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        新材料在體育器材中的應(yīng)用

        2018-03-28 08:32:35
        山西化工 2018年4期
        關(guān)鍵詞:體育器材聚酯不飽和

        何 鵬

        (太原工業(yè)學(xué)院體育系,山西 太原 030008)

        引 言

        目前,傳統(tǒng)的體育器材大都采用木材或金屬材料等,這些材料的物理特性使體育器材的強(qiáng)度受到很大程度上的限制。隨著科技的發(fā)展,新材料廣泛應(yīng)用于各項(xiàng)體育器材中,甚至成為競(jìng)技體育中決定勝負(fù)的關(guān)鍵因素[1-3]?;诟鞣N新材料優(yōu)良的特性,如高的比強(qiáng)度、比模量、質(zhì)輕,耐磨,阻尼性能好,可設(shè)計(jì)性強(qiáng)等,顯著提高了體育器材的各項(xiàng)性能,使其得到了廣泛應(yīng)用[4-5]。本文就一些已廣泛應(yīng)用于體育器材的新材料,如尼龍纖維復(fù)合材料、不飽和聚酯復(fù)合材料、碳纖維復(fù)合材料及環(huán)氧樹脂復(fù)合材料的性能特點(diǎn)及在體育器材中的應(yīng)用做了詳細(xì)介紹。同時(shí),對(duì)21世紀(jì)炙手可熱的新材料,石墨烯復(fù)合材料的結(jié)構(gòu)特性及在體育器材中展現(xiàn)的優(yōu)良特性做了介紹。

        1 體育器材用新材料種類

        1.1 石墨烯復(fù)合材料

        石墨烯結(jié)構(gòu)因表面張力過(guò)大,一直被認(rèn)為是理論模型,難以單獨(dú)穩(wěn)定存在,直到2004年英國(guó)曼徹斯特大學(xué)的物理學(xué)家安德烈·海姆和康斯坦丁·諾沃肖洛夫通過(guò)簡(jiǎn)單的“機(jī)械剝離法”,利用“膠帶”從石墨表面“撕”出了單層的碳材料即石墨烯,證實(shí)了它可以單獨(dú)存在。這兩位科學(xué)家也因在二維石墨烯材料的突出貢獻(xiàn),獲得了2010年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)的桂冠。石墨烯可以薄到只有一個(gè)碳原子的厚度,是目前已知的世界上最薄、最強(qiáng)、導(dǎo)熱性最好且擁有強(qiáng)大柔韌性的納米材料;它的強(qiáng)度比鋼還要高100倍;還具有優(yōu)異的導(dǎo)電性。

        添加適量的石墨烯能使石墨烯高分子納米復(fù)合材料的尺寸穩(wěn)定性、韌性、耐熱性和力學(xué)性能同時(shí)得到顯著提高。石墨烯復(fù)合鎂基材料與商用AZ31鎂合金材料相比,20 ℃的磨損體積減小了89%[6],與齒輪用WC-Co復(fù)合材料相比,添加10 vol%石墨烯后,試樣的熱疲勞壽命增加209%[7],大量的理論和實(shí)驗(yàn)證明,石墨烯高分子納米復(fù)合材料憑借其高強(qiáng)度、高耐磨、高耐熱的特點(diǎn)在體育器材領(lǐng)域有著重要的潛在應(yīng)用價(jià)值。

