先进高分子材料体育装备性能分析及对竞技体育发展的影响研究

薄阿维

（陕西财经职业技术学院，陕西咸阳712000)

随着现代材料技术的发展以及体育运动领域对器械、设备物化性能要求的不断提升，利用部分具有高力学性能、耐腐蚀、耐极限条件的高分子材料进行体育器械、设备的加工制备，已经逐渐成为群众体育以及竞技体育发展的基本要求。高分子材料是一种以相对分子质量较高的高分子化合物为基础的材料，主要包括橡胶、塑料、纤维以及高分子基复合材料等［1］。由于高分子材料具有来源广泛、性能优异、成型工艺简单等优势，在体育建材、体育器械、体育服饰等领域具有极为广泛的应用，在明显提升运动人员使用舒适性、耐久性等的同时，显著提升了竞技体育成绩。

1 高分子材料分类

与金属、木材、陶瓷等材料类似，高分子材料在不断发展成熟的过程中逐渐与人类社会活动产生了广泛融合。高分子材料种类众多，按照不同的划分标准可以分为图1 所示不同类型［2］。

图1 高分子材料分类Fig. 1 Classification of polymer materials

天然高分子是指没有经过人工合成的某类广泛存在于各类型生物体内的高分子物质。由于一般情况下，天然高分子加工性能都很差，在力学性能、耐环境性能等方面存在固有缺陷，因而天然高分子的应用范围与加工成型等均存在较大的限制。为了拓展天然高分子材料的应用范围，提升高分子材料力学、生物学、耐环境性能等，学者们开始致力于天然高分子材料的改性、合成。

2 体育装备应用领域高分子材料及其性 能优势

2.1 塑料复合材料

和振东等［3］对塑料复合材料在体育装备加工应用领域中的应用进行了分析，认为塑料复合材料具有质轻、力学性能优异、使用寿命长、成型加工性优异等优势，可以广泛应用于各类型体育装备、设施的加工领域。部分学者对体育设施生产加工领域常用塑料复合材料的力学性能进行了实验测试，得到了表1 所示的实验数据［4］。

表1 几种塑料复合材料力学性能对比Table 1 Comparison of mechanical properties of several plastics composites

由表1 数据可知，在体育装备加工应用较为广泛的三种塑料复合材料中，碳纤维增强树脂基复合材料在拉伸强度、弹性模量、冲击强度等方面均展现出更为优异的性能，仅在断裂伸长率方面略低于其他两种材料；不饱和聚酯树脂与环氧树脂相比各有优劣，但整体力学性能差距不大。在实际的体育装备加工领域中，多使用不同的助剂用以改良不同塑料复合材料的属性用于加工一些产品性能差异、适用人群需求不同的体育装备。

2.2 橡胶

橡胶分为天然橡胶与合成橡胶两种，体育装备多使用具有可逆形变的高弹性聚合物材料合成橡胶制备如各类型鞋底、赛车轮胎、球拍手柄等［5］。橡胶在室温下具有高弹性，在外界施加较小压力的作用下可以发生较大形变，停止施加外力后可恢复原状。体育领域常用的橡胶性质及主要应用方向见表2。

表2 体育领域常用橡胶性质及应用Table 2 Properties and applications of rubber commonly used in sports

橡胶是体育领域应用最为广泛的高分子材料材料，足篮排球球胆、乒乓球拍海绵胶面、各类型运动鞋底等多采用橡胶及其复合材料加工而成，利用减震橡胶材料加工而成的新型羽毛球拍、网球拍手柄，能够显著改善球拍击球时人体受到的震动，提升运动舒适性［6］。

2.3 纤维

纤维是高分子材料在体育领域的另外一个重要应用。常见的高分子合成纤维包括尼龙、涤纶、腈纶聚酯纤维、芳纶、丙纶纤维等均属于有机高分子材料，其分子由许多单元结构聚合而成。体育领域应用最为广泛的纤维材料为涤纶，其大分子中的酯基在碱性液体中会发生水解［7］。合成纤维普遍具有强度高、伸长大、弹性恢复好等优势，尤其涤纶材料具备的高强低伸、低强高伸等性能，可以用于各种体育服饰等的加工过程中。表3 所示为几种不同合成纤维材料的物化属性。

表3 不同合成纤维属性对比Table 3 Comparison of properties of different synthetic fibers

2.4 其他

体育领域其他新兴高分子材料有：①克维拉高分子材料，其本质为聚芳香酰胺，宏观上表现出良好的物理力学性质、柔软性高、强度大，利用克维拉编织成的材料具有超强的减震效果，可以在使用某种运动器械时大幅提升器材减震性；②Sympatex，由70% 聚酯和30%聚醚复合构成，三层复合的Sympatex 材料可以广泛应用于各类型运动服装加工制造领域，具有优良的透气性；③快皮，快皮的超伸展纤维表面完全仿制自沙与皮肤，利用快皮加工而成的泳衣可以在接缝处模仿人类的肌腱为运动员向后划水时提供动力，且材料布料部分使用了聚氨酯纤维，本身具有较高的弹性，还能一定程度上增加浮力。

