體育器械設計中環保型材料的使用

姜佳君

（陜西中醫藥大學，陜西 西安 712046）

在社會經濟高速發展的今天，人們的生活水平得到了很大程度的提高，人們已經不僅僅滿足于追求高質量的物質生活，各種休閑娛樂活動也是人們日常生活中必不可少的，越來越多的人通過體育鍛煉來維持身心健康，甚至掀起了全民運動的熱潮，可想而知體育運動已經逐漸成為人們生活中不可或缺的一部分了。再則隨著社會經濟的不斷發展，自然環境不斷惡化，自然資源不斷減少，人們的綠色環保意識也在不斷增強。因此，新型綠色環保材料的應用越來越廣泛，將環保型材料應用到體育器械、體育場館等領域中，不僅滿足了人們的使用需求，同時也符合當今社會的綠色環保發展理念。隨著體育行業中綠色環保材料的進一步應用，將為人們提供更加健康、節能的運動生活，推動體育行業更加健康的發展。

1 綠色環保材料簡介

歐美國家是最早的對綠色環保材料進行研究和應用的地區，由于經濟和工業的大力發展，造成了大量的自然資源的浪費，以及對環境產生了極大的污染，這使得工業發達的歐美國家越來越重視對綠色環保材料的開發研究，逐漸研究開發出一些能夠取代傳統高耗能材料的新型環保材料，這也為推動綠色環保材料的發展進步創造了良好的時代背景。在綠色環保材料的研究和應用上面，歐美國家已經發展得較為成熟，與此相比我國針對綠色環保材料的研究起步較晚，還處于探索階段，尤其是在建筑行業，主動應用綠色環保材料的意識還較為薄弱。因此，我國目前對綠色環保材料的研究和應用還不夠成熟，暫時還不能滿足各行各業對綠色環保材料的應用需求。基于此我國相關部門正在不斷加大對綠色環保材料的研究和投入，對我國綠色環保材料的發展產生了很大的促進作用，綠色環保材料的應用也越來越廣泛。

在體育運動領域中，綠色環保型材料的應用主要是在體育器械制備、體育設施建設和裝飾記憶體育運服裝等方面。如今全民鍛煉的熱潮正在逐步提升，體育行業發展正處于高速階段，人們的綠色環保理念在不斷增強，綠色環保型材料在體育行業的應用也越來越多，相信隨著新的科學技術的不傳創新，環保型材料將會為體育行業的發展增添新動力。

2 體育器械設計中環保型材料的應用

隨著人們生活水平的不斷提升，為了保持身心素質的健康，體育運動也逐漸被更多的人所重視，這也極大程度的推動了體育運動行業的發展。同時在綠色環保理念的影響下，體育行業也越來越重視環保型材料的應用，從而確保體育運動領域形成綠色環保的發展趨勢，也使得人們的運動生活更加健康，更加綠色節能。

開展體育運動的基本條件就是體育器械的選擇，想要良好的進行一項體育運動，同時保證體育運動者的安全健康，選擇合適的體育器械是十分重要的。因此，為了使體育運動更加規范化、標準化，其中重要的依據之一就是體育器械的選擇。基于此，科研人員開發了許多具有優異舒適性和高穩定性的綠色環保型材料，并且將其廣泛地應用到了體育器械的設計制作中，其中應用頻率較高的主要有碳纖維復合材料、石墨烯復合材料、不飽和聚酯復合材料以及環氧樹脂復合材料等。

2.1 碳纖維復合材料。

碳纖維是一種主要有碳元素組成的特殊纖維，由于碳含量的不同，碳纖維也分為多種不同的類型，總體而言碳纖維的含碳量會保持在90%以上。碳纖維具有很多優良特性，例如：耐高溫、耐腐蝕、良好的導熱性和導電性，耐疲勞等等，此外，碳纖維較為柔軟，易于加工成不同的形態，同時沿著纖維軸向表現出很高的強度。除此之外，與其他材料相比，碳纖維的比重相對較小，強度相對較高。碳纖維可以制備成高阻尼的特殊復合材料，其在高爾夫球桿的制作中得到了廣泛應用，隨著這種碳纖維復合材料的記入，球桿的自重能夠大約減少10%~40%，同時使擊球的時間延長，能夠使球飛得更遠。在網球拍的設計制作中，要求其重量要輕，這就使得質量輕。比模量和強度相對較高的碳纖維復合材料得到廣泛應用，采用該材料制作的球拍使球拍的初始速度明顯加快。另外，在自行車比賽中，為了提升車體的減震性能和剛性，諸如座位支架、車身構架等等都用了碳纖維復合材料。

