工程復合塑料特性分析及其在現代體育設施中的應用

張含亮 李寶強

摘要：受自身特性影響，傳統的普碳鋼及鋁合金材質的體育器械或健身機械，在使用一段時間后無法避免地出現腐蝕或變形等現象，一方面降低了體育器械的使用壽命;另一方面大大增加了人們在進行健身和運動時的風險隱患。文章在對體育器械和健身器械中使用頻率較高的工程塑料及其復合材料進行簡要分析的基礎上，對各類型塑料或纖維復合材料的性能、特性進行了闡述。以水上運動設施、球類運動設施、滑板及其他運動設施為例，對塑料及復合材料在體育健身器械及設施中的應用、優勢等進行了分析，并對該類型材料未來在體育器材中的應用趨勢進行了展望。

關鍵詞：塑料;復合材料;體育器械;健身器械;應用分析

中圖分類號：TQ323 文獻標識碼：A 文章編號：1001-5922（2019）12-0128-05

隨著我國經濟的不斷發展和國家精神文明建設進程的日漸推進，社會團體及個人對健康問題的重視程度越來越高，在閑暇之余進行鍛煉和健身，成為現代人群生活中必須參與的環節[1-3]。同時，隨著我國由全民體育到競技體育的逐漸轉變，高水平的競賽越來越多，由此帶來了巨大的體育產業需求，促使各類型的體育器械、體育設施以及建設器械逐漸向綠色、環保、輕量化等方向發展，傳統的金屬、木材材料逐漸被塑料、碳纖維等復合材料取代[4-5]。

我國的塑料及復合材料體育器械加工業發展迅猛，許多廠商和品牌都逐漸研發出了具有高性能、高質量，能夠有效提升運動安全性的復合材料運動器械。但由于我國國民對新型材料認知程度較低、認可程度較差等問題，尚未在全國范圍內得到推廣[6-7]。常見的運動器械仍然以普碳鋼材料主體為主。該類型材料經過汗水、雨水等侵蝕后，非常容易出現腐蝕現象，影響器械的使用壽命的同時，非常容易給參與運動的人員造成傷害。因此，提升運動器械的產品質量和使用過程中的穩定性，對于當下我國的體育事業發展來說至關重要。

與傳統的普碳鋼材料相比，塑料及其復合材料能夠承受更高程度的疲勞磨損，擁有更長的使用壽命，同時由于其加工過程中能夠使用較多的可回收物而具備了比傳統器械更加低廉的成本[8]。盡管某些特定的部件需要一些價值較為昂貴的復合材料，但是該類型材料具備的性能往往要超出普通材料許多，如籃球鞋中底中常用的碳板便是碳纖維材料加工而成，相比于普通材料具有高出許多的抗扭轉性能和穩定性，因而受到眾多高端鞋類產品的青睞，從長遠角度看，經濟效益更為可觀[9]。

1 工程塑料

1.1工程塑料性能簡介

與普通的日用塑料不同，任一種工程塑料的發明目的都是要取代某些可替代金屬零部件，而不完全是為了人們的日常使用[10]。工程塑料在體育器材中的使用優勢及相應的主要性能有以下3點。

1.1.1具有更加優良的綜合性能

與普通的體育用品塑料材料如聚丙烯、聚氯乙烯等相比，工程塑料如聚酰胺、聚甲醛、等的優勢主要體現在：①工程塑料的溫度適應性能更好，在某些冰雪運動項目如滑雪等運動中，工程塑料變現出了更加優異的耐低溫性，不易因溫度而出現形變或開裂;②具有更強的抗變形能力，比如某些由工程塑料加工而成的自行車頭盔等，能夠具備比普通材料明顯更加優異的保護性能;③耐酸性、耐腐蝕性更強，某些與人體長期接觸的運動器械，如護膝、各類型器材持握部位等會因為人體汗液等的影響出現腐蝕、形變，影響運動的安全性，而使用工程塑料加工而成的器械能夠提升運動的安全性及該器械的使用壽命。因此，工程塑料比普通塑料、金屬等材料具有更加優異的綜合性能[11]。

1.1.2保證強度的同時獲得更加輕量化的設計

出去某些以重量衡量成績的體育運動如舉重、投擲、力量器材等之外，通常的運動器械如滑雪板、各類型的運動鞋、護具等均要求質量越輕越好。工程塑料如聚酰胺樹脂（即尼龍）、聚砜樹脂（常用于生產無紡布）等能夠在保證運動器械強度的同時大大降低運動器械的重量，在比如游泳等比賽中大大提升運動員的競賽成績。此外，自行車運動中車架、服飾、安全頭盔及各類型護具中使用的工程塑料在保障運動員安全的同時，大大降低了車身重量以及進行自行車運動過程中產生的消耗，提升了便攜性[12]。