3 高分子材料对竞技体育发展影响

3.1 运动器材领域

3.1.1 乒乓球运动

最初的乒乓球拍两面均为木质光面，与现在的板羽球拍类似，此时由于球拍无法为运动员提供强有力的击球力度和旋转效果，因而各种技战术动作较为简单无法进行深度开发；至20 世纪50 年代，部分厂家开始尝试在球拍表面蒙上一层胶皮，用以增强球拍击球时球与球拍之间的接触时间，从而大幅增加球与球拍接触时的受力时间，击球尤其扣杀动作可以更快、更有力；后有部分厂家将胶皮表面制成颗粒状，进一步加强了击球时的旋转，此时拉球、削球等技战术动作开始出现；至20 世纪60 年代，日本一家球拍厂研制出一种粘性很强的橡胶材料，将原有的突起部分朝里贴在海棉上，利用特种橡胶的粘性以及增加球与胶皮的接触面积，大幅提升了球拍与球之间的摩擦力，此时兵乓球运动逐渐在推挡、抽杀、扣杀等技战术动作基础上大幅提升了拉攻动作占比，运动员可以依靠球的剧烈转动造成对方接球下网或出界失误。进入21 世纪后，国际乒联对乒乓球拍的胶皮使用材料有了更加详细的标准，新材料的使用受到的限制逐渐增加，厂家开始将新材料应用于球拍底板。使用碳素纤维、芳基纤维等材料加工而成的球拍底板具有较高的比强度、比模量，其尺寸稳定性及耐腐蚀性能较强，能够为运动员提供较好的耐磨性、电绝缘性等［8］。

3.1.2 撑杆跳运动

撑杆跳运动用杆长度约4.48m～4.52m，最大重量2.25㎏，表面必须光滑，通常由运动员自行准备。最早的跳杆为木质材料，此类材料不具备弹性转化动能的能力，因而当时的撑杆跳运动实际上是“爬杆跳高”，运动员在木杆插在地上的时间内迅速向上爬，至跳杆快要倾倒时越过横杆，此项动作1890 年时被禁止；1905 年时欧洲由中国引入了竹杆作为撑杆跳运动的跳杆专用材料，由于竹子具有较强的弹性，1912 年美国的M· 赖特以4.02m 的竞技成绩首次突破撑杆跳运动4m 大关；1942撑杆跳运动逐渐衍生出了助跑动作，美国的C· 沃梅达以4.77m 的成绩创造了竹竿最高记录；然而由于竹杆在长期暴露与自然条件下时容易出现老化，使撑杆跳运动容易出现断杆、折杆现象，为运动员带来极大的安全隐患，1948 年后开始逐渐由有人使用玻璃纤维杆取代竹杆，1961 年美国运动员G· 戴维斯以4.83m 成绩创造了玻璃纤维杆最高纪录，至此撑杆跳运动成绩不断提高，美国运动员B·斯顿伯格和J·彭内尔先后打破了5.13m 和5.20m的世界记录；20 世纪末，利用合成树脂与碳纤维进行复合加工制备碳纤维跳杆逐渐成为与玻璃纤维相互配合使用的重要跳杆，由于该高分子复合材料具有远超一般材料的韧性、比模量和弹性，能够最大程度将运动时的弹性势能转化为动能，进而大幅提升竞技成绩，瑞典天才杜普兰蒂斯以6.18m 的成绩成功打破了自己保持的世界记录。

3.1.3 冰雪运动

20 世纪60 年代之前，滑雪板主要由合成纤维板等制成，该类型材料具有远超一般木质材料或金属材料的力学性能，但滑行时振动较大，无法充分发挥运动员滑行水平；20 世纪70 年代，材料学专家研发出一种新型高分子材料- 超高分子聚乙烯，用该材料制成的滑雪板大幅提升了滑行性能；进入21 世纪后，又有专家研发出一种导电性滑雪板，有效防止滑雪过程中产生的静电，避免了滑雪板对雪中杂质的吸附；近年来有专家成功利用聚酰胺纤维、碳纤维环氧复合物作为主要材料，利用挤拉和纤维缠绕工艺成功研发出具有高强度、抗冲击力强度大、弯曲强度高的新型滑雪板［9］。

3.2 运动服饰领域

本文所论述的运动服饰专指用于竞技体育的服饰，不包括一般体育活动服装。唐睿［10］将竞技体育服饰主要类型概括为图2 所示的九大类。

图2 体育竞技服饰分类Fig. 2 Classification of athletic apparel

不同运动对服饰的性能需求存在较大差异，如水上服则要求服饰具有较强的防水、透气性能，因而部分研究人员利用聚氨酯薄膜配合涂层结构，加工成的服饰面料具有防水、透气、结实耐用等突出优势［10］；冰上服要求服饰具有较高的形状记忆性和较大的形变量尺寸等，部分厂家尝试利用聚氨酯、聚降冰片烯、反式1，4- 聚异戊二烯等材料复合加工，所制备的体操服具有高度智能化热敏形状记忆功能，易于调节温度、上色，具有质量轻、成本低廉等特征［10］；田径服、球类服则通常需要服装面料同时具有吸湿、排湿等功能，有研究人员在尼龙塔夫绸上涂覆聚胺酸系聚合物，保证服饰面料具有充分吸湿的同时增强了服饰的排湿功能，类似于赋予了服饰“皮肤呼吸”的功能［10］。

4 结语

综上，本文以体育领域应用较为广泛的先进高分子材料性能优势为基础，对高分子材料应用于体育器材、服饰等对某项体育运动发展产生的影响进行了分析。本研究认为，由于具备显著的力学性能和其他物化学优势，高分子材料中的塑料、橡胶、纤维等能够被广泛应用于各类型体育运动并对该项运动的竞技水平发展起到极强的促进与推动作用。