圖1 碳纖維網球拍Fig.1 Carbon fiber tennis racket

2.2 石墨烯復合材料。

從石墨中剝離的具有一層原子厚度的二維晶體即為石墨烯，其結構的表層張力比較大，是一種理論模型，是無法獨立存在的。研究人員采用機械剝離法，也就是利用膠帶在石墨表層提取出單層碳材料，成功地提取出石墨烯，這也證實了石墨烯是可以獨立存在的。目前的研究發現，石墨烯是最強、最薄、導電性、導熱性最好，同時具有優良柔韌性的納米材料，其輕薄程度甚至可以達到一個原子厚度。利用石墨烯為原料制成的復合材料具有優良的耐熱性和尺寸穩定性。利用石墨烯復合酶基材料處于20℃的情況下，其磨損體積大概能夠減少90%，在其中加入適量的石墨烯后，通過測試發現材料的熱疲勞壽命顯著增加，大概增加210%。此外還有許多研究人員展開了一系列理論性試驗，證明在體育器械領域中，石墨烯高分子納米復合材料將會發揮巨大的作用。

圖2 石墨烯材料Fig.2 Graphene material

2.3 不飽和聚酯復合材料。

二元醇和二元羧酸經過縮聚反應生成的聚合物即為不飽和聚酯樹脂。其具有優異的力學性能，且價格低廉，同時具有良好的韌性和耐腐蝕性能，因此被廣泛地制備和生產。憑借其優異的韌性和耐腐蝕性，不飽和聚酯樹脂被廣泛用于防腐、結構、絕緣體等復合材料中，以不飽和聚酯樹脂為原料制成的不飽和聚酯復合材料在體育器械領域的應用主要有單雙杠、球拍、賽艇、跳板、撐桿、魚竿等等。

2.4 環氧樹脂復合材料。

環氧樹脂是一種熱固性樹脂，其分子結構中有多個環氧基團，加入恰當的試劑，其可以發生交聯反應形成具有三維網狀的固化物結構。環氧樹脂的主要類型是雙酚型環氧樹脂，也就是環氧氯丙烷與雙酚A的融合產物。環氧樹脂分子中有環氧基、醚鍵及脂肪族烴基等，它的這些極性基團可以和硅酸鹽、金屬等材料的表面形成很強的分子間作用力，另外環氧基還可以和具有活性氫的材料表面形成化學鍵。環氧樹脂中醚鍵的存在保證了其分子鏈的料號的柔順性，進而實現了材料表層的順利擴散。所以，環氧樹脂具有很強的粘著性，常常被稱為萬能膠，利用環氧樹脂復合材料鋪設的跑道能夠使運動員的蹬地力量顯著提高，使步頻、步速大大加快，進而提高了遠動員的比賽成績。此外室內場地鋪設中使用環氧樹脂涂料，由于其良好的彈性、柔韌性記憶緩沖性，能夠顯著緩解運動員身體關節和地面之間的沖擊力度，從而使運動員身體不受傷害，另外環氧樹脂復合材料還具有良好的消音性能，對減少比賽時的噪音起到良好效果。