        1.2 尼龍纖維復(fù)合材料

        1960年前后,為了提高尼龍的耐熱性,杜邦公司等開(kāi)始芳香族聚酰胺的研究。主要產(chǎn)品有兩種,一是聚間苯二甲酰間苯二胺 (Nomex纖維),另外一種是聚對(duì)苯二甲酰對(duì)苯二胺(Kevlar纖維)。Nomex纖維結(jié)構(gòu)中苯環(huán)的存在使分子鏈不能內(nèi)旋轉(zhuǎn),較強(qiáng)的極性酰胺基在分子鏈之間形成氫鍵,增大了分子鏈之間的作用力,苯環(huán)與酰胺基之間又可形成共軛體系。因而,聚合物分子鏈具有很大剛性,可以使聚合物具有以下優(yōu)良的性能特點(diǎn),高耐熱、高強(qiáng)度、高剛度、耐化學(xué)腐蝕、耐高能輻射、難燃、耐潮濕等。Kevlar纖維結(jié)構(gòu)中分子鏈交替地由苯撐基和極性酰胺基組成,且都呈高密度分布;酰胺基與苯環(huán)又可以形成共軛體系;特別是苯撐基比間位苯基對(duì)分子鏈變剛性的影響更大。剛性苯環(huán)及高密度氫鍵使聚合物的玻璃化溫度在345 ℃以上,熱分解溫度達(dá)到560 ℃,模量是鋼鐵的3.5倍,而密度卻是其五分之一,斷裂強(qiáng)度也遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于其他材料;同時(shí),使聚合物具有質(zhì)量輕、抗沖擊能力強(qiáng)、耐高溫、耐腐蝕、阻燃、膨脹系數(shù)小、韌性大的特點(diǎn)[8]。

        使用芳香尼龍制成的三維紡織織物復(fù)合材料具有高強(qiáng)度,抗沖擊性好的優(yōu)點(diǎn),并廣泛應(yīng)用于運(yùn)動(dòng)防護(hù)工具,如防護(hù)服、防護(hù)手套、護(hù)腿板、護(hù)膝等。使用芳香尼龍制成的繩索廣泛用于滑水繩、滑翔傘繩、降落傘及攀登的繩索等,主要應(yīng)用的是芳香尼龍的高強(qiáng),尺寸穩(wěn)定性好,耐磨,耐潮濕的優(yōu)良特性[9]。

        高抗沖尼龍,超韌尼龍Zytel ST(由EPDM增韌PA66),一種由0.1 μm~1.0 μm直徑的彈性體均勻分布在PA66基體內(nèi),組成了分散的兩相結(jié)構(gòu)。其沖擊強(qiáng)度達(dá)到了900 J/m~1 020 J/m,為 PA66的十幾倍,同時(shí)保留了尼龍本身的耐化學(xué)性、撓曲性和耐磨性,也廣泛用于運(yùn)動(dòng)防護(hù)工具,除具有高強(qiáng)度,不易蠕變,耐磨等優(yōu)良特性外,添加柔韌的彈性體制備的防護(hù)工具佩戴舒適,質(zhì)量輕,透氣性好,還具有防震功能。

        1.3 不飽和聚酯復(fù)合材料

        20世紀(jì)40年代初,英國(guó)的J.R.Whenfield和J.T.Dikeon參閱了美國(guó)杜邦公司關(guān)于脂肪族二元酸與二元醇合成聚酯的論文,以對(duì)苯二甲酸和乙二醇為原料,在實(shí)驗(yàn)室中成功地合成了聚對(duì)苯二甲酸乙二醇酯,并制成了聚酯纖維。于1946年發(fā)表了世界上第一個(gè)生產(chǎn)聚酯纖維的專利。不飽和聚酯樹脂是指分子鏈上具有不飽和鍵(如雙鍵)的聚酯高分子,先由二元酸與二元醇發(fā)生酯化反應(yīng)制成線型聚酯,再溶解于一定量的交聯(lián)單體(如苯乙烯)進(jìn)行交聯(lián)固化,得到體型結(jié)構(gòu)的不飽和聚酯,為熱固性樹脂。不飽和聚酯的澆筑產(chǎn)品可以用于多種運(yùn)動(dòng)器材,包括網(wǎng)球拍、雙杠、單杠、助跳板、賽艇、道具、魚竿、保齡球等[10]。

