體育防護(hù)用具領(lǐng)域中工程塑料的應(yīng)用研究

陳 璐

（西北大學(xué)現(xiàn)代學(xué)院，陜西西安710130）

一個(gè)國(guó)家體育產(chǎn)業(yè)發(fā)展?fàn)顩r，直接關(guān)系著人民生活水平高低，作為全球體育產(chǎn)業(yè)的重要構(gòu)成部分，我國(guó)體育產(chǎn)業(yè)與體育設(shè)施生產(chǎn)行業(yè)已在不斷嘗試于體育防護(hù)用具生產(chǎn)加工領(lǐng)域引進(jìn)工程塑料，這將在很大程度上推動(dòng)我國(guó)體育產(chǎn)業(yè)的穩(wěn)定發(fā)展[1]。據(jù)此本文具體闡述分析了體育防護(hù)用具領(lǐng)域用工程塑料。

1 工程塑料性能分析

體育防護(hù)用具的使用是為了最大程度上防止運(yùn)動(dòng)員在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中受傷，同時(shí)還需確保不會(huì)出現(xiàn)有害的揮發(fā)性氣體[2]。所以，總體來(lái)講體育防護(hù)用具需具備安全性與穩(wěn)定性，而工程塑料作為體育防護(hù)用具的優(yōu)勢(shì)性能需進(jìn)一步試驗(yàn)測(cè)試驗(yàn)證。

1.1 試驗(yàn)對(duì)象

三種工程塑料：丙烯腈-丁二烯-苯乙烯（ABS）；玻璃纖維增強(qiáng)塑料（GFRP）；聚氨酯（PU）。

1.2 儀器

微機(jī)控制電子拉力試驗(yàn)機(jī)；數(shù)顯落錘沖擊試驗(yàn)機(jī)[3]。

1.3 方法

隨機(jī)篩選原料并切割成尺寸230×230×4(mm)試樣，然后以3m/s沖擊速度三次測(cè)試材料沖擊強(qiáng)度，以試驗(yàn)速度5mm/min三次測(cè)試彎曲強(qiáng)度和拉伸強(qiáng)度。

1.4 性能

體育防護(hù)用具領(lǐng)域用三種工程塑料試樣性能試驗(yàn)測(cè)試結(jié)果見(jiàn)表1。

表1 性能測(cè)試結(jié)果Table 1 Performance test results

由表1可知，在抗沖擊強(qiáng)度層面，PU明顯強(qiáng)于ABS與GFRP；在彎曲強(qiáng)度層面，ABS略微強(qiáng)于PU與GFRP；在拉伸強(qiáng)度層面，GFRP最強(qiáng)，ABS次之，PU最差[4]。

2 工程塑料在體育防護(hù)用具中的應(yīng)用分析

2.1 工程塑料優(yōu)勢(shì)特性分析

2.1.1 質(zhì)輕

穿戴式防護(hù)用戶(hù)或者需運(yùn)動(dòng)員人力操控的體育器械在體育運(yùn)動(dòng)防護(hù)用具領(lǐng)域所占比例非常高，即運(yùn)動(dòng)鞋、運(yùn)動(dòng)服裝、護(hù)膝、撐桿、鞍馬、球拍等。人們?cè)谑褂眠@些體育器械或者防護(hù)用具主要是為了基于其作為輔助開(kāi)展運(yùn)動(dòng)，或者幫助自身獲取更優(yōu)秀的運(yùn)動(dòng)競(jìng)賽成績(jī)。所以運(yùn)動(dòng)員自身整體水平處于正常狀態(tài)的前提下，一般越是質(zhì)輕的體育器械或者防護(hù)用具越是能夠?yàn)檫\(yùn)動(dòng)員獲得更優(yōu)秀的成績(jī)提供幫助。因此體育器械與防護(hù)用具加工選用原材料時(shí)，應(yīng)先選擇基于相同設(shè)計(jì)造型下更為質(zhì)輕的材料，以防止運(yùn)動(dòng)員運(yùn)動(dòng)過(guò)程中浪費(fèi)體能，身體受到損傷。而工程塑料作為高分子材料，其分子之間間距比較大，所以相較于金屬或者木材等密度更小，相同造型下由其制備而成的體育防護(hù)用具質(zhì)量更輕。

2.1.2 強(qiáng)度高、韌性好

體育器械與防護(hù)用具使用時(shí)一般都需面臨高使用率與使用強(qiáng)度，如地車(chē)速降、帆船、網(wǎng)球等，這些體育器械與防護(hù)用具使用時(shí)需面臨高速降落所引發(fā)的巨大沖擊，以及風(fēng)帆吹動(dòng)時(shí)的拉伸與球的撞擊等，所以在實(shí)際設(shè)計(jì)加工時(shí)，應(yīng)充分全方位考慮長(zhǎng)時(shí)間使用狀態(tài)下器械與防護(hù)用具的整體強(qiáng)度。但是由于大部分運(yùn)動(dòng)在逐步輕量化設(shè)計(jì)體育器械與防護(hù)用具，所以會(huì)適當(dāng)縮減材料用量，以實(shí)現(xiàn)減重效應(yīng)，如此一來(lái)勢(shì)必會(huì)在一定程度上降低器械與防護(hù)用具綜合強(qiáng)度與柔韌性[5]。對(duì)此體育器械與防護(hù)用具所用材料須同時(shí)滿(mǎn)足低密度與高強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)要求，而工程塑料則能夠最大程度上滿(mǎn)足此需求。就纖維增強(qiáng)塑料而言，此材料的纖維成分不僅強(qiáng)度高且柔韌性佳，在添加增強(qiáng)樹(shù)脂材料之后，綜合密度會(huì)顯著降低，所以纖維增強(qiáng)塑料已實(shí)現(xiàn)了在滑板、自行車(chē)、帆船、球拍等體育器械及其相關(guān)防護(hù)用具中的普遍應(yīng)用，相較于金屬與木材等材料，新型纖維增強(qiáng)塑料的應(yīng)用與發(fā)展前景更為廣闊。

