基于体育器材的塑料与复合材料分析

史岩峰

(陕西工业职业技术学院， 陕西 咸阳 712000)

随着社会经济快速更新发展，我国人民生活水平显著提升，物质与精神生活需求随之越来越丰富，尤其是对于身体健康与心理健康的积极关注，迫切需要健全的体育设施与运动器材，在很大程度直接促进了体育行业的迅速发展。2008年北京奥运会直接推动全民运动走向了高潮，显著促进了运动员与社会群众对于体育的兴趣与热爱。而作为体育运动的重要基础条件，体育器械的整体性能要求也不断提高，因此学术界对于体育器材选材的研究一直在逐步深化，从木质与金属质材料实现了向各种新型材料的转变，即合金、塑料与复合材料等等[1]。因此，本文主要对体育器材用塑料与复合材料开展了详细分析与探究。

1 文献综述

基于塑料及复合材料的体育运动设施与器材选材已构成了强大的市场机制。1990年，国外体育与器材销售额超出了20亿美元，相关制造企业达到2 500家；1994年，全球体育运动设施与器材复合材料消耗高达2.4万t；1997年，全球体育运动设施与器材复合材料消耗高达5万t；2000年，全球高尔夫球棒复合材料消耗高达2 000 t。而国内体育行业年均产值达3千亿，占据国民生产总值大约0.6%，而国内制造体育运动设施与器材占据了全球市场份额大约65%，由此可以发现，体育行业将会不断演变为国民生产总值关键行业。体育行业包含健身与器材等多领域，竞赛与健身为体育行业重要组成部分，2008年北京奥运会的开展在很大程度上健全了基础体育运动设施，激发了全民健身积极性与兴趣。但是，对于专业运动员与民众而言，运动设施与器材都必须具备良好的安全性与可靠性，以有效防止意外事故，保障体育运动顺利开展。而作为新型生产制造材料，塑料具备良好的力学性能与耐腐蚀性，使得其快速占据了体育运动设施与器材选材领域[2]。

2 塑料与复合材料制品

当前市场上的体育产品各式各样，大多数都运用了塑料及复合材料，其中树脂基复合材料最受青睐。常见塑料与复合材料体育类制品[3]具体如表1所示。

表1 塑料与复合材料体育类制品

3 塑料及复合材料品类与特性

3.1 不饱和聚酯树脂

经过固化之后，不饱和聚酯树脂(UP)是固体状态，可透明可不透明，耐光性与耐热性较差，坚韧性良好，容易着色，面向酸与盐溶液稳定性较高，还具备可燃性，力学性能与耐腐蚀性较好，可以和大多数增强剂融合，成本相对偏低。

3.2 环氧树脂

在经过固化之后，环氧树脂(EP)的力学性能、耐腐蚀性、尺寸稳定性较好，但是由于固化机制不同，所获环氧树脂材料性能也存在显著性差异，所以可就各应用领域选择相应固化机制。同时环氧树脂还能与纤维增强剂有机复合，以此优化力学性能。

3.3 碳纤维增强复合材料

碳纤维增强复合材料(CFRP)即无机高分子纤维材料，备受体育领域青睐，且多层次替代金属材料，其质量轻，强度高。当前体育运动设施与器材选材以复合材料为主，碳纤维增强复合材料占据比例较大[5]。

4 材料性能测试

4.1 力学性能

4.1.1 材 料

WSR型不饱和聚酯树脂片材；Araldite XHE型环氧树脂片材；BQ-Y-P-1.5K型碳纤维增强树脂基复合材料片材。片材长度一致，即长250 mm；宽20 mm。

4.1.2 方 法

拉伸性能测试：利用微机控制电子万能试验机进行测试，拉伸速度设定为6 mm/min；微型测力传感器测试拉伸强度；位移传感器测试断裂伸长率；以不同伸长率相应拉伸强度载荷值为载体，基于增量变化计算出弹性模量。所有材料都进行三次拉伸性能测试。

