李 娟

(陜西國防工業(yè)職業(yè)技術學院,陜西西安 710300)

在日常生活水平不斷提高的趨勢下,人們開始高度重視健康問題,因此在空閑時間經(jīng)常會健身鍛煉,以此推動了體育健身器材行業(yè)的發(fā)展。而傳統(tǒng)體育健身器材多數(shù)都是以普碳鋼為主要材料,但是在遇到水時很容易腐蝕,再加上太陽光照射,器材壽命便會迅速縮減,甚至會影響人們的生命安全,以此便衍生了塑料復合材料[1]。相較于傳統(tǒng)體育器材,塑料復合材料制體育健身器材的耐磨損性能較優(yōu),使用壽命較長,這也就造就了其復雜的生產(chǎn)工藝,產(chǎn)量較小且價格高,由長遠角度來講,所生成的綜合效益非常值得期待[2]。

1 體育健身器材用塑料復合材料

1.1 不飽和聚酯材料

UP 為透明狀或不透明狀固體,柔韌性與耐酸性較好,但是耐光性與耐熱性較差[3],以此一般會將其與纖維材料復合應用,在皮劃艇身構造中的應用較為常見,另外,通過纏繞成型工藝可制造高爾夫球棒。

1.2 環(huán)氧樹脂材料

EP的力學性能良好,可抵抗外界腐蝕,且固化體系完善[4],由于固化劑不同所構成環(huán)氧樹脂材料性能也存在一定差異,在實際應用時應基于實際需求以明確最佳固化體系。環(huán)氧樹脂與纖維增強材料復合使用也相對可行,以纏繞成型工藝可制備弓箭等體育健身器材。

1.3 碳纖維增強復合材料

CFRP 屬于無機高分子纖維材料[5],在體育器材領域深受歡迎,且多層次代替金屬材料,質(zhì)輕且高強。目前體育運動設施與健身器材選擇主要以復合材料為主,而碳纖維增強復合材料所占比重最大。

2 體育健身器材用塑料復合材料性能

針對不飽和聚酯材料、環(huán)氧樹脂材料、碳纖維增強復合材料三種塑料復合材料進行性能分析比較。

2.1 力學性能

利用電子萬能試驗機進行材料拉伸性能測試；利用沖擊試驗機進行材料沖擊性能測試[6]。拉伸性能測試即通過計算機控制拉伸速度,基于衛(wèi)星測力傳感器檢測材料拉伸強度,基于位移傳感器檢測材料斷裂伸長率,基于增量變化計算彈性模量；沖擊性能測試即合理設置沖擊能量測試沖擊強度。塑料復合材料力學性能測試結果具體見表1。

由表1 可以看出,相比不飽和聚酯樹脂材料與環(huán)氧樹脂材料,碳纖維增強樹脂材料的拉伸強度、彈性模量與沖擊強度更高,但是斷裂伸長率偏低。在體育健身器材選材時,需要選擇力學性能最佳且均衡的材料,可在塑料復合材料中添加輔助劑,以確保最大程度上滿足多元化選材需求。

2.2 耐腐蝕性能

將UP、EP、CFRP 材料分別浸泡在試驗混合溶液(鹽堿溶液)內(nèi),時長為4 周,1 周記錄一次實時變化,結果見表2。

表2 塑料復合材料在鹽堿溶液中的變化Table 2 Changes of plastic composites in saline-alkali solution

由表2 可以看出,環(huán)氧樹脂的耐腐蝕性最優(yōu),而碳纖維增強樹脂的耐腐蝕性最差。在經(jīng)過4 周腐蝕后,三種材料都出現(xiàn)了一定程度的腐蝕,但是由于常用健身器材長時間暴露在自然環(huán)境下,自身耐腐蝕性就很好,所以即使在惡劣環(huán)境下使用,也可進行適度處理,應用耐腐蝕鍍層,以延長其使用壽命。

3 塑料復合材料在體育健身器材中的實際應用

3.1 在水上器材中的應用

對于船體而言,所用材料必須具備較高強度與剛度,所以通常會選擇纖維增強塑料復合材料。而高性能纖維材料可提升復合材料比強度與比模量,即碳纖維材料。在帆船船板制造中常用材料有聚苯乙烯、聚碳酸酯、ABS 等熱塑性樹脂基材,而環(huán)氧樹脂與聚氨酯等熱固性材料的應用也十分常見。在增強材料中通常會選擇玻璃纖維、碳纖維、石墨纖維、芳綸纖維等。沖浪板與滑水板等器材中,外層一般會選用纖維增強塑料與聚氨酯泡沫復合材料,內(nèi)層經(jīng)常使用乙烯基樹脂與聚氯乙烯復合材料[7]。

