塑料復合材料在體育設施中的應用

張新

摘要：塑料復合材料是近些年來材料學研究的重點領域之一，通過強化塑料基與其他材料的結合，能夠改變傳統塑料環保性能不足、應用范圍狹窄等方面的劣勢。在體育設施中廣泛應用塑料復合材料，能夠根據不同的塑料復合材料所擁有的特征，提升體育運動的舒適性和安全性，提升專業運行員的運動成績，促進體育產業的整體發展，為國民健康和社會經濟發展做出巨大的貢獻。

關鍵詞：體育設施;塑料復合材料;體育運動

中圖分類號：TQ327 文獻標識碼：A 文章編號：1001-5922（2019）12-0049-04

提升塑料復合材料在體育設施中的應用水平是未來體育行業發展的重要趨勢之一，塑料復合材料的應用，不僅能夠改變傳統材料給體育事業本身發展帶來的限制，還能夠改變由于傳統生產工藝帶來的環境污染問題，滿足綠色材料應用和生產的需要，為環保事業做出貢獻。但是由于塑料復合材料在普通社會群體中的認知度較低，體育活動開展水平較低等方面的影響，使得相關體育設施在推廣應用過程中存在較大的限制。

1 塑料復合材料的概念和研究進展

1.1塑料復合材料的概念

在認識塑料復合材料時，首先需要明確塑料材料本身是一種高分子材料，并不屬于復合材料。其次是由于塑料復合材料目前還處于快速發展的階段，相關的研究還在持續進行，并且由于研究領域的不同，所給的定義也有著較大的差異。但是就其本質上而言，塑料復合材料是由包括塑料材料在內的兩種或者兩種以上的材料經復合效應產生的新型材料，從結構角度而言，復合材料包含有基體材料和增強材料。在實際生產過程中，復合效應包括線性效應和非線性效應兩種類型，兩種效應之間的區別在量與量之間分別呈現出正比和曲線關系。在復合效應作用下產生的新型材料既具有原有材料所固有的性能，又包含原本材料中所不具備的新性能。

1.2塑料復合材料的研究進展

據能夠查找到的資料顯示，塑料復合材料在我國的研究起始于上個世紀七十年代，經過五十多年的發展，目前塑料復合材料不僅在應用領域上得到了極大的擴展，而且在生產工藝和材料復合組成等方面也取得了較為明顯的成就。目前塑料復合材料的研究在材料研究上主要集中在熱塑性塑料、生物炭復合材料、納米碳酸鈣復合材料、生物基纖維復合材料、木塑復合材料、塑料一陶瓷復合材料等各個方面。在應用范圍的研究上，已經從傳統的軍事和航空航天等領域擴展到汽車、給排水管材、體育設施等各種民用領域中。但是從整體上而言，我國在塑料復合材料的研究上雖然起步較早，但是目前與國際先進水平之間依然存在較大的差距，還有較大的提升空間。

2 塑料復合材料在體育設施應用中的優勢

2.1更好的力學性能

在描述材料的力學性能時，通常用比強度和比模量來表示。比強度是用來描述材料自身拉伸強度與材料表觀密度比例的單位，比模量則是描述材料的模量和密度比例。比強度高表明在同等強度條件下材料本身的質量更輕、比模量高則表示材料在同等承載能力下，材料的密度更低。塑料復合材料生產過程中，以不同的炭纖維作為增強材料，較之于傳統的鋼材料在比強度和比模量上可以有數倍的提升，以塑代鋼在未來體育設施行業發展中必將成為重要趨勢之一。

2.2更好的安全性能

運動員在完成體育動作時，大多需要借助于對應的體育器械，在使用過程中如果發生過載的情形，傳統的金屬材料質地較脆，抗沖擊性能較差，容易給運動員帶來較大的傷害。塑料復合材料在依托于增強材料特性的作用下，能夠在將過載力的作用限定在一定范圍內，在體育設施部分發生斷裂等情形時，不會影響到其他部位的應力性能，極大的提升了體育設施的安全性能。

