体育健身器材用塑料复合材料性能分析及应用

李 娟

(陕西国防工业职业技术学院,陕西西安 710300)

在日常生活水平不断提高的趋势下,人们开始高度重视健康问题,因此在空闲时间经常会健身锻炼,以此推动了体育健身器材行业的发展。而传统体育健身器材多数都是以普碳钢为主要材料,但是在遇到水时很容易腐蚀,再加上太阳光照射,器材寿命便会迅速缩减,甚至会影响人们的生命安全,以此便衍生了塑料复合材料[1]。相较于传统体育器材,塑料复合材料制体育健身器材的耐磨损性能较优,使用寿命较长,这也就造就了其复杂的生产工艺,产量较小且价格高,由长远角度来讲,所生成的综合效益非常值得期待[2]。

1 体育健身器材用塑料复合材料

1.1 不饱和聚酯材料

UP 为透明状或不透明状固体,柔韧性与耐酸性较好,但是耐光性与耐热性较差[3],以此一般会将其与纤维材料复合应用,在皮划艇身构造中的应用较为常见,另外,通过缠绕成型工艺可制造高尔夫球棒。

1.2 环氧树脂材料

EP的力学性能良好,可抵抗外界腐蚀,且固化体系完善[4],由于固化剂不同所构成环氧树脂材料性能也存在一定差异,在实际应用时应基于实际需求以明确最佳固化体系。环氧树脂与纤维增强材料复合使用也相对可行,以缠绕成型工艺可制备弓箭等体育健身器材。

1.3 碳纤维增强复合材料

CFRP 属于无机高分子纤维材料[5],在体育器材领域深受欢迎,且多层次代替金属材料,质轻且高强。目前体育运动设施与健身器材选择主要以复合材料为主,而碳纤维增强复合材料所占比重最大。

2 体育健身器材用塑料复合材料性能

针对不饱和聚酯材料、环氧树脂材料、碳纤维增强复合材料三种塑料复合材料进行性能分析比较。

2.1 力学性能

利用电子万能试验机进行材料拉伸性能测试；利用冲击试验机进行材料冲击性能测试[6]。拉伸性能测试即通过计算机控制拉伸速度,基于卫星测力传感器检测材料拉伸强度,基于位移传感器检测材料断裂伸长率,基于增量变化计算弹性模量；冲击性能测试即合理设置冲击能量测试冲击强度。塑料复合材料力学性能测试结果具体见表1。

由表1 可以看出,相比不饱和聚酯树脂材料与环氧树脂材料,碳纤维增强树脂材料的拉伸强度、弹性模量与冲击强度更高,但是断裂伸长率偏低。在体育健身器材选材时,需要选择力学性能最佳且均衡的材料,可在塑料复合材料中添加辅助剂,以确保最大程度上满足多元化选材需求。

2.2 耐腐蚀性能

将UP、EP、CFRP 材料分别浸泡在试验混合溶液(盐碱溶液)内,时长为4 周,1 周记录一次实时变化,结果见表2。

表2 塑料复合材料在盐碱溶液中的变化Table 2 Changes of plastic composites in saline-alkali solution

由表2 可以看出,环氧树脂的耐腐蚀性最优,而碳纤维增强树脂的耐腐蚀性最差。在经过4 周腐蚀后,三种材料都出现了一定程度的腐蚀,但是由于常用健身器材长时间暴露在自然环境下,自身耐腐蚀性就很好,所以即使在恶劣环境下使用,也可进行适度处理,应用耐腐蚀镀层,以延长其使用寿命。

