先進高分子材料體育裝備性能分析及對競技體育發展的影響研究

薄阿維

（陜西財經職業技術學院，陜西咸陽712000)

隨著現代材料技術的發展以及體育運動領域對器械、設備物化性能要求的不斷提升，利用部分具有高力學性能、耐腐蝕、耐極限條件的高分子材料進行體育器械、設備的加工制備，已經逐漸成為群眾體育以及競技體育發展的基本要求。高分子材料是一種以相對分子質量較高的高分子化合物為基礎的材料，主要包括橡膠、塑料、纖維以及高分子基復合材料等［1］。由于高分子材料具有來源廣泛、性能優異、成型工藝簡單等優勢，在體育建材、體育器械、體育服飾等領域具有極為廣泛的應用，在明顯提升運動人員使用舒適性、耐久性等的同時，顯著提升了競技體育成績。

1 高分子材料分類

與金屬、木材、陶瓷等材料類似，高分子材料在不斷發展成熟的過程中逐漸與人類社會活動產生了廣泛融合。高分子材料種類眾多，按照不同的劃分標準可以分為圖1 所示不同類型［2］。

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

天然高分子是指沒有經過人工合成的某類廣泛存在于各類型生物體內的高分子物質。由于一般情況下，天然高分子加工性能都很差，在力學性能、耐環境性能等方面存在固有缺陷，因而天然高分子的應用范圍與加工成型等均存在較大的限制。為了拓展天然高分子材料的應用范圍，提升高分子材料力學、生物學、耐環境性能等，學者們開始致力于天然高分子材料的改性、合成。

2 體育裝備應用領域高分子材料及其性 能優勢

2.1 塑料復合材料

和振東等［3］對塑料復合材料在體育裝備加工應用領域中的應用進行了分析，認為塑料復合材料具有質輕、力學性能優異、使用壽命長、成型加工性優異等優勢，可以廣泛應用于各類型體育裝備、設施的加工領域。部分學者對體育設施生產加工領域常用塑料復合材料的力學性能進行了實驗測試，得到了表1 所示的實驗數據［4］。

表1 幾種塑料復合材料力學性能對比Table 1 Comparison of mechanical properties of several plastics composites

由表1 數據可知，在體育裝備加工應用較為廣泛的三種塑料復合材料中，碳纖維增強樹脂基復合材料在拉伸強度、彈性模量、沖擊強度等方面均展現出更為優異的性能，僅在斷裂伸長率方面略低于其他兩種材料；不飽和聚酯樹脂與環氧樹脂相比各有優劣，但整體力學性能差距不大。在實際的體育裝備加工領域中，多使用不同的助劑用以改良不同塑料復合材料的屬性用于加工一些產品性能差異、適用人群需求不同的體育裝備。

2.2 橡膠

橡膠分為天然橡膠與合成橡膠兩種，體育裝備多使用具有可逆形變的高彈性聚合物材料合成橡膠制備如各類型鞋底、賽車輪胎、球拍手柄等［5］。橡膠在室溫下具有高彈性，在外界施加較小壓力的作用下可以發生較大形變，停止施加外力后可恢復原狀。體育領域常用的橡膠性質及主要應用方向見表2。

表2 體育領域常用橡膠性質及應用Table 2 Properties and applications of rubber commonly used in sports

橡膠是體育領域應用最為廣泛的高分子材料材料，足籃排球球膽、乒乓球拍海綿膠面、各類型運動鞋底等多采用橡膠及其復合材料加工而成，利用減震橡膠材料加工而成的新型羽毛球拍、網球拍手柄，能夠顯著改善球拍擊球時人體受到的震動，提升運動舒適性［6］。

2.3 纖維

纖維是高分子材料在體育領域的另外一個重要應用。常見的高分子合成纖維包括尼龍、滌綸、腈綸聚酯纖維、芳綸、丙綸纖維等均屬于有機高分子材料，其分子由許多單元結構聚合而成。體育領域應用最為廣泛的纖維材料為滌綸，其大分子中的酯基在堿性液體中會發生水解［7］。合成纖維普遍具有強度高、伸長大、彈性恢復好等優勢，尤其滌綸材料具備的高強低伸、低強高伸等性能，可以用于各種體育服飾等的加工過程中。表3 所示為幾種不同合成纖維材料的物化屬性。

表3 不同合成纖維屬性對比Table 3 Comparison of properties of different synthetic fibers

2.4 其他

體育領域其他新興高分子材料有：①克維拉高分子材料，其本質為聚芳香酰胺，宏觀上表現出良好的物理力學性質、柔軟性高、強度大，利用克維拉編織成的材料具有超強的減震效果，可以在使用某種運動器械時大幅提升器材減震性；②Sympatex，由70% 聚酯和30%聚醚復合構成，三層復合的Sympatex 材料可以廣泛應用于各類型運動服裝加工制造領域，具有優良的透氣性；③快皮，快皮的超伸展纖維表面完全仿制自沙與皮膚，利用快皮加工而成的泳衣可以在接縫處模仿人類的肌腱為運動員向后劃水時提供動力，且材料布料部分使用了聚氨酯纖維，本身具有較高的彈性，還能一定程度上增加浮力。

