和環(huán)保型。

4 結語

綜上所述，高分子復合材料、化工新材料對體育領域的影響極大，體育產業(yè)對新材料的依賴性也較高[10]。在全民健身背景下，體育領域應用高分子復合材料的程度將會越來越廣泛，通過分析高分子材料對體育器材制備領域的影響，能夠理清高分子材料與體育產業(yè)的關系，為體育產業(yè)發(fā)展、高分子材料領域發(fā)展提供借鑒。

【參考文獻】

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