2.3更好的減震性能

塑料本身屬于高分子聚合物，在發生形變時具有黏性和彈性雙重特征，目前已經研發成功并投入應用的超高分子量聚乙烯纖維，其性能更加全面、更加優異。在塑料與碳纖維材料進行復合成型時，由于二者具有的特殊結構，能夠在界面形成密布的裂紋。在產生應力作用時，這些裂紋處可以產生對應的摩擦力，而應力作用消失時，摩擦作用所產生的動能則會轉化成熱能，這種轉化過程即是以更好的減震性能來體現的。擁有更好減震性能的材料，不僅能夠對運動員成績的發揮起到推動作用，在更大程度上能夠起到保護運動員的作用。

2.4可成型性強

體育設施的研究在體育事業的發展過程中涵蓋多個不同的方面，在某種程度上而言，體育設施的形態更新對運動員的成績提升、大眾體育鍛煉的效果等方面也有著重要的影響。但是受制于加工工藝和生產成本等方面的影響，某些體育設施形態的更新只能停留在圖紙設計和小批量生產的階段，無法滿足體育設施生產的需要[1]。塑料復合材料在應用于體育設施的生產過程中時，可以根據增強材料的特點，采用纏繞成型、模壓成型、RTM成型和拉擠成型等不同的制備方法，通過相應的加工工藝改變碳纖維的排列方向，從而使塑料復合材料達到一次成型的目的，更好的提升體育設施的綜合性能。

3 炭纖維增強塑料在體育設施中的應用

炭纖維增強塑料的研究歷史較為悠久，生產工藝較為成熟，在體育設施中的應用范圍最為廣泛，取得了較好的經濟效益和社會效益，也是目前塑料復合材料在體育設施應用研究中最為集中的熱點方向。碳纖維增強材料是將塑料和炭纖維分別作為基體相和增強相進行固結，并分別起到傳遞應力和承受應力的作用。炭纖維增強塑料較之于傳統材料而言，具有更加優異的力學性能，具有良好的減震性能和安全性能，在其生產和應用過程中還具有較好的環保性能。在目前已經投入生產和應用環節的碳纖維增強塑料主要應用于球拍類體育器材、桿棒類體育器材和板類體育器材中。

球拍類體育活動有多種，包括羽毛球、網球等，不同的運動類型對于材料的要求也存在較大差異，一般情況下而言，對于拍面部分而言，需要具有較好的延展性、抗沖擊性和減震性能，而拍柄部分則要求具有合適程度的摩擦力，既能夠保持運動過程中的舒適度，又能夠幫助運動員更好的判斷和控制球類運動的軌跡，取得更好的運動成績[2]。在相關學者的研究資料中顯示，炭纖維增強塑料在網球拍生產中的應用已經有數十年的歷史，由于其自身所具有的特性，已經逐步替代木質材料和鋁制金屬材料，在網球拍材料中占據了主導地位，并且隨著相關研究技術的發展，關于炭纖維材料的研究和革新還在持續進行之中。

塑料復合材料在桿棒類體育設施中的應用，主要集中在撐桿、魚竿和高爾夫球棒等體育活動中，這些體育活動對器材性能的要求主要是集中在彈性和韌性等方面。足夠的彈性能夠使體育設施在發生應力作用后迅速恢復到原來的狀態，具有較好韌性的塑料復合材料能夠在體育設施發生變形和斷裂過程中吸收掉更多的能量。基于塑料復合材料應用生產的桿棒類體育設施，不僅能夠幫助運動員取得更好的競技成績，還能夠延長體育設施的使用壽命，提升運動過程中的安全度。

板類體育設施包括乒乓球拍、滑雪板、帆船板等，將塑料復合材料應用于這些體育設施時，能夠更好的發揮其強度、韌性和抗沖擊性等方面的特征。由于是對于一些水上運動設施而言，盡量減少水流的阻礙作用，提高體育設施的使用壽命，是進行材料研究過程中需要注意的重要問題，不同特性的塑料復合材料在不同位置和零件的應用，能夠改進傳統材料應用中的不足，更好的滿足相關體育設施的使用需求。

