高分子復合材料在體育器械的應用與性能*

孫晉媛

（西安醫學院，陜西西安 710021）

隨著我國經濟的不斷發展，人民的物質生活得到了很好的保障，開始追求身心的釋放。于是國民開始進行各種體育活動來豐富業余生活。人們對體育器械的要求也越來越高，因此不斷開發新型材料以滿足當前需求。高分子材料也稱為聚合物材料，是通過高分子化合物為基體，再添以其他助劑構建而成的材料，一般具有平均10000以上的分子量，并且它在聚合過程后會變成不同分子量大小的許多高聚物的混合物[1]。高分子材料具有耐腐蝕、耐極限條件、設計自由度高和高力學性能，已經逐漸開發應用于群眾體育以及競技體育器材[2]。此外，由于高分子材料的來源廣泛和質量輕等優點而作為基礎材料用于提升運動員的實驗舒適度和提高成績。基于此，本文對高分子材料在體育器械的應用及其性能進行大致的表述與分析。

1 高分子材料分類

任何事物的發展變化和人類社會活動有著之間或者間接的關系，與陶瓷和金屬等材料類似，高分子材料的不斷發展成熟與我們的生活息息相關[3]。

當前，對高分子材料的分類主要如圖1所示。天然高分子材料是從自然生物體獲得未經過人工合成的一類產品。但是，天然高分子材料的可加工性能、力學性能、耐環境性能等往往不能滿足實際需求。對于現代體育競技而言，高新材料的發展在體育科技水平的提高方面發揮著積極作用，因此提高高分子材料力學、生物學、耐環境性能等獲得高性能改性高分子材料很有必要[4]。

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

2 高性能高分子材料對競技體育的影響

2.1 高分子材料在體育器械中的發展

隨著體育運動的逐漸發展，體育材料開始日新月異。現代競技體育促進了高性能高分子材料的產生及應用。特殊性能高分子材料與競技體育的關系還表現為，競技體育為高性能高分子材料提供了一個應用領域和展現的平臺,成為促進材料發展的主要驅動力。此外，需求也是促進研究發展的動力，通過研究高性能競技材料有利于高分子技術的進一步發展[5]。上世紀五十年代左右，隨著材料科學的迅猛發展，撐桿跳迎來了它的春天，最開始的撐桿跳中的跳桿為木制材料，由于此類材料不具備彈性轉化動能的能力，所以最終被淘汰。慢慢的復合材料開始被應用到體育項目中，由玻璃纖維與有機樹脂粘合制造成玻璃纖維復合桿，重量輕且經久耐用和彈性好，而成為運動員得心應手的武器。利用這一武器，美國運動員首次打破了 “人的體力不能超過4.87m的極限”的神話。20世紀末，利用合成樹脂與碳纖維進行復合加工的高分子復合材料有著遠超一般材料的彈性和韌性，能夠最大程度地將勢能轉化為動能，進而大大提升競技成績，瑞典運動員以6.18m的高度再次打破世界記錄[6]。

在冰雪運動中，滑雪板的材料從20世紀60年代之前的纖維板等制成，20世紀70年代的高分子材料-超高分子聚乙烯，到21世紀后的導電性滑雪板，有效地降低了滑雪過程中產生的靜電影響，近年來研究員中試圖從聚酰胺纖維、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開發高強度、抗沖擊力強度大、彎曲強度高的新型滑雪板，并已經取得了一定的成果[7]。

競技體育運動服飾種類眾多，可分為水上服、冰上服、田徑服、體操服、登山服、球類服、舉重服、摔跤服、擊劍服等，因此在運動服設計中，不同運動對服飾的性能需求也就存在較大差異，也就使得材料選擇和設計上需要有針對性，如利用聚氨酯薄膜配合涂層結構設計的防水透氣性強和高機械性能的水上服，聚氨酯和聚降冰片烯等材料設計的高度智能化熱敏形狀記憶功能體操服,尼龍塔夫綢上涂覆聚胺酸系聚合物設計的吸汗和排汗田徑服等[8]。

2.2 高性能高分子材料的發展及意義

當今社會科技飛速發展，在征服自然與改造自然物質的同時將材料學科的運用與人類社會結合發展到一個新的水平[9]。現在體育競技的背后除了存在科學的運動員素質訓練以外，先進科學技術所產生的先進材料運用于現代體育經濟也是一個國家體育實力的隱性重要因素之一。