2.5 三維紡織復合材料。

三維紡織復合材料具有優良的力學性能，其質量輕、抗沖擊性能良好。在運動護具的制作中，傳統的制作方式就是將紡織材料和橡膠進行復合，采用該方法制作的護具具有一定的保護作用，但是其透氣性不太好，而且使用壽命不長，易于老化，同時大多數不能進行回收再利用。隨著紡織材料加工技術的日趨優化，在制作運動護具時采用高性能紡織材料，可以有效解決傳統護具中存在的這些弊端。熱熔性粘合纖維經過加熱會熔融，同時具有一定的粘合性能，在這種熔融狀態下它能夠和三維卷曲中空滌綸纖維進行粘合，從而制備運動護具。由于三維卷曲中空滌綸的纖維存在一種中空卷曲狀態，使得其制成的運動護具具有良好的透氣和蓬松效果，其強力也較大。該材料制成的運動護具具有優良的透氣性好和緩沖性能，并且能夠回收再利用。此外，三維紡織復合材料能夠整體制造，能夠滿足各種運動護具的不同需求，在不久的將來這種環保型復合材料在運動護具的應用范圍也會不斷增大。

3 環保型材料在體育領域的其他應用

在體育領域中，環保型材料不僅僅用于體育運動器械的設計和生產，還被廣泛地應用于體育場館的建設和裝飾，隨著人們對體育場館的各種需求不斷增加，體育場館的設計和選材上面都有了一些新的要求，此外體育服裝領域也使用到了新型的綠色環保材料，各種環保纖維被應用的體育運動服裝的設計和生產當中，滿足和不同運動員的個性化需求，下面簡要介紹了環保型材料在體育場館和體育運動服裝領域的應用。

3.1 體育運動服裝中環保型材料的應用。

在對體育運動服裝進行選擇時，首要考慮的就是服裝的舒適度和穩定性，因而促使了各類具有優良性能的材料的開發和利用，目前應用最為廣泛的有負離子功能性纖維、Outlast纖維和Coolplus纖維等。

負離子功能性纖維。負離子功能性纖維可以通過成纖高分子和具有負離子功能的無機添加劑共混紡絲而成，當運動員穿上采用負離子功能性纖維制成的運動服裝時，在春雨水汽、摩擦、有氧等狀態下會產生大量的負離子，這些負離子會在衣服和身體之間構成負離子空氣層，能夠使人體內部的氧自由基無毒化，最終避免氧自由基對運動員身體的各種傷害。另外負離子功能纖維還能夠使人體體液的pH值達到pH值≈7.4的弱堿性狀態，該狀態下能夠活化細胞，加快身體新陳代謝，使人體血液凈化，能夠及時的清除人體內的廢棄物。另外運動員穿上負離子功能纖維制成的運動服裝后，還能夠有效減少運動員運動之后體內產生的乳酸，能夠使運動員的機體恢復加快。負離子功能性纖維還有一定的抑菌和抗菌效果。登山、賽車比賽或者徒步旅行的時候都可以選擇這種有負離子功能纖維制成的鞋襪或者貼身衣褲以及毛巾等，能夠有效地防止各種外界因素威脅人體健康，也確保在整個運動過程中人體皮膚的外環境保持干凈。

Outlast纖維。Outlast纖維是一種新型的腈綸，被業界稱為“智能空調腈綸”，有5 dtex,3.3 dtex，2.2 dtex等不同規格，長度在51~110 mm之間，紡織原料主要是毛條或者三纖，這種纖維材料主要應用于戶外服裝面料制作中，如運動服、滑雪衫、滑雪褲等。其制備技術主要有共混紡絲和面料涂層，其中共混紡絲是將含有Outlast技術的微膠囊直接植入到腈綸之中，制成的纖維能夠進行紡紗，而面料涂層則是將含有Outlast技術的微膠囊涂抹在紡織面料的表面。采用Outlast纖維材料制成的運動服裝，由于包含有成千上萬個具有能量轉換功能的微膠囊，可以做到持續的釋放能量和吸收能量，通過這種能量的釋放和吸收能夠調節溫度，所以穿上這種運動服裝能夠使人體保持在較為舒適的溫度范圍中，由此可見Outlast纖維可以用來制成冬暖夏涼的運動服裝。Outlast纖維也可以直接純紡，同時也能和棉、毛、麻、絲等天然纖維進行混紡，針織和梭織皆可，應用簡單，可以大量地應用到戶外運動服、鞋類、運動胸衣、內衣等方面。穿上采用Outlast纖維材料制成的服裝，能夠顯著減少過熱或流汗的情況，還能夠避免濕冷、抵御寒冷，滿足運動員的熱量需求，這也使得該種面料的運動服裝廣受消費者的青睞。