4 生物質塑料復合材料在體育設施中的應用

生物質塑料復合材料的研究也已經有了多年的歷史，并且在包括保溫材料、包裝材料、汽車、電器、日用品和建筑材料等多個行業得到了廣泛的應用。生物質塑料復合材料在社會生產生活中得以廣泛應用的主要原因是其來源更加廣泛，具有良好的生物降解特性，對于制備途徑要求較低，能夠極大的減少化學材料生產過程中產生的污染現象，具有良好的環保性能。例如國際乒聯在2014年對生產乒乓球的材料進行嚴格改進之后，雖然在生產成本上有所提高，但是改變了傳統塑料生產出來的乒乓球具有易燃性的缺陷，將其從易燃易爆物品名單中剔除，從而取消了大型比賽用球無法通過航空運輸的限制，在整體上降低了乒乓球賽事的運營成本[3]。生物質塑料復合材料不僅來源廣泛，而且類型眾多，具有良好的應用特性和廣泛的應用范圍。

生物質塑料復合材料相對于傳統塑料和金屬材料具有寫對材質輕的特性，不僅能夠運用于皮劃艇、運動型自行車等對力量持久性要求比較高的體育設施中，還能夠應用于運動鞋和運動服裝等運動設備中。在這些設施的幫助作用下，能夠減少運動員在比賽過程中不必要的體力消耗，改變體力的整體分配，提升整體運動成績。

生物質塑料復合材料在工藝加工過程中，通過添加相應的輔助材料來提高其使用壽命。在現代體育發展過程中，全民健身活動的開展逐漸貫穿于社會各個階層中，大量的室外公共健身器材被投放到所需求的地區。這些室外公共器材在使用過程中不僅要受到紫外線、風沙、氧化、雨水等自然環境的影響，還會遭受到不同的人為破壞作用。尤其是對于體育設施的表面材料而言，在重點使用部位經常會出現老化褪色甚至脫落的現象。通過纖維增強聚合物基的復合作用，能夠改善生物質塑料復合材料的抗老化性能，提升體育設施對鹽霧、氧化和濕熱等環境的抗侵蝕能力，從而提升體育設施的使用壽命。

以硅橡膠和塑料基復合而成的材料，由于硅橡膠原子結構分布特性帶來的耐高溫性特征不僅能夠得以保留，還能夠得到極大的提升。這種塑料復合材料大多是應用于跑道和訓練場地的鋪墊層中，其能夠在超出180℃的情形下保持原有彈性超過數周或者更長時間[4]。同時，某些材料還能夠保持較高的氧氣透過率，從而提升訓練場地內的整體空氣環境。

木塑復合材料是將塑料和植物纖維進行處理之后，經過擠出加工或其他工藝處理而制成的復合材料，工藝處理的方式包括物理技術、化學處理以及新型材料加工工藝，不僅在加工過程中不添加工業膠等有害物質，而且工藝加工過程中具有操作流程簡單、能耗低等特征，因而在大型體育場館的基礎建設和運動場座椅等設施中具有廣泛的應用范圍。隨著木塑產品生產工藝的進一步成熟，其在體育設施中的應用范圍必將更加廣泛。

5 塑料復合材料在體育設施應用中存在的問題及解決措施

5.1整體發展水平較低

塑料復合材料在體育設施在發達國家具有較為悠久的歷史，經過數十年的發展，已經形成了規模化的產能，并且在多種產品的生產工藝上達到了更高的水平。就世界范圍而言，塑料復合材料的產能主要集中在日本、美國和荷蘭三個國家，據有關數據資料顯示，這三個國家相關企業的產能占到世界總產量的80%以上，而我國只有在部分種類產品的生產上占到了一定的優勢[5]。就我國目前在塑料復合材料生產上而言，多數產能主要集中在珠三角及東南沿海地帶，內陸部分城市中有零星企業分布，這些企業一起構成了我國塑料復合材料為原材料的體育設施產業，為推動我國相關產業的發展做出了巨大的貢獻。但是就整體上而言，我國在塑料復合材料的生產上水平還處于比較低的水平，一方面是由于在技術更新和生產工藝研究上，較之國外同一行業還有比較大的差距，另一方面是由于我國經濟發展水平還比較低，在精神文明建設和體育事業發展上與國外發達國家之間還存在較大的差距。想要促進塑料復合產業的整體發展水平，不僅要強化這方面的技術要求，更要能夠通過工藝更新來降低塑料復合材料的整體生產成本，使其在替代傳統材料的應用過程中能夠具有性能上的優勢和經濟性上的優勢，真正達到物美價廉的效果，而不是將以塑料復合材料生產出的體育設施簡單的成為高端體育器械，限制了其在大眾體育活動開展過程中應當發揮的作用。提升塑料復合材料在體育設施中的應用水平，需要充分發揮市場競爭機制，在相關政策的引導下，積極引導社會資本進入研發生產領域，在競爭中促進整體發展水平的提高，盡快縮短與發達國家之間的差距。

