基于體育器材的塑料與復合材料分析

史巖峰

(陜西工業職業技術學院， 陜西 咸陽 712000)

隨著社會經濟快速更新發展，我國人民生活水平顯著提升，物質與精神生活需求隨之越來越豐富，尤其是對于身體健康與心理健康的積極關注，迫切需要健全的體育設施與運動器材，在很大程度直接促進了體育行業的迅速發展。2008年北京奧運會直接推動全民運動走向了高潮，顯著促進了運動員與社會群眾對于體育的興趣與熱愛。而作為體育運動的重要基礎條件，體育器械的整體性能要求也不斷提高，因此學術界對于體育器材選材的研究一直在逐步深化，從木質與金屬質材料實現了向各種新型材料的轉變，即合金、塑料與復合材料等等[1]。因此，本文主要對體育器材用塑料與復合材料開展了詳細分析與探究。

1 文獻綜述

基于塑料及復合材料的體育運動設施與器材選材已構成了強大的市場機制。1990年，國外體育與器材銷售額超出了20億美元，相關制造企業達到2 500家；1994年，全球體育運動設施與器材復合材料消耗高達2.4萬t；1997年，全球體育運動設施與器材復合材料消耗高達5萬t；2000年，全球高爾夫球棒復合材料消耗高達2 000 t。而國內體育行業年均產值達3千億，占據國民生產總值大約0.6%，而國內制造體育運動設施與器材占據了全球市場份額大約65%，由此可以發現，體育行業將會不斷演變為國民生產總值關鍵行業。體育行業包含健身與器材等多領域，競賽與健身為體育行業重要組成部分，2008年北京奧運會的開展在很大程度上健全了基礎體育運動設施，激發了全民健身積極性與興趣。但是，對于專業運動員與民眾而言，運動設施與器材都必須具備良好的安全性與可靠性，以有效防止意外事故，保障體育運動順利開展。而作為新型生產制造材料，塑料具備良好的力學性能與耐腐蝕性，使得其快速占據了體育運動設施與器材選材領域[2]。

2 塑料與復合材料制品

當前市場上的體育產品各式各樣，大多數都運用了塑料及復合材料，其中樹脂基復合材料最受青睞。常見塑料與復合材料體育類制品[3]具體如表1所示。

表1 塑料與復合材料體育類制品

3 塑料及復合材料品類與特性

3.1 不飽和聚酯樹脂

經過固化之后，不飽和聚酯樹脂(UP)是固體狀態，可透明可不透明，耐光性與耐熱性較差，堅韌性良好，容易著色，面向酸與鹽溶液穩定性較高，還具備可燃性，力學性能與耐腐蝕性較好，可以和大多數增強劑融合，成本相對偏低。

3.2 環氧樹脂

在經過固化之后，環氧樹脂(EP)的力學性能、耐腐蝕性、尺寸穩定性較好，但是由于固化機制不同，所獲環氧樹脂材料性能也存在顯著性差異，所以可就各應用領域選擇相應固化機制。同時環氧樹脂還能與纖維增強劑有機復合，以此優化力學性能。

3.3 碳纖維增強復合材料

碳纖維增強復合材料(CFRP)即無機高分子纖維材料，備受體育領域青睞，且多層次替代金屬材料，其質量輕，強度高。當前體育運動設施與器材選材以復合材料為主，碳纖維增強復合材料占據比例較大[5]。

4 材料性能測試

4.1 力學性能

4.1.1 材 料

WSR型不飽和聚酯樹脂片材；Araldite XHE型環氧樹脂片材；BQ-Y-P-1.5K型碳纖維增強樹脂基復合材料片材。片材長度一致，即長250 mm；寬20 mm。

4.1.2 方 法

拉伸性能測試：利用微機控制電子萬能試驗機進行測試，拉伸速度設定為6 mm/min；微型測力傳感器測試拉伸強度；位移傳感器測試斷裂伸長率；以不同伸長率相應拉伸強度載荷值為載體，基于增量變化計算出彈性模量。所有材料都進行三次拉伸性能測試。

