體育防護用具領域中工程塑料的應用研究

陳 璐

（西北大學現代學院，陜西西安710130）

一個國家體育產業發展狀況，直接關系著人民生活水平高低，作為全球體育產業的重要構成部分，我國體育產業與體育設施生產行業已在不斷嘗試于體育防護用具生產加工領域引進工程塑料，這將在很大程度上推動我國體育產業的穩定發展[1]。據此本文具體闡述分析了體育防護用具領域用工程塑料。

1 工程塑料性能分析

體育防護用具的使用是為了最大程度上防止運動員在運動過程中受傷，同時還需確保不會出現有害的揮發性氣體[2]。所以，總體來講體育防護用具需具備安全性與穩定性，而工程塑料作為體育防護用具的優勢性能需進一步試驗測試驗證。

1.1 試驗對象

三種工程塑料：丙烯腈-丁二烯-苯乙烯（ABS）；玻璃纖維增強塑料（GFRP）；聚氨酯（PU）。

1.2 儀器

微機控制電子拉力試驗機；數顯落錘沖擊試驗機[3]。

1.3 方法

隨機篩選原料并切割成尺寸230×230×4(mm)試樣，然后以3m/s沖擊速度三次測試材料沖擊強度，以試驗速度5mm/min三次測試彎曲強度和拉伸強度。

1.4 性能

體育防護用具領域用三種工程塑料試樣性能試驗測試結果見表1。

表1 性能測試結果Table 1 Performance test results

由表1可知，在抗沖擊強度層面，PU明顯強于ABS與GFRP；在彎曲強度層面，ABS略微強于PU與GFRP；在拉伸強度層面，GFRP最強，ABS次之，PU最差[4]。

2 工程塑料在體育防護用具中的應用分析

2.1 工程塑料優勢特性分析

2.1.1 質輕

穿戴式防護用戶或者需運動員人力操控的體育器械在體育運動防護用具領域所占比例非常高，即運動鞋、運動服裝、護膝、撐桿、鞍馬、球拍等。人們在使用這些體育器械或者防護用具主要是為了基于其作為輔助開展運動，或者幫助自身獲取更優秀的運動競賽成績。所以運動員自身整體水平處于正常狀態的前提下，一般越是質輕的體育器械或者防護用具越是能夠為運動員獲得更優秀的成績提供幫助。因此體育器械與防護用具加工選用原材料時，應先選擇基于相同設計造型下更為質輕的材料，以防止運動員運動過程中浪費體能，身體受到損傷。而工程塑料作為高分子材料，其分子之間間距比較大，所以相較于金屬或者木材等密度更小，相同造型下由其制備而成的體育防護用具質量更輕。

2.1.2 強度高、韌性好

體育器械與防護用具使用時一般都需面臨高使用率與使用強度，如地車速降、帆船、網球等，這些體育器械與防護用具使用時需面臨高速降落所引發的巨大沖擊，以及風帆吹動時的拉伸與球的撞擊等，所以在實際設計加工時，應充分全方位考慮長時間使用狀態下器械與防護用具的整體強度。但是由于大部分運動在逐步輕量化設計體育器械與防護用具，所以會適當縮減材料用量，以實現減重效應，如此一來勢必會在一定程度上降低器械與防護用具綜合強度與柔韌性[5]。對此體育器械與防護用具所用材料須同時滿足低密度與高強度標準要求，而工程塑料則能夠最大程度上滿足此需求。就纖維增強塑料而言，此材料的纖維成分不僅強度高且柔韌性佳，在添加增強樹脂材料之后，綜合密度會顯著降低，所以纖維增強塑料已實現了在滑板、自行車、帆船、球拍等體育器械及其相關防護用具中的普遍應用，相較于金屬與木材等材料，新型纖維增強塑料的應用與發展前景更為廣闊。

2.1.3 易加工成型

就體育器械與防護用具生產商來講，工程塑料的易成型性能越好，則代表此材料在生產加工時越容易[6]。一般來講，金屬與熱塑性塑料的易成型性能、熱塑性都相對較高。然而在材料領域有關科學研究逐漸突破性前進的趨勢下，工程塑料不僅成型越來越容易，且加工難度越來越小，而且隨著加工工藝的改進與優化，使得生物工程塑料于較低成本標準下可加工為更加優質的體育器械與防護用具。

2.2 工程塑料在體育防護用具中的應用

2.2.1 運動自行車

競技或者運動型自行車車架、車把、踏板、車圈等位置都需以工程塑料直接替代金屬材料，以確保自行車具備質輕、舒適、高強等優勢特征。自行車各個部位相對使用的工程塑料具體為：坐墊使用尼龍；手柄使用玻璃纖維增強聚對苯二甲酸乙二醇酯；車輪用碳纖維增強復合材料；車架用熱塑性碳纖維復合材料。

2.2.2 穿戴式設備

穿戴式設備具體即體育運動所需防護用具，即頭盔、防護裝備等，要求高強度與韌度，而且于相同設計造型與使用狀況下質輕。所以體育防護用具領域已開始著手研發各種可以滿足穿戴式設備多元化性能要求的生物工程塑料，即基于拉擠工藝加工纖維復合材料以獲取長纖維改性復合材料，其相對于既有纖維復合材料抗變形能力更好，而且密度更低、強度更大，以長纖維改性復合材料加工制備的體育防護用具的防護強度與柔韌性更佳，且質量更輕，在很大程度上降低了體育運動員運動過程中的身體負擔，使用前景與發展前途廣闊。

2.2.3 球類

球類運動即球與擊打設備兩個部分共同構成[7]，如籃球與足球等主要采用PU、尼龍、橡膠等材料制作外殼，以碳纖維增強材料等制作中心部分；高爾夫球等主要采用聚氨酯泡沫填充加工制作而成；網球拍與羽毛球拍等主要采用碳纖維增強樹脂復合材料加工而成。當前高端運動與競技領域的球拍加工制備都已實現了以碳纖維增強樹脂復合材料為作為載體。

2.2.4 帆船

傳統金屬桅桿質量過大，且穩定性與耐水性較差，而木質桅桿強度低，且吸水之后質量上升速度比較快。所以碳纖維復合材料桅桿逐漸代替了金屬與木質桅桿。而利用碳纖維復合材料加工制成的桅桿質輕，可輔助船身整體重心得到調整，減少壓艙物，以此幫助船體實現瘦身，使得運動員可充分掌握帆船平衡。此外就應力層面來講，高強與高模的碳纖維復合材料可保障桅桿剛度，抵抗彎曲變形，同時耐腐蝕性較好，可抵擋海水與鹽霧等環境的負面影響。

3 結語

總之，體育防護用具要求強度高與韌性好，而且要求基于相同設計造型與使用條件下更為質輕。所以體育防護用具領域一直致力于研發具備多元化性能的生物工程塑料。本文通過三種工程塑料性能測試分析，整合匯總了其在體育防護用具領域應用的優勢特性，并進一步對工程塑料在體育防護用具制備中的實際應用做了詳細闡述。