3 高分子材料對競技體育發展影響

3.1 運動器材領域

3.1.1 乒乓球運動

最初的乒乓球拍兩面均為木質光面，與現在的板羽球拍類似，此時由于球拍無法為運動員提供強有力的擊球力度和旋轉效果，因而各種技戰術動作較為簡單無法進行深度開發；至20 世紀50 年代，部分廠家開始嘗試在球拍表面蒙上一層膠皮，用以增強球拍擊球時球與球拍之間的接觸時間，從而大幅增加球與球拍接觸時的受力時間，擊球尤其扣殺動作可以更快、更有力；后有部分廠家將膠皮表面制成顆粒狀，進一步加強了擊球時的旋轉，此時拉球、削球等技戰術動作開始出現；至20 世紀60 年代，日本一家球拍廠研制出一種粘性很強的橡膠材料，將原有的突起部分朝里貼在海棉上，利用特種橡膠的粘性以及增加球與膠皮的接觸面積，大幅提升了球拍與球之間的摩擦力，此時兵乓球運動逐漸在推擋、抽殺、扣殺等技戰術動作基礎上大幅提升了拉攻動作占比，運動員可以依靠球的劇烈轉動造成對方接球下網或出界失誤。進入21 世紀后，國際乒聯對乒乓球拍的膠皮使用材料有了更加詳細的標準，新材料的使用受到的限制逐漸增加，廠家開始將新材料應用于球拍底板。使用碳素纖維、芳基纖維等材料加工而成的球拍底板具有較高的比強度、比模量，其尺寸穩定性及耐腐蝕性能較強，能夠為運動員提供較好的耐磨性、電絕緣性等［8］。

3.1.2 撐桿跳運動

撐桿跳運動用桿長度約4.48m～4.52m，最大重量2.25㎏，表面必須光滑，通常由運動員自行準備。最早的跳桿為木質材料，此類材料不具備彈性轉化動能的能力，因而當時的撐桿跳運動實際上是“爬桿跳高”，運動員在木桿插在地上的時間內迅速向上爬，至跳桿快要傾倒時越過橫桿，此項動作1890 年時被禁止；1905 年時歐洲由中國引入了竹桿作為撐桿跳運動的跳桿專用材料，由于竹子具有較強的彈性，1912 年美國的M· 賴特以4.02m 的競技成績首次突破撐桿跳運動4m 大關；1942撐桿跳運動逐漸衍生出了助跑動作，美國的C· 沃梅達以4.77m 的成績創造了竹竿最高記錄；然而由于竹桿在長期暴露與自然條件下時容易出現老化，使撐桿跳運動容易出現斷桿、折桿現象，為運動員帶來極大的安全隱患，1948 年后開始逐漸由有人使用玻璃纖維桿取代竹桿，1961 年美國運動員G· 戴維斯以4.83m 成績創造了玻璃纖維桿最高紀錄，至此撐桿跳運動成績不斷提高，美國運動員B·斯頓伯格和J·彭內爾先后打破了5.13m 和5.20m的世界記錄；20 世紀末，利用合成樹脂與碳纖維進行復合加工制備碳纖維跳桿逐漸成為與玻璃纖維相互配合使用的重要跳桿，由于該高分子復合材料具有遠超一般材料的韌性、比模量和彈性，能夠最大程度將運動時的彈性勢能轉化為動能，進而大幅提升競技成績，瑞典天才杜普蘭蒂斯以6.18m 的成績成功打破了自己保持的世界記錄。

3.1.3 冰雪運動

20 世紀60 年代之前，滑雪板主要由合成纖維板等制成，該類型材料具有遠超一般木質材料或金屬材料的力學性能，但滑行時振動較大，無法充分發揮運動員滑行水平；20 世紀70 年代，材料學專家研發出一種新型高分子材料- 超高分子聚乙烯，用該材料制成的滑雪板大幅提升了滑行性能；進入21 世紀后，又有專家研發出一種導電性滑雪板，有效防止滑雪過程中產生的靜電，避免了滑雪板對雪中雜質的吸附；近年來有專家成功利用聚酰胺纖維、碳纖維環氧復合物作為主要材料，利用擠拉和纖維纏繞工藝成功研發出具有高強度、抗沖擊力強度大、彎曲強度高的新型滑雪板［9］。

3.2 運動服飾領域

本文所論述的運動服飾專指用于競技體育的服飾，不包括一般體育活動服裝。唐睿［10］將競技體育服飾主要類型概括為圖2 所示的九大類。

圖2 體育競技服飾分類Fig. 2 Classification of athletic apparel

不同運動對服飾的性能需求存在較大差異，如水上服則要求服飾具有較強的防水、透氣性能，因而部分研究人員利用聚氨酯薄膜配合涂層結構，加工成的服飾面料具有防水、透氣、結實耐用等突出優勢［10］；冰上服要求服飾具有較高的形狀記憶性和較大的形變量尺寸等，部分廠家嘗試利用聚氨酯、聚降冰片烯、反式1，4- 聚異戊二烯等材料復合加工，所制備的體操服具有高度智能化熱敏形狀記憶功能，易于調節溫度、上色，具有質量輕、成本低廉等特征［10］；田徑服、球類服則通常需要服裝面料同時具有吸濕、排濕等功能，有研究人員在尼龍塔夫綢上涂覆聚胺酸系聚合物，保證服飾面料具有充分吸濕的同時增強了服飾的排濕功能，類似于賦予了服飾“皮膚呼吸”的功能［10］。

4 結語

綜上，本文以體育領域應用較為廣泛的先進高分子材料性能優勢為基礎，對高分子材料應用于體育器材、服飾等對某項體育運動發展產生的影響進行了分析。本研究認為，由于具備顯著的力學性能和其他物化學優勢，高分子材料中的塑料、橡膠、纖維等能夠被廣泛應用于各類型體育運動并對該項運動的競技水平發展起到極強的促進與推動作用。