材料科學為滿足人類需求迅速發展，單是傳統材料的種類已達至幾十萬種，而新材料的推陳出新更是速度驚人，其中高分子材料由于其具有強度高、韌性好、耐疲勞性強、大多數是惰性、耐腐蝕等優點逐漸成為競技體育器械制作的新寵[10]。

3 高分子材料在體育器械的應用

3.1 高分子材料制作與改性

高分子材料的力學性能是其在體育器械應用時的重要依據。因其剛性、韌性、潤滑性等方面的優點，使其在制作或者提高體育器械質量上顯得尤其重要。所以為了提高高分子材料的力學性能，相關工作者利用交聯、共聚、共混、改性等方法制備相關的高分子復合材料，將高性能改性高分子與體育器械相結合應用[11]。

對于高分子的改性，可以直接將功能納米材料與高分子材料進行共混，從而達到改性目的，如LEITE等的相關研究用三種不同的季銨鹽對粘土進行化學改性，在聚酰胺6中加入蒙脫石粘土，最終提高了聚酰胺6的彈性模量，并且提高了強度[12]。如張芳芳等人通過乳液聚合技術合成了以聚丁二烯(PB)為核，以聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)為殼的核殼結構改性劑，分別用于聚對苯二甲酸丁二醇酯(PBT)／聚碳酸酯(PC)共混物的改性，最終達到增韌的效果[13]。

3.2 高分子材料在器械上的應用及性能

高分子材料與競技體育相輔相成，現代體育的發展呼吁且要求高分子材料的產生與進化。盡管先進材料并不是競技體育取得優秀成績的唯一原因，還與運動員的先天素質，是否接受過系統訓練，心理素質保持與提高，天氣等原因息息相關。但是科學技術的發展使得先進材料滲透在運動員運動生涯的日常中，為了提高體育成績，仿生技術、電子通訊技術、醫藥學技術等都在體育競技中占有重要地位，從而要求相關高分子性能的精益求精。盡管只是材料的一小點進步，但也可能會帶來競技體育的巨大優勢，使得名次與成績有著明顯變化。

3.2.1 通用樹脂與纖維材料

尼龍、滌綸、腈綸、棉等材料有著較好的強度，且具有耐熱性好，耐磨性強，吸水性佳且保暖的優點，故而通常被用于運動服的制作，又比如氨綸纖維由于其彈性好，常用來制作泳衣、秋衣、護腕和護膝，而高酯纖維由于其強度大，易分散等特點常用于制作運動襪[14]。

3.2.2 環氧樹脂復合材料

環氧樹脂是分子中含有兩個以上環氧基團的一類聚合物的總稱，其中含有-OH（羥基）、-COOH（羧基），可以在分子間與金屬發生配位，由于其優越的性能，賦予了環氧樹脂另一個萬能膠的稱號，也常常用其作為跑道和室內運動場，從而可以減少沖擊以保護運動參賽人員的腳踝膝蓋，增加運動員的職業生涯壽命[15]。

3.3.3 工程聚合材料

在運動器材上，工程聚合材料得到了廣泛的應用。比如聚酯因其韌性、耐磨性用于制造乒乓球；聚氨酯、聚氯乙烯因其耐腐蝕性、抗老化性用來制作籃球；PC因其牢固、耐熱、耐老化等特性用來鋪塑膠跑道[16]。

3.3.4 高分子復合材料性能

高分子復合材料具有獨特的性能，比如JZZ-1型液體裝甲，在不受力的情況下材料柔軟，但在瞬間作用力的襲擊下可以分散沖擊能量，而在沖擊過后繼續保持其柔軟狀態。常見的高分子復合材料的常規力學性能見表1[17]。

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

4 結語

大力發展國民體育素質是提高一個國家綜合素質必不可少的重要因素，也是一個國家隱性國力的體現。而在發展的過程中體育護具、器械等發揮著作用。將復合高分子材料與器械相結合，將促進國民體育不斷發展。本文對高分子復合材料進行簡要剖析，旨在為我國高分子復合材料得體育應用提供參考。