功能高分子復(fù)合材料(SFPC)體育防護(hù)用具加工特點號陛能分析

陳正權(quán) 王利娟

摘要：功能高分子復(fù)合材料體育防護(hù)用具質(zhì)量不過關(guān)、安全性、耐用性較差等問題一直制約著我國體育防護(hù)用具產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。文章對功能高分子復(fù)合材料體育防護(hù)用具的常用材料及特性進(jìn)行了分析，在充分調(diào)用相關(guān)文獻(xiàn)和運用邏輯分析法的基礎(chǔ)上，結(jié)合功能高分子復(fù)合材料體育防護(hù)用具用品的發(fā)展需求和特點進(jìn)行了綜合論述。本文所開發(fā)的新型JZZ-1型液體裝甲以及SG-1型凝膠等在于其他傳統(tǒng)體育防護(hù)材料的結(jié)合過程中表現(xiàn)出了優(yōu)異的防護(hù)性能，可被廣泛應(yīng)用與射擊、擊劍、滑雪等風(fēng)險性較高的體育運動項目中。

關(guān)鍵詞：功能高分子復(fù)合材料;JZZ-1型液體裝甲;聚氨酯;SG-1型凝膠

中圖分類號：TB383;TB33 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1001-5922（2021）02-0067—04

0引言

隨著現(xiàn)代人類生活水平的提高，人們在注重生活品質(zhì)提升的同時也更加注重身體健康，體育運動成為人們最為青睞的獲取健康的手段之一。因此，人們對高質(zhì)量體育運動器材的需求也越來越高。現(xiàn)代科技的迅速進(jìn)步以及材料科技與現(xiàn)代體育融合程度的提升，間接推動了體育運動器材的發(fā)展，同時也為人們選擇體育運動器材提供了更多的機(jī)會，體育產(chǎn)業(yè)已經(jīng)逐漸成為國家或地區(qū)經(jīng)濟(jì)產(chǎn)業(yè)體系中的支柱產(chǎn)業(yè)。

體育運動裝備在生產(chǎn)選材時，需要綜合考慮材料的性能和安全性等。體育運動防護(hù)裝備是人們進(jìn)行體育活動時的必需品，一方面體育運動防護(hù)裝備必須保證人員使用過程中的可靠性;另一方面，防護(hù)用具材料本身既不能有害，也需要對人體活動起到高質(zhì)量的保護(hù)作用。體育運動中選取運動器材和場地是比較重要的，尤其部分參與體育運動的少兒正處于發(fā)育階段，身體各方面發(fā)展不健全，需要我們?nèi)ヌ厥怅P(guān)注，確保其安全性。文章結(jié)合體育產(chǎn)品材料、運動方式、以及健康科學(xué)等方面，敘述了功能高分子復(fù)合材料體育防護(hù)用具用品加工材料特點與應(yīng)用研究。

1功能高分子復(fù)合材料體育防護(hù)用具加工材料性能分析

1.1傳統(tǒng)聚合物材料的缺點

雖然這些聚合物材料在體育用品制造中被廣泛應(yīng)用，但是這些高分子及其復(fù)合材料還是存在粗多缺點的。如PVC在生產(chǎn)應(yīng)用時前后反應(yīng)不完全，就會導(dǎo)致VCM等含有致癌物的產(chǎn)生，其制品長期使用對人體沒有好處。Polyurethane中含有對皮膚和呼吸道有害的Isocyanate。表1對聚合物材料在使用性能方面做了歸類。

1.2功能高分子復(fù)合材料體育防護(hù)用具常用加工材料性能分析

1.2.1通用樹脂與纖維材料

隨著材料科技的發(fā)展，高分子材料和復(fù)合材料特有的良好性能得到充分發(fā)展，在體育行業(yè)也到得了應(yīng)用和發(fā)展。不同種類和特性的材料可以應(yīng)用到不同器材中，如表2不同種類材料的性能和用途。

1.2.2環(huán)氧樹脂復(fù)合材料

利用環(huán)氧樹脂建設(shè)跑道和室內(nèi)運動場所，對運動參與人員體育活動來說是至關(guān)重要的。環(huán)氧樹脂是指分子中含有兩個以上環(huán)氧基團(tuán)的一類聚合物的總稱，是環(huán)氧氯丙烷（C3H5C10）與雙酚A（C15H16O2）或多元醇（CnH2n+2-x（OH）x（x≥3））的縮聚產(chǎn)物。環(huán)氧樹脂中含有可以與金屬和Silicate等發(fā)生分子間作用力的分子中同時含有羥基-OH和羧基-COOH的化合物（hydroxy acid）、由一個氧原子連接兩個烴基的有機(jī)化合物（R-O-R）以及具有-CH（O）cH一結(jié)構(gòu)的-CH（O）CH-。綜合hydroxy acid、R-O-R和-CH（O）CH-的各類優(yōu)異性能，賦予了環(huán)氧樹脂萬能膠的稱呼。用其建設(shè)的跑道和室內(nèi)運動場所，可以減少沖擊保護(hù)運動參與人員的腳踝和膝關(guān)節(jié)等部位，更有利于運動參與人員的健康成長。