沖擊性能測試：利用沖擊試驗機進行測試，沖擊錘能設定為8J，所有材料都進行三次沖擊性能測試。

三種不同材料拉伸性能與沖擊性能測試，具體結果[6]如表2～表4所示。

表2 不飽和聚酯樹脂的拉伸性能與沖擊性能

表3 環氧樹脂的拉伸性能與沖擊性能

表4 碳纖維增強樹脂基復合材料的拉伸性能與沖擊性能

由表2～表4可知，碳纖維增強樹脂基復合材料的整體性能較好，尤其是拉伸強度、彈性模量、沖擊強度，明顯超出其余二者，然而斷裂伸長率卻相對偏低。而不飽和聚酯樹脂拉伸強度稍許超出環氧樹脂，而其他性能則明顯較低。此外，體育器材若對于力學性能要求高，則可根據實際情況，選擇助劑適度添加于塑料與復合材料，以滿足多元化與個性化需求。

4.2 耐腐蝕性能

4.2.1 材 料

氫氧化鈣，分析純；氫氧化鈉，分析純；氫氧化鉀，分析純；氯化鈉，分析純。

4.2.2 方 法

以120 g氫氧化鈣；1 g氫氧化鈉；4.6g氫氧化鉀；36 mL氯化鈉溶液，于1 000 mL去離子水中溶解，均分為三等份，分別把三種材料溶于其中，等待四周，每周按時觀察材料具體變化，以了解材料的耐腐蝕性。

不同材料的耐腐蝕性測試結果[7]具體如表5所示。

表5 不同材料耐腐蝕性

由表5可知，環氧樹脂的耐腐蝕性最強，碳纖維增強樹脂基復合材料最弱。通過溶于溶液四周后，三種材料都出現了一定的腐蝕，使得其表層有所變化，且局部有脫落現象。然而在實際應用中，材料并不會長時間處于高鹽堿環境下，如果有獨特要求，可在表層添加耐腐蝕鍍層。

5 塑料與復合材料在體育器材中的應用

5.1 跑道與地板

塑膠跑道與地板以其獨特優勢在逐步替代水泥，即防滑、美觀、彈性好，且利于提升運動員的運動成績。一般來說塑膠跑道與場館地板結構包含六層，即沙石墊層、防潮層、混凝土面層、塑膠沙過渡層、塑膠層、面層(塑膠彈力層)。面層材料性能具體如表6所示。面層材料大體為E/VAC乳液或者丙烯酸乳液進行固化，其中E/VAC乳液吸濕性較高，吸收過多水分會導致表層快速脫色，而且耐光性較差，極有可能會被丙烯酸乳液替代[8]。

表6 面層材料性能分析

5.2 球 類

常見球類即球拍、高爾夫球與棒球，其中高爾夫球選用發泡離子樹脂；球棒選用碳纖維增強塑料；填充物選用聚氨酯發泡。球拍選用高性能塑料復合材料，即環氧樹脂與碳纖維增強環氧樹脂復合材料，其不僅可保證球拍高強彎曲性能、強度與扭曲剛性，還可避免變形。

5.3 帆 板

沖浪板與滑水板等外層選用纖維增強塑料與聚氨酯泡沫復合材料，內層選用乙烯基樹脂與聚氯乙烯復合材料。帆船帆板選用環氧樹脂與聚氨酯等樹脂材料，增強材料選用玻璃纖維、碳纖維、石墨纖維等[9]。帆布構件用材料與成型方式具體如表7所示。

表7 帆板零部件用材料與成型方式

6 結 論

總之，不同于金屬材料，塑料與復合材料性能良好，成型工藝多元化，在體育器材領域具備長遠發展前景。而且塑料與復合材料制備體育器材具有顯著性優勢，即使用壽命長、成本較低等。據此本文對塑料與復合材料在體育器材中的應用做了深入探究，并基于三種不同塑料與復合材料進行了性能實驗測試，結果表明，碳纖維增強樹脂基復合材料的綜合力學性能良好，更加適合用于制作高強度運動器材；環氧樹脂的耐腐蝕性良好，適用于室外運動器材制作。在未來塑料與復合材料將會于樹脂基體、增強材料層面出現更多類型選擇，會為材料重新彌補各式各樣的獨特性能，進而滿足多種體育項目器材需要。