5.2應用范圍較為狹窄

目前我國在體育設施生產過程中，對于研發工作的重視程度不夠，將復合材料應用于實際生產時，更多的是從國外引進成熟的生產工藝。在相關的研發平臺上搜尋相關材料，大多只是在整體上對塑料復合材料的應用程度予以簡單說明，而整體應用范圍也只限制在較為成熟的產品中。無論是在新型塑料復合材料的研發上，還是在替代傳統的金屬材料等實際應用上，不僅缺乏相關的研究深度，更缺乏研究的寬度，有些研究內容甚至還停留在20世紀70年代的水平，與社會發展和人們精神文化豐富的需求之間存在較大的距離。就塑料復合材料自身的特性而言，其應用范圍幾乎可以涵蓋現有體育設施生產的各個環節中，尤其是在國家“以塑代鋼”政策的推動下，在體育設施生產上具有更加廣闊的空間。要想順應時代發展的潮流，真正拓展塑料復合材料的應用范圍，不僅需要在對塑料復合塑料研究過程中盡量規避其自身現有的缺陷，更應當拓展其研究范圍，提升其研究水平，為體育設施的發展做出更大的貢獻。

5.3產學研相脫節

塑料復合材料的研究是以傳統塑料產業為基礎來開展的，在其研究過程中必須以社會生產為目標導向，但是目前我國高端塑料產業本身就與世界發達國家之間存在較大的差距，由此導致塑料復合材料的研究內容相對比較落后，在投入生產環節時在競爭力上存在較大的欠缺。對于體育設施生產企業而言，其生產的主要目的是為了在確保產品性能的基礎上取得更多的經濟效益。因此在企業對原材料的選擇過程中不僅注重材料的性能，更加重視產品的實際生產成本，企業生產的產品在市場上是否具有相當的市場競爭力[6]。產學研相脫節的現實狀況，使得大學的相關學科建設和研究機構在開展研究工作時，無法與體育設施生產的實際需求結合在一起，使得研究工作的開展無法產生應有的經濟效益和社會效益，限制了我國塑料復合材料行業研究水平的提高。而企業在生產過程中更加注重材料性能和生產成本的綜合要求，在生產過程中為了達到更高的水平，更加主動的采用進口材料來進行生產，以此更加限制了相關要求的發展。在塑料復合材料的發展和應用過程中，必須要在相關部門的引導下，建立起高效運行的塑料復合材料產學研一體化的平臺，在研究工作和產業應用之間建立起高效的溝通平臺，以此提升塑料復合材料在體育設施中的應用水平。

6 結語

塑料復合材料在體育設施生產和建設過程中具有廣闊的應用范圍，在未來體育事業發展過程中必將起到更大的推動作用。就目前我國在這方面的發展水平而言，距離世界發達國家之間還有較大的差距。正視和面對這種差距，采取更加積極的狀態來迎接行業發展中的挑戰，是相關從業者必須堅持的方向。

參考文獻

[l]張國勝.體育器材中碳纖維增強塑料的應用研究[J].塑料工業，2019，47（06）：166-169.

[2]李珈騏.體育設施和運動器械用塑料及復合材料的選材[J].粘接，2019，40（06）：68-71.

[3]任軍，張惠芳.聚氨酯在塑料跑道中的應用研究進展[J].塑料工業，2017，45（12）：6-10.

[4]李碩.新型材料對體育器材影響現狀分析[J].當代化工研究，2017（08）：15-17.

[5]體育設施和運動器械應用塑料復合材料[J].國外塑料，2009，27（10）：65.

[6]廖正品.塑料與奧運及中國塑料工業的現狀和發展[J].汽車工藝與材料，2008（05）：65-67.