1.2.3工程聚合物材料

在運動器材領(lǐng)域，工程聚合物材料被得到了廣泛應(yīng)用，其作用和應(yīng)用歸類如表3所示。此外，aromat-ic polyamide fiber reinforcement、Ultra High Molecu-lar Weight Polyethylene Fiber、混紡纖維、Unsaturat-ed polyester resin和Epoxide resin;Araldite等高性能高分子材料。

2一種青少年用高性能射擊、擊劍服裝加工材料的加工制備

2.1材料選擇

傳統(tǒng)的射擊服是半布料半皮質(zhì)的衣褲套裝，實際上是由兩層厚厚的帆布制成的，輔以皮革，雖然防護(hù)性能優(yōu)異但自重較大。在軟體防刺服、防彈衣多基于芳綸纖維或超高分子量聚乙烯，如需防護(hù)24J的沖刺或54式手槍5m距離的射擊，前者一般需30層（機(jī)織物），后者一般需40-45層（機(jī)織物），一件防護(hù)背心的總重達(dá)2.5～3kg，并且防護(hù)面積較小。為此，開發(fā)新的防護(hù)材料就顯得尤為重要。

2.2體育用品選材的生理發(fā)展需求

2.2.1舒適和健康需求

青少年處在生長發(fā)育期，其生理、心里等各方面都沒有發(fā)展成熟，身體的某些器官相對比較敏感。因此，在生產(chǎn)高性能體育防護(hù)用具時，要把舒適和健康作為選擇材料時的基礎(chǔ)。運動服需要應(yīng)用具有吸汗、透氣和保溫的材料，而HYGROSCOPIC polyester fi-ber和棉或者毛的混紡物都具有此特性，可以應(yīng)用到運動服的生產(chǎn)制造中;Modified polyamide fiber與Polypropylene Foam Resin、乙烯一、Vinyl Acetatefoaming copolymer具有輕質(zhì)、抗氧化和減輕震動的特性，因此將其應(yīng)用到運動鞋的制造生產(chǎn)中，將會得到更好地應(yīng)用。

2.2.2安全性需求

青少年處在生長發(fā)育期，其生理、心里等各方面都沒有發(fā)展成熟，對日常事物的認(rèn)知度和辨識度與成人相比相差許多。因此，對于高性能體育防護(hù)用具來說，安全性是需要引起重視的，其中安全性包含多個方面，如圖1所示。

2.2.3科學(xué)性需求

青少年處于生長發(fā)育階段，對一切未知的都充滿好奇。通常活潑好動，做事情三分鐘熱度，缺乏耐心。因此，高性能體育防護(hù)用具要彌補(bǔ)孩子的這一缺點，使其具有趣味性和吸引力，這樣可以調(diào)動孩子的積極性。想要激發(fā)孩子的積極性我們可以采用科技手段進(jìn)行材料改進(jìn)等，增強(qiáng)體育活動的余樂趣味性，給體育器材增加新的附屬功能。比如：趣味乒乓球就是利用polyester chain加上綠色熒光集團(tuán)制作而成，利用PRESSURE-SENSITIVE ISOPROPYLACRYL.AMIDE COPOLYMER GEL和Polycarbonate blendcomposites制作而成的自行車鞍座，既起到了保護(hù)孩子臀部發(fā)育的作用，而且還是很舒服的。

2.3高性能體育防護(hù)用具的加工制備

少兒體育用品的選材制作需要符合少年青少年的身心發(fā)展規(guī)律，不僅要注意青少年的生理健康和安全性，還需要使其在運動中獲得滿足度。一些材料擁有特殊性能，應(yīng)用于運動器材中，更適用于青少年，表4對部分體育用品及選材做了整理。

“液體防彈衣”與剪切增稠改性抗沖擊柔性彈性體逐漸引起了各國研究者的關(guān)注。兩者均屬于剪切增稠智能復(fù)合材料，具有獨特的力學(xué)性能：在不受力條件下，材料柔軟;而在受到高速沖擊或侵徹作用下，材料瞬間轉(zhuǎn)變?yōu)閳杂驳墓虘B(tài)，分散沖擊能量或阻止侵徹;沖擊作用后，又可恢復(fù)到柔軟狀態(tài)。本文通過剪切增稠復(fù)合材料領(lǐng)域多年的研究積累，取得了一系列的成果，成功開發(fā)出一批能夠替代傳統(tǒng)皮革射擊服裝的高分子復(fù)合材料。