3.2 在球類中的應用

高爾夫球一般均使用發(fā)泡離子樹脂,球棒則選擇碳纖維增強塑料,內(nèi)層填充物通常利用聚氨酯發(fā)泡材料。纖維增強塑料復合材料還可制成壘球棒,當前性能最佳的壘球棒是以硬質(zhì)相聚氨酯泡沫材料與玻璃纖維增強塑料所制造而成的,使得球棒質(zhì)輕高強,且使用壽命較長。目前高檔球拍制作以碳纖維增強環(huán)氧樹脂或玻璃纖維增強環(huán)氧樹脂材料為主,在球拍使用時受力復雜,因此要求球拍彎曲強度、扭曲剛性與強度較高。纖維增強樹脂復合材料不僅質(zhì)輕,且比強度與比模量高,可確保球拍使用過程中不會發(fā)生變形。而纖維增強塑料復合材料減震吸能效果顯著,可保證球拍使用的舒適性。

3.3 在滑板中的應用

滑板是基于支架、輪子、板體、砂紙等共同構成的,當前以聚氨酯材料為主要原料?；遢喿涌梢跃郯滨ミm度用量控制硬度,以適應不同類型路面；板體則選擇聚丙烯與聚碳酸酯,以其力學性能優(yōu)勢可滿足不同載荷下板體都不會變形損壞的要求[8]。

3.4 在自行車中的應用

自行車制造時一般會批量利用塑料復合材料,以提高使用性能,減輕車身質(zhì)量。其一,主要以樹脂基復合材料提高自行車附加值,減輕車身質(zhì)量,在車架與車輪部位的應用比較常見；其二,主要以熱塑性塑料制作微型自行車,以注塑成型工藝批量生產(chǎn)。自行車用塑料復合材料[9]可見表3。

表3 自行車用塑料復合材料Table 3 Plastic composite materials for bicycles

3.5 在運動場跑道中的應用

體育運動場用塑膠跑道的減震性與防滑性良好,且美觀,主要以沙子、乙烯-乙酸乙烯酯共聚物構成過渡層,以橡膠顆粒、乙烯-乙酸乙烯酯構成塑膠層,以聚丙烯酸酯構成墊底層?；诟男跃郯滨ゲ牧系倪\動場跑道具備低毒性與環(huán)境友好性雙重優(yōu)勢[10]。而納米改性聚氨酯材料的強度與彈性更高,且耐老化性與耐磨性良好,以無機離子改性處理的聚氨酯復合材料,拉伸強度與斷裂伸長率較高,阻燃性與耐熱性更優(yōu)。

3.6 在撐桿中的應用

在撐桿跳運動中,撐桿主要以玻璃纖維增強尼龍材料制作,后續(xù)以碳纖維增強樹脂材料逐漸代替,發(fā)展為最佳撐桿材料,其彈性形變能力非常強大,儲能優(yōu)勢顯著,彈性勢能轉(zhuǎn)換成動能的效率更佳。

4 結語

塑料復合材料以其自身獨特性能優(yōu)勢在體育健身器材領域深受青睞。本文通過對不飽和聚酯材料、環(huán)氧樹脂材料、碳纖維增強復合材料三種塑料復合材料進行性能比較發(fā)現(xiàn),相比不飽和聚酯樹脂材料與環(huán)氧樹脂材料,碳纖維增強樹脂材料的拉伸強度、彈性模量與沖擊強度更高,斷裂伸長率偏低,但整體力學性能最佳,在體育健身器材選材時,需要選擇力學性能最佳且均衡的材料,因此可在塑料復合材料中添加輔助劑,以確保最大程度上滿足多元化選材需求；環(huán)氧樹脂的耐腐蝕性最優(yōu),可延長體育健身器材使用壽命。綜上,塑料復合材料將會是體育健身器材的主流方向,在技術水平不斷提高的視域下,其將變得更加多元化,發(fā)展前景良好。