1.1.3成本低、易加工

相比于傳統的金屬器材或木質器材，工程塑料的加工工藝要求相對較低，某些器材使用注塑工藝可直接一次成型，如網球拍、羽毛球拍等[13]。一方面易加工的特性大大降低了加工成本，另一方面也為大批量、低成本加工奠定了基礎。因此某些金屬制品運動器材已經逐漸被工程塑料器材所取代。

1.2幾種塑料的力學性能研究

工程塑料的種類繁雜，以ABS （Acrylonitrile Bu-tadiene Styrene，丙烯腈一丁二烯一苯乙烯）、FRP （Fi-breglass Reinforced Plastics，玻璃纖維增強塑料）、PU（Polyurethane，聚氨酯）三者為例進行工程塑料力學性能研究對比[14-15]。相同實驗條件下3種工程塑料性能詳情如表1所示。

通過實驗對比可知，3種材料性能各有優劣，其中，ABS材料的彎曲率僅13%，形變量明顯小于另外兩種材料，多用于加工需長期或大力量使用不變型的器材，如單杠、雙桿等;FRP材料的拉伸強度450kgf/cm2，顯著優于另外2種材料，多用于加工某些拉伸器材的握柄等;PU材料的沖擊強度28kgf/cm2，比另外兩種材料性能優異，因此多用于制作各種球類器材，如足球、籃球等的外皮等。此外，通過一定比例加工而成的復合材料能夠同時擁有多種材料的優點，因而可提供更加豐富的加工工藝。

2 工程復合塑料

2.1性能簡介

材料領域對復合材料的定義是，利用某種物力或化學方法，將兩種或以上不同成分及性能的材料進行加工而產生的性能優異、缺陷較少的高性能組合材料。復合材料的特性主要有2點：①符合材料的綜合性能由于組成該復合材料的單一各類型材料;②復合材料通常由機體（如金屬、非金屬）和增強材料（如碳纖維、玻璃纖維等各類型纖維）組成。復合材料的種類非常多，從家庭日用品、體育材料到航空航天器械、醫療器械等領域均被廣泛利用。工程復合塑料在體育器材中的運用特點主要有以下4點。

2.1.1擁有較高的比強度和比模量

比模量=楊氏模量/p，該值的大小代表了對應材料或零件的剛性大小。以碳纖維復合材料為例，通常碳纖維材料的比模量是對應普通碳鋼材料的5倍左右;比強度是普通碳鋼的11倍左右。由碳纖維材料加工而成的體育器材能夠擁有比普通碳鋼高出許多倍的強度和剛度。

2.1.2密度小

密度小帶來的優勢是體育器材更多的輕量化設計。在某些運動如羽毛球運動、雪上運動、自行車運動中，對球拍、滑雪板、自行車等體育器械的輕量化設計能夠較大幅度提升運動員的競技成績，同時也能夠一定程度上對運動員提供保護。由于工程復合塑料（1.3g/cm3≤p≤2.0g/cm3）通常擁有遠低于普通金屬材料的密度（p鋁=2.7g/cm3、p鈦=2.7g/Cm3），通過科學合理的輕量化設計，即便保證相同幾何尺寸的情況下，由工程復合塑料加工而成的體育器械其質量也要遠小于普通金屬材料。

2.1.3具有更加廣泛的科研前景

作為工程符合塑料加工技術中的一種，納米等級超分子成型技術利用改變纖維符合材料中的層次、組合方式及纖維方向，便能夠研發出某些具有特定性能的復合材料。體育器械制造廠家能夠更具不同的器械及應用方向定制不同的復合材料，甚至能夠更具運動員的手型、力量或者其他綜合條件量身定做適合其運動特征的運動器械。對于不同人群的體育器械適用范圍及高端定制運動器械的研發提供了廣闊的思路。