2.3.1JZZ-1型液體裝甲制備

本文研制開發(fā)了一種基于聚乙二醇/納米SiO-2體系的剪切增稠液（命名為JZZ-1型液體裝甲），以及一種基于聚硅氧烷的剪切增稠凝膠（命名為SG-1型凝膠），兩者均具有臨界剪切速率可調(diào)、工藝重現(xiàn)性好、制備過程中無有毒有害物質(zhì)排放等優(yōu)點。

2.3.2與SG-1型凝膠、滌綸復(fù)合加工

本文創(chuàng)新性的將JZZ-1型液體裝甲與SG-1型凝膠和體育防護(hù)裝備中大量應(yīng)用的滌綸織物復(fù)合，測試結(jié)果表明滌綸織物抗沖擊穿刺以及高速侵徹的性能得到了顯著提高，如以其制造射擊、擊劍服裝等體育運動防護(hù)裝備，則可有效的抵抗單片與尖銳物品的侵徹，極大的改善體育運動人員的防護(hù)能力。

2.3.3與芳綸機(jī)織布復(fù)合

在上述成果的基礎(chǔ)上，將JZZ-1型液體裝甲與芳綸機(jī)織布復(fù)合，經(jīng)測試證實，其防刺性能明顯優(yōu)于復(fù)合前的芳綸織物，甚至可應(yīng)用于防刺服、防爆毯等領(lǐng)域。

2.3.4 SG-1型凝膠與聚氨酯和硅膠等彈性體相結(jié)合

的復(fù)合材料制備

本文研制開發(fā)了SG-1型凝膠與聚氨酯和硅膠等彈性體相結(jié)合的復(fù)合材料以及相應(yīng)的制備工藝，以剪切增稠效應(yīng)賦予復(fù)合材料良好的抗高速沖擊性能，同時利用傳統(tǒng)材料優(yōu)良的加工特性使復(fù)合材料易于加工為特定防護(hù)制品，其性能可與英國D30公司的產(chǎn)品相媲美。

綜上所述，本文在剪切增稠材料領(lǐng)域已取得了較豐碩的成果。在此基礎(chǔ)上，本項目首先將優(yōu)化JZZ-1型液體裝甲與SG-1型凝膠的性能，并開發(fā)其中試生產(chǎn)工藝;其次，優(yōu)化滌綸、芳綸與超高分子量聚乙烯織物復(fù)合材料防刺防彈性能、單位面積增重與儲存穩(wěn)定性;最后，完成發(fā)泡聚氨酯與發(fā)泡硅膠彈性體柔性防護(hù)復(fù)合材料量產(chǎn)工藝的開發(fā)，并設(shè)計開發(fā)戶外與運動防護(hù)裝具等防護(hù)制品。

2.3.5生產(chǎn)工藝

為滿足量產(chǎn)并推向市場的需要，本項目前期工作中重點開展了量產(chǎn)工藝的設(shè)計開發(fā)。首先，在剪切增稠材料增強(qiáng)織物方面，創(chuàng)新性的提出利用現(xiàn)有帳篷刮涂覆膜工藝，成功的實現(xiàn)了剪切增稠材料在織物上的大面積陜速涂制，目前的實驗涂制速度是4.5m/min，下一步目標(biāo)為6～7m/min。其次，開發(fā)出適合剪切增稠凝膠與發(fā)泡硅膠、發(fā)泡聚氨酯等柔性彈I生體成型加工的快速復(fù)合工藝，該工藝可直接采用現(xiàn)有成型裝備，具有生產(chǎn)效率高，復(fù)合效果穩(wěn)定，適應(yīng)性好的優(yōu)點。

3結(jié)語

國民身體素質(zhì)的提高是一個國家發(fā)展競技體育的奠基石，而功能高分子復(fù)合材料體育防護(hù)用具的發(fā)展是國家業(yè)余到職業(yè)體育發(fā)展的重中之重。隨著科技的發(fā)展和人們生活水平的提高，體育運動種類繁多以及高分子與復(fù)合材料的應(yīng)用，促進(jìn)了體育運動產(chǎn)品的發(fā)展，也加快了體育健身的普及。青少年處于生長發(fā)育階段，身心個方面發(fā)育不健全，缺乏獨立性和判斷力。因此，在參加體育運動時，體育防護(hù)用品的安全性和材料質(zhì)量很重要。本文對功能高分子復(fù)合材料體育防護(hù)用具用品的案例和應(yīng)用進(jìn)行了分析解剖，旨在為我國功能高分子復(fù)合材料體育防護(hù)用具用品和裝備設(shè)計制作提供參考。