3 塑料复合材料在体育健身器材中的实际应用

3.1 在水上器材中的应用

对于船体而言,所用材料必须具备较高强度与刚度,所以通常会选择纤维增强塑料复合材料。而高性能纤维材料可提升复合材料比强度与比模量,即碳纤维材料。在帆船船板制造中常用材料有聚苯乙烯、聚碳酸酯、ABS 等热塑性树脂基材,而环氧树脂与聚氨酯等热固性材料的应用也十分常见。在增强材料中通常会选择玻璃纤维、碳纤维、石墨纤维、芳纶纤维等。冲浪板与滑水板等器材中,外层一般会选用纤维增强塑料与聚氨酯泡沫复合材料,内层经常使用乙烯基树脂与聚氯乙烯复合材料[7]。

3.2 在球类中的应用

高尔夫球一般均使用发泡离子树脂,球棒则选择碳纤维增强塑料,内层填充物通常利用聚氨酯发泡材料。纤维增强塑料复合材料还可制成垒球棒,当前性能最佳的垒球棒是以硬质相聚氨酯泡沫材料与玻璃纤维增强塑料所制造而成的,使得球棒质轻高强,且使用寿命较长。目前高档球拍制作以碳纤维增强环氧树脂或玻璃纤维增强环氧树脂材料为主,在球拍使用时受力复杂,因此要求球拍弯曲强度、扭曲刚性与强度较高。纤维增强树脂复合材料不仅质轻,且比强度与比模量高,可确保球拍使用过程中不会发生变形。而纤维增强塑料复合材料减震吸能效果显著,可保证球拍使用的舒适性。

3.3 在滑板中的应用

滑板是基于支架、轮子、板体、砂纸等共同构成的,当前以聚氨酯材料为主要原料。滑板轮子可以聚氨酯适度用量控制硬度,以适应不同类型路面；板体则选择聚丙烯与聚碳酸酯,以其力学性能优势可满足不同载荷下板体都不会变形损坏的要求[8]。

3.4 在自行车中的应用

自行车制造时一般会批量利用塑料复合材料,以提高使用性能,减轻车身质量。其一,主要以树脂基复合材料提高自行车附加值,减轻车身质量,在车架与车轮部位的应用比较常见；其二,主要以热塑性塑料制作微型自行车,以注塑成型工艺批量生产。自行车用塑料复合材料[9]可见表3。

表3 自行车用塑料复合材料Table 3 Plastic composite materials for bicycles

3.5 在运动场跑道中的应用

体育运动场用塑胶跑道的减震性与防滑性良好,且美观,主要以沙子、乙烯-乙酸乙烯酯共聚物构成过渡层,以橡胶颗粒、乙烯-乙酸乙烯酯构成塑胶层,以聚丙烯酸酯构成垫底层。基于改性聚氨酯材料的运动场跑道具备低毒性与环境友好性双重优势[10]。而纳米改性聚氨酯材料的强度与弹性更高,且耐老化性与耐磨性良好,以无机离子改性处理的聚氨酯复合材料,拉伸强度与断裂伸长率较高,阻燃性与耐热性更优。

3.6 在撑杆中的应用

在撑杆跳运动中,撑杆主要以玻璃纤维增强尼龙材料制作,后续以碳纤维增强树脂材料逐渐代替,发展为最佳撑杆材料,其弹性形变能力非常强大,储能优势显著,弹性势能转换成动能的效率更佳。

4 结语

塑料复合材料以其自身独特性能优势在体育健身器材领域深受青睐。本文通过对不饱和聚酯材料、环氧树脂材料、碳纤维增强复合材料三种塑料复合材料进行性能比较发现,相比不饱和聚酯树脂材料与环氧树脂材料,碳纤维增强树脂材料的拉伸强度、弹性模量与冲击强度更高,断裂伸长率偏低,但整体力学性能最佳,在体育健身器材选材时,需要选择力学性能最佳且均衡的材料,因此可在塑料复合材料中添加辅助剂,以确保最大程度上满足多元化选材需求；环氧树脂的耐腐蚀性最优,可延长体育健身器材使用寿命。综上,塑料复合材料将会是体育健身器材的主流方向,在技术水平不断提高的视域下,其将变得更加多元化,发展前景良好。