2.1.4具有更高的安全等級

使用普通的金屬材料如碳鋼等材料加工而成的器械，在經過大量人員使用以及空氣中的酸性物質腐蝕后，通常會出現較為嚴重得耐久性下降的現象。同時，由于金屬器械的自重往往較大，極易造成運動過程中的危險事故，威脅使用者的生命安全。復合材料由于具有極高的耐腐蝕性和剛性，在經過長時間使用后不易腐蝕、不易變形;由于自重較輕，即便在某些極限運動中發生疲勞性損壞也不會因為器械自重砸傷使用人員。同時，從微觀角度分析纖維符合塑料的各個纖維方向上的受力差異不大，即便發生損壞也會使受力均攤到各個纖維，往往不會出現影響整體使用的大面積破壞。工程復合塑料的這些優點均能夠保證為運動器械使用人員提供普通金屬材料無法提供的安全保護。

2.2常見增強型塑料

增強型塑料是工程符合塑料中的重要組成部分，主要包含以玻璃纖維、碳纖維為基體的增強型工程材料。材料中各類型纖維的布局和性能對于復合材料最終的綜合性能好壞有著決定性影響。體育器械中常用的增強型塑料主要有以下3種。

2.2.1織物類

植物類增強型塑料，即以預成型體結構的形式進行各類型纖維基體與增強材料的加工復合。采用該加工工藝加工而成的植物類復合材料能夠有效避免出現纖維材料加工過程中的纖維纏結和剪切效應，從而保證加工而成的增強型織物結構具有明顯優異的結構整體性和一致性。織物類材料的加工形式有針織、編織、機織等形式，加工過程中不需要進行二次成型，大大縮短了加工時間。如現在某些織物面類型的籃球鞋，既能夠保證足夠的穩定性用來維護運動中的各種形變，又具有明顯優異的透氣性和輕質性。

2.2.2無機纖維類

無機纖維主要的性能優勢在于其具備較大的拉伸強度，如玻璃纖維、碳化硅纖維等材料的抗彎曲形變能力及抗沖擊載荷能力性能要明顯優于其他種類的體育器材材料。因此，無機纖維類材料被廣泛用于各類型的球桿、球拍以及滑板等需要較強的抗沖擊載荷性能的體育器材中。

2.2.3高強高模合成纖維

高強高模合成纖維主要包含芳綸、超高模量聚乙烯纖維和混雜纖維等。高強高模合成纖維的最大特點是具有高強度、低密度以及能夠與基體樹脂進行良好的加工結合性能等。尤其高強高模合成混雜纖維又同時具備了其他纖維兩種或兩種以上的不同纖維結構，能夠根據具體的用途進行定制，從而滿足不同的運動種類和運動器械需求。

3 塑料復合材料體育設施和健身器材品種

3.1水上運動設施

水上運動器械或設施中經常用到工程塑料或其復合材料的有賽艇、皮劃艇、帆船、水上摩托等。其中，芳綸材料以其密度低、耐水性強、耐腐蝕性強的特點而被廣泛應用于各類型船艇的帆布設計中;碳纖維材料及不飽和聚酯樹脂復合物、玻璃纖維等材料則多見于船艇的船身和骨架;碳纖維增強塑料、環氧樹脂復合物和泡沫加層板等材料多被用于加工各型號的槳或槳桿。此外，乙烯基酯樹脂和聚氯乙烯復合材料等則多被用于加工沖浪板、滑水板的內層;外層則多采用纖維增強塑料（玻璃鋼）和聚氨酯泡沫復合材料（RPFC）等材料加工制成。

3.2球類運動設施

球類運動設施使用工程復合塑料作為加工原料的運動種類非常多，常見的有羽毛球拍、網球拍，高爾夫球、壘球及球棒、棒球及球棒、手套等。其中，網球拍或羽毛球拍的骨架使用的材料多數為碳纖維一聚乙烯復合材料，該材料耐腐蝕性強、強度高、質輕，能夠降低運動過程中的損耗，球拍的網則多由芳綸或聚酰胺等材料加工而成，具有較強的耐久性;高爾夫球、部分硬質棒球、壘球的加工原材料主要是發泡離子樹脂;壘球或棒球棒使用的加工原材料為碳纖維一聚對苯二甲酸丁二醇酯復合材料，或者玻璃纖維一聚對苯二甲酸丁二醇酯復合材料。