冲击性能测试：利用冲击试验机进行测试，冲击锤能设定为8J，所有材料都进行三次冲击性能测试。

三种不同材料拉伸性能与冲击性能测试，具体结果[6]如表2～表4所示。

表2 不饱和聚酯树脂的拉伸性能与冲击性能

表3 环氧树脂的拉伸性能与冲击性能

表4 碳纤维增强树脂基复合材料的拉伸性能与冲击性能

由表2～表4可知，碳纤维增强树脂基复合材料的整体性能较好，尤其是拉伸强度、弹性模量、冲击强度，明显超出其余二者，然而断裂伸长率却相对偏低。而不饱和聚酯树脂拉伸强度稍许超出环氧树脂，而其他性能则明显较低。此外，体育器材若对于力学性能要求高，则可根据实际情况，选择助剂适度添加于塑料与复合材料，以满足多元化与个性化需求。

4.2 耐腐蚀性能

4.2.1 材 料

氢氧化钙，分析纯；氢氧化钠，分析纯；氢氧化钾，分析纯；氯化钠，分析纯。

4.2.2 方 法

以120 g氢氧化钙；1 g氢氧化钠；4.6g氢氧化钾；36 mL氯化钠溶液，于1 000 mL去离子水中溶解，均分为三等份，分别把三种材料溶于其中，等待四周，每周按时观察材料具体变化，以了解材料的耐腐蚀性。

不同材料的耐腐蚀性测试结果[7]具体如表5所示。

表5 不同材料耐腐蚀性

由表5可知，环氧树脂的耐腐蚀性最强，碳纤维增强树脂基复合材料最弱。通过溶于溶液四周后，三种材料都出现了一定的腐蚀，使得其表层有所变化，且局部有脱落现象。然而在实际应用中，材料并不会长时间处于高盐碱环境下，如果有独特要求，可在表层添加耐腐蚀镀层。

5 塑料与复合材料在体育器材中的应用

5.1 跑道与地板

塑胶跑道与地板以其独特优势在逐步替代水泥，即防滑、美观、弹性好，且利于提升运动员的运动成绩。一般来说塑胶跑道与场馆地板结构包含六层，即沙石垫层、防潮层、混凝土面层、塑胶沙过渡层、塑胶层、面层(塑胶弹力层)。面层材料性能具体如表6所示。面层材料大体为E/VAC乳液或者丙烯酸乳液进行固化，其中E/VAC乳液吸湿性较高，吸收过多水分会导致表层快速脱色，而且耐光性较差，极有可能会被丙烯酸乳液替代[8]。

表6 面层材料性能分析

5.2 球 类

常见球类即球拍、高尔夫球与棒球，其中高尔夫球选用发泡离子树脂；球棒选用碳纤维增强塑料；填充物选用聚氨酯发泡。球拍选用高性能塑料复合材料，即环氧树脂与碳纤维增强环氧树脂复合材料，其不仅可保证球拍高强弯曲性能、强度与扭曲刚性，还可避免变形。

5.3 帆 板

冲浪板与滑水板等外层选用纤维增强塑料与聚氨酯泡沫复合材料，内层选用乙烯基树脂与聚氯乙烯复合材料。帆船帆板选用环氧树脂与聚氨酯等树脂材料，增强材料选用玻璃纤维、碳纤维、石墨纤维等[9]。帆布构件用材料与成型方式具体如表7所示。

表7 帆板零部件用材料与成型方式

6 结 论

总之，不同于金属材料，塑料与复合材料性能良好，成型工艺多元化，在体育器材领域具备长远发展前景。而且塑料与复合材料制备体育器材具有显著性优势，即使用寿命长、成本较低等。据此本文对塑料与复合材料在体育器材中的应用做了深入探究，并基于三种不同塑料与复合材料进行了性能实验测试，结果表明，碳纤维增强树脂基复合材料的综合力学性能良好，更加适合用于制作高强度运动器材；环氧树脂的耐腐蚀性良好，适用于室外运动器材制作。在未来塑料与复合材料将会于树脂基体、增强材料层面出现更多类型选择，会为材料重新弥补各式各样的独特性能，进而满足多种体育项目器材需要。