2.1.3 易加工成型

就體育器械與防護(hù)用具生產(chǎn)商來(lái)講，工程塑料的易成型性能越好，則代表此材料在生產(chǎn)加工時(shí)越容易[6]。一般來(lái)講，金屬與熱塑性塑料的易成型性能、熱塑性都相對(duì)較高。然而在材料領(lǐng)域有關(guān)科學(xué)研究逐漸突破性前進(jìn)的趨勢(shì)下，工程塑料不僅成型越來(lái)越容易，且加工難度越來(lái)越小，而且隨著加工工藝的改進(jìn)與優(yōu)化，使得生物工程塑料于較低成本標(biāo)準(zhǔn)下可加工為更加優(yōu)質(zhì)的體育器械與防護(hù)用具。

2.2 工程塑料在體育防護(hù)用具中的應(yīng)用

2.2.1 運(yùn)動(dòng)自行車(chē)

競(jìng)技或者運(yùn)動(dòng)型自行車(chē)車(chē)架、車(chē)把、踏板、車(chē)圈等位置都需以工程塑料直接替代金屬材料，以確保自行車(chē)具備質(zhì)輕、舒適、高強(qiáng)等優(yōu)勢(shì)特征。自行車(chē)各個(gè)部位相對(duì)使用的工程塑料具體為：坐墊使用尼龍；手柄使用玻璃纖維增強(qiáng)聚對(duì)苯二甲酸乙二醇酯；車(chē)輪用碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料；車(chē)架用熱塑性碳纖維復(fù)合材料。

2.2.2 穿戴式設(shè)備

穿戴式設(shè)備具體即體育運(yùn)動(dòng)所需防護(hù)用具，即頭盔、防護(hù)裝備等，要求高強(qiáng)度與韌度，而且于相同設(shè)計(jì)造型與使用狀況下質(zhì)輕。所以體育防護(hù)用具領(lǐng)域已開(kāi)始著手研發(fā)各種可以滿(mǎn)足穿戴式設(shè)備多元化性能要求的生物工程塑料，即基于拉擠工藝加工纖維復(fù)合材料以獲取長(zhǎng)纖維改性復(fù)合材料，其相對(duì)于既有纖維復(fù)合材料抗變形能力更好，而且密度更低、強(qiáng)度更大，以長(zhǎng)纖維改性復(fù)合材料加工制備的體育防護(hù)用具的防護(hù)強(qiáng)度與柔韌性更佳，且質(zhì)量更輕，在很大程度上降低了體育運(yùn)動(dòng)員運(yùn)動(dòng)過(guò)程中的身體負(fù)擔(dān)，使用前景與發(fā)展前途廣闊。

2.2.3 球類(lèi)

球類(lèi)運(yùn)動(dòng)即球與擊打設(shè)備兩個(gè)部分共同構(gòu)成[7]，如籃球與足球等主要采用PU、尼龍、橡膠等材料制作外殼，以碳纖維增強(qiáng)材料等制作中心部分；高爾夫球等主要采用聚氨酯泡沫填充加工制作而成；網(wǎng)球拍與羽毛球拍等主要采用碳纖維增強(qiáng)樹(shù)脂復(fù)合材料加工而成。當(dāng)前高端運(yùn)動(dòng)與競(jìng)技領(lǐng)域的球拍加工制備都已實(shí)現(xiàn)了以碳纖維增強(qiáng)樹(shù)脂復(fù)合材料為作為載體。

2.2.4 帆船

傳統(tǒng)金屬桅桿質(zhì)量過(guò)大，且穩(wěn)定性與耐水性較差，而木質(zhì)桅桿強(qiáng)度低，且吸水之后質(zhì)量上升速度比較快。所以碳纖維復(fù)合材料桅桿逐漸代替了金屬與木質(zhì)桅桿。而利用碳纖維復(fù)合材料加工制成的桅桿質(zhì)輕，可輔助船身整體重心得到調(diào)整，減少壓艙物，以此幫助船體實(shí)現(xiàn)瘦身，使得運(yùn)動(dòng)員可充分掌握帆船平衡。此外就應(yīng)力層面來(lái)講，高強(qiáng)與高模的碳纖維復(fù)合材料可保障桅桿剛度，抵抗彎曲變形，同時(shí)耐腐蝕性較好，可抵擋海水與鹽霧等環(huán)境的負(fù)面影響。

3 結(jié)語(yǔ)

總之，體育防護(hù)用具要求強(qiáng)度高與韌性好，而且要求基于相同設(shè)計(jì)造型與使用條件下更為質(zhì)輕。所以體育防護(hù)用具領(lǐng)域一直致力于研發(fā)具備多元化性能的生物工程塑料。本文通過(guò)三種工程塑料性能測(cè)試分析，整合匯總了其在體育防護(hù)用具領(lǐng)域應(yīng)用的優(yōu)勢(shì)特性，并進(jìn)一步對(duì)工程塑料在體育防護(hù)用具制備中的實(shí)際應(yīng)用做了詳細(xì)闡述。