圖3 納米微膠囊技術Fig.3 Nano microcapsule technology

Coolplus纖維是一種可降解、可再生的綠色環保纖維材料。Coolplus纖維的截面呈現“+”型，其表層有大量細微的溝槽存在，因此采用這種纖維材料制成的服裝具有優良的速干功能和吸濕透氣性能，同時還能夠抵御寒冷，將Coolplus纖維制成面料可以單獨使用，進行純紡，也可以和其他的諸如棉、毛、麻等纖維混紡，面料簡單易得，能夠大量的應用于各種運動服裝。目前在許多不同的運動品牌中都可以看到Coolplus纖維面料的廣泛應用，并且廣受各大消費者的歡迎。

3.2 體育設施中環保型材料的應用。

我國在體育場館建筑方面還存在著一些經驗不足的地方，在建設過程中也還存在一些問題，例如材料的選擇不夠科學，沒有采用更加綠色環保的材料等。也就是說目前我國體育場館建設中綠色環保材料的應用還沒有普及，需要進一步地加深。現階段國內體育設施建設中使用到的環保型材料主要是環保玻璃、UPVC管材以及環保墻體等。

環保玻璃。傳統的建設過程中，硅酸鹽玻璃被大量的使用，其價格昂貴且玻璃易碎，并其硅酸鹽玻璃的制作過程中要消耗大量的熱能，給環境造成污染，同時造成資源浪費。隨著科學技術的不斷進步，近年來建設用玻璃的用量越來越大，研究人員也漸漸開發出各種新型的環保玻璃，如夾層玻璃、真空玻璃、泡沫玻璃和化學親和玻璃等等。夾層玻璃一般和混凝土搭配使用，其具有隔音和隔離紫外線的功能。泡沫玻璃主要是將廢舊的玻璃收集起來加入特定的添加劑，經過發熔化工藝制成的，其密度較小，同時耐腐蝕性能優異，所以被廣泛地應用與建筑建設中。化學親和玻璃和夾層玻璃具有一定的相似性，同時還能夠根據室內的溫度對透光度進行調節。所以在建筑設施建造過程中使用綠色環保玻璃，不僅能夠發揮其自身的優勢，還能夠體現現代建筑的美學魅力。

圖4 節能環保玻璃Fig.4 Energy saving and environmental protection glass

UPVC管材。排水管材在建筑設施中是必不可少的，在體育設施建設中，UPVC管材是一種使用較多的環保型材料。該材料的原料是聚氯乙烯，制備成的管材質量輕、無毒、不含塑化劑，同時耐腐蝕性和柔軟性優良，十分適用于供水管網。另外，UPVC管材不會導電，也不與堿或者酸性物質發生反應，在使用過程中不用另外涂抹防腐層。基于UPVC管材的各種優良性能，其在建筑設施領域的應用也越來越廣泛。

環保墻體。采用綠色環保材料制成的環保墻體能夠有效提高材料的使用壽命，同時增加墻體的穩定性，使室內環境的安全得到足夠保障。目前比較常見的環保墻體有以下幾種：模網混凝土，廣泛應用與樓梯中；加氣混凝土砌磚，具有優良的滲透性、隔熱性及抗裂性；空心墻板承重墻體，具有很強的承重力。

4 結語

由體育器械到體育運動服裝，甚至于體育設施的建設，體育領域中環保型材料的應用越來越廣泛。盡管近些年來我國的體育行業發展迅猛，但是與一些發達國家相比還存在著一定差距，尤其是環保型材料的使用還不夠深入，綠色環保材料的研究和開發需要較高的成本，這也在一定程度上限制了環保型材料的普及，但是近些年來，隨著國家的大力支持，綠色環保產業在不斷擴大，體育行業的科技水平也在不斷提升，相信在不久的將來，綠色環保材料在體育領域的應用范圍會不斷增加，體育行業也會朝著更加環保健康的方向發展。