3.3滑板

滑板是由沖浪運動演變而來的一種極限運動。工程復合塑料在該類型運動中使用的時間最長、成熟度最高。當前全球范圍內的滑板加工材料基本已經全部采用工程復合材料聚氨酯加工而成，用以替換木質材料。滑板的主要結構包括支架、輪子、板體、軸承、砂紙等。其中，考量滑板質量高低、性能優劣的主要標準是輪子和板體的好壞。通過控制其中聚氨酯的含量和比例，能夠幫助使用人員選擇適合不同地面類型的輪子。如硬度85A的輪子質地軟，具有良好的抓地性，因而比較適合在較為粗糙的地面進行使用;97A-103A的輪子則由于質地較硬、抓地性能相對較弱，而被廣泛應用于光滑路面。

在全面使用聚氨酯作為滑板板面的加工材料之前，高端板面多使用加拿大楓木加工而成（也有黃樺、椴木等），木質材料加工而成的板體具有較好的彈性和穩定性，通常在使用過程中不易發生形變，能夠使用較長時間。然后，木材在受潮之后的性能往往會發生很大程度的下滑，出現變形、開裂等現象，較易導致板體出現尺寸變化。同時由于楓木板價格較為昂貴且維修保養不便，近些年已經逐漸被工程復合材料等取代。

工程塑料滑板的主要成分為聚丙烯和聚碳酸酯，其材料特性為密度低、強度高、具有良好的力學性能以及較高的抗疲勞性。使用聚丙型和聚碳酸酯加工而成的板面能夠保證長時間使用不發生形變，同時能夠應對各種滑板動作的沖擊。由于采用工程復合塑料加工而成的滑板具有質量輕、易攜帶、價格低廉、使用壽命長的特點而被廣泛應用于中低端滑板的加工和設計中。

如圖1所示是某品牌滑板的板體結構剖面圖。其中1為滑板板體表面的環氧樹脂一玻璃纖維復合層，其主要特性為耐水性強、耐腐蝕性強，能夠幫助板體整體避免被水分或潮氣滲透，同時該類型材料具有優異的耐磨性，能夠增長板體的使用壽命;2為楓木半層，該品牌滑板采用了木一塑多種材料加工工藝，利用楓木良好的彈性和抗塑性形變性能來保證板體的設計尺寸及形狀，同時避免在受到劇烈沖擊時發生板體變形;3和6是滑板版面兩側互相垂直的竹木板層，利用竹木材料的剪切切力的特點提高滑板各方向上的剪切切力性能;4為碳纖維符合材料層，該層具有密度低、強度高、耐久性強和抗震性能好的優勢，是整個滑板板體的核心部位，有利于保證板體輕質的同時，增強板體的剛性，同時易于保養和維護。目前這種以多種材料復合加工而成的滑板板體已經逐漸成為高端滑板器械中的主流加工和設計方向。

3.4其他運動設施

其他使用工程復合塑料加工而成的體育設施還有自行車、游泳池、跳水板、運動衣、體育操場等。其中碳纖維自行車架、雙叉臂等新型零部件已經逐漸成為高端自行車或競賽用自行車的標配，大大降低了自行車車重的同時提升了車身剛性和耐用性，但是缺點是價格較為昂貴;游泳池多采用無捻玻璃布和不飽和聚酯樹脂復合材料以手糊和層壓的方法進行制備，能夠保證游泳池在較短的加工工期內完成建設，同時能夠保證泳池長時間使用不發生脫落或變形、開裂的現象。多層材料復合加工而成的跑道已經逐漸代替了傳統的水泥、沙土，既美觀、易于清潔，同時又能夠提供較大的摩擦力提升運動員競技水平。同時，由工程復合塑料加工而成的塑膠跑道還具有更加環保的特征。常見的塑膠跑道結構如圖2所示。

圖2中第4層是沙子與乙烯一乙酸乙烯酯共聚物組成的過渡層，第5層是橡膠顆粒與乳狀乙烯一乙酸乙烯酯組成的塑膠層，第6層的主要材料為聚丙烯酸酯。

4 結語

塑料及復合材料相比于傳統的體育用品加工材料如木材、鋼材等來說，綜合性能更為優異，更易加工成型，具備更廣泛的用途。因此，將該類型材料與各類型體育器材的結合，能夠顯著增強設備穩定性，在對設備減重的同時增加設備或器械的使用壽命。文章對塑料、復合材料的性能進行了綜合分析，在此基礎上結合實際應用案例對塑料及復合材料的應用進行了綜述和展望。目前我國體育領域應用塑料和復合材料的研究相對較少，與我國體育產業中對塑料和復合材料的大量應用的情況不相符。因此，作者認為對塑料及復合材料在體育領域中的應用進行一次分析能夠為相關各領域研究人員提供借鑒和幫助。

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