        1.4 碳纖維復(fù)合材料

        碳纖維主要是由碳元素組成的一種特種纖維,其含碳量隨種類不同而異,一般在90%以上。碳纖維具有一般碳素材料的特性,如耐高溫、耐摩擦、導(dǎo)電、導(dǎo)熱及耐腐蝕等,但與一般碳素材料不同的是,其外形有顯著的各向異性、柔軟、可加工成各種織物,沿纖維軸方向表現(xiàn)出很高的強(qiáng)度。碳纖維比重小,因此有很高的比強(qiáng)度。現(xiàn)在的F1(世界一級(jí)方程錦標(biāo)賽)賽車,車身大部分結(jié)構(gòu)都用碳纖維材料。頂級(jí)跑車的一大賣點(diǎn)也是周身使用碳纖維,用以提高氣動(dòng)性和結(jié)構(gòu)強(qiáng)度。如今使用的第四代撐桿主要是采用碳纖維復(fù)合材料制成,可以保證撐桿柔韌結(jié)實(shí)又不會(huì)斷裂扭結(jié),大幅度提高了運(yùn)動(dòng)員的成績(jī)。具有高阻尼特性的碳纖維復(fù)合材料也廣泛應(yīng)用于高爾夫球桿,減輕自重10%~40%,可使擊球時(shí)間延長(zhǎng),球被擊得更遠(yuǎn)。大型網(wǎng)球拍需要采用重量輕,比強(qiáng)和比模大的碳纖維復(fù)合材料來(lái)制造,可以使網(wǎng)球獲得較大的初始速度。比賽專用的自行車多個(gè)部位,如車構(gòu)架,曲軸及座位支架等均使用碳纖維復(fù)合材料制成,賦予車體良好的剛性和減震性能[11-13]。

        1.5 環(huán)氧樹脂復(fù)合材料

        環(huán)氧樹脂是指在分子結(jié)構(gòu)中含有2個(gè)或2個(gè)以上環(huán)氧基團(tuán),在適當(dāng)?shù)脑噭┳饔孟履軌蚪宦?lián)成三維網(wǎng)狀固化物結(jié)構(gòu)的一類重要的熱固性樹脂。90%以上是雙酚A型環(huán)氧樹脂,即由雙酚A和環(huán)氧氯丙烷進(jìn)行縮聚的產(chǎn)物。環(huán)氧樹脂的分子結(jié)構(gòu)中有脂肪族羥基、醚鍵和環(huán)氧基存在,這些極性基能與金屬和硅酸鹽等材料的極性表面產(chǎn)生較強(qiáng)的分子間作用力;特別是環(huán)氧基可以和含有活性氫的材料表面產(chǎn)生化學(xué)鍵;同時(shí),醚鍵的存在使樹脂的分子鏈柔順性較好,有利于在材料表面層的擴(kuò)散。因此,環(huán)氧樹脂的黏著性很強(qiáng),有“萬(wàn)能膠”之稱。環(huán)氧樹脂跑道能夠提高運(yùn)動(dòng)員的蹬地力量,加快步幅和步頻,從而提高運(yùn)動(dòng)員的成績(jī)。環(huán)氧樹脂涂料用于室內(nèi)場(chǎng)地的鋪設(shè),具有較好的柔韌性、彈性和緩沖性,在一定程度上能夠減緩地面對(duì)運(yùn)動(dòng)員的腳踝,膝關(guān)節(jié)等部位的沖擊,極大保護(hù)了運(yùn)動(dòng)員的身體,并且材料還具有一定的消音性,減少了比賽過(guò)程中的噪音干擾[14]。

        2 結(jié)語(yǔ)

        我國(guó)對(duì)于新材料的研發(fā)和使用與歐美發(fā)達(dá)國(guó)家仍有很大差距。隨著科技的進(jìn)步,新材料會(huì)被更多人認(rèn)識(shí)和接受,價(jià)格也會(huì)隨之下降,與此同時(shí),其在體育器材中的應(yīng)用會(huì)更加普遍。因此,國(guó)家在發(fā)展競(jìng)技體育的同時(shí),也必須高度重視高新材料的開(kāi)發(fā),改性和利用,體育事業(yè)才能實(shí)現(xiàn)更快更好的發(fā)展。隨著人們個(gè)性化需要的不斷加大,未來(lái)體育器材會(huì)向個(gè)性化、智能化方向發(fā)展,同時(shí),環(huán)境友好型、可降解型體育器材用新材料會(huì)越來(lái)越受到人們的關(guān)注。

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