郭攀

摘 要：高分子化工新材料的應(yīng)用與發(fā)展，是體育器材性能不斷優(yōu)化與改善的基礎(chǔ)。文章針對(duì)當(dāng)前體育器材制備領(lǐng)域常用的幾種高分子化工材料進(jìn)行分析，總結(jié)了這些高分子化工新材料的性能優(yōu)勢(shì)。對(duì)高分子化工新材料如何影響體育器材發(fā)展進(jìn)行總結(jié)，著重分析了高分子化工新材料體育器材領(lǐng)域的智能化、節(jié)能環(huán)保化等發(fā)展方向。

關(guān)鍵詞：體育器材;智能化發(fā)展;芳綸纖維;碳纖維

中圖分類(lèi)號(hào)：TQ050.4+22?????? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)：1001-5922（2022）01-0154-04

Study on the intelligent development of new polymer chemical material sports equipment field

GUO Pan

（Xi′an Traffic Engineering Institute，Xi′an 710300，China）

Abstract：The application and development of new polymer chemical materials is the basis for the continuous optimization and improvement of the performance of sports equipment.In this paper，several polymer chemical materials that commonly used in the field of sports equipment preparation were analyzed，and the performance advantages of these new polymer chemical materials were summarized.This paper studied how the new polymer chemical materials affected the development of sports equipment，and analyzed the development direction of intelligent，energy saving and environmental protection in the field of sports equipment.

Key words：sports equipment;intelligent development;aramid fiber;nylon fiber;carbon fiber

體育器材種類(lèi)繁多，對(duì)應(yīng)上游原材料的來(lái)源也頗為豐富，當(dāng)前應(yīng)用較多的有木材、金屬及合金、橡膠、皮革以及各類(lèi)型高分子復(fù)合材料等。隨著現(xiàn)代的科技的不斷進(jìn)步以及體育產(chǎn)業(yè)整體不斷壯大，越來(lái)越多的高分子化工新材料開(kāi)始逐漸普及，碳纖維、芳綸纖維等材料制備而成的體育器材價(jià)格也逐漸親民化，為高分子化工新材料在體育器材領(lǐng)域的普及和更加長(zhǎng)遠(yuǎn)的發(fā)展奠定了基礎(chǔ)。高分子化工新材料憑借自身優(yōu)異的綜合性能優(yōu)勢(shì)或單一性能優(yōu)勢(shì)，很大程度影響著現(xiàn)代體育器材、體育服飾以及體育場(chǎng)地的發(fā)展。目前，在體育器材制備領(lǐng)域應(yīng)用較多的高分子化工新材料有芳綸纖維材料、碳纖維復(fù)合材料等。體育器材領(lǐng)域的發(fā)展其本質(zhì)是科技的發(fā)展，體育用品企業(yè)的發(fā)展，需著力于新材料研發(fā)，為此通過(guò)開(kāi)發(fā)更加環(huán)保、性能更加優(yōu)異的新材料并將其應(yīng)用于體育器材中[1]。

1 高分子化工新材料的分類(lèi)及其優(yōu)勢(shì)

1.1 材料分類(lèi)

高分子化工新材料，指的是一類(lèi)以高分子化合物為基礎(chǔ)或核心，通過(guò)一系列物化手段制備而成的材料。圖1所示為不同分類(lèi)規(guī)則下高分子化工新材料的分類(lèi)情況。

然而，并不是所有高分子材料都能用于體育器材的制備。通常情況下，體育器材要求高分子新材料需要具備某一方面較為突出的物化性能、盡量低的生產(chǎn)和加工成本以及較強(qiáng)的環(huán)保優(yōu)勢(shì)等。因此，當(dāng)前體育器材領(lǐng)域最常用且發(fā)展前景最佳的高分子化工新材料主要有芳綸纖維材料、尼龍纖維復(fù)合材料、碳纖維材料、不飽和聚酯復(fù)合材料等[2]。

1.2 高分子化工新材料性能優(yōu)勢(shì)

1.2.1 芳綸纖維材料

芳綸纖維即芳香族聚酰胺纖維。芳綸材料本身具有質(zhì)地柔軟、密度小等特點(diǎn)，利用芳綸材料制備運(yùn)動(dòng)服飾能夠?yàn)檫\(yùn)動(dòng)員提供較為舒適的穿著感。同時(shí)，芳綸纖維的強(qiáng)度高、能夠保證在較高溫度的外部環(huán)境下不分解、不融化，能夠提供較長(zhǎng)的運(yùn)動(dòng)服飾使用壽命周期。芳綸纖維是目前最佳的防刺面料纖維材料之一，在射擊運(yùn)動(dòng)、射箭運(yùn)動(dòng)以及擊劍運(yùn)動(dòng)中均多有使用。與碳纖維等材料相比具有伸長(zhǎng)率高、耐局部沖擊能力強(qiáng)等優(yōu)勢(shì)。

1.2.2 尼龍纖維材料

體育領(lǐng)域常用的尼龍纖維復(fù)合材料主要由兩大類(lèi)：①Nomex 纖維。由于其纖維結(jié)構(gòu)中存在苯環(huán)，導(dǎo)致該纖維材料中的分子鏈無(wú)法進(jìn)行內(nèi)旋轉(zhuǎn)，又由于纖維結(jié)構(gòu)中的極性酰胺基的存在，促使該纖維材料分子鏈上形成了一定數(shù)量的氫鍵;氫鍵的存在會(huì)很大程度增強(qiáng)該纖維材料分子鏈之間的作用力，給Nomex 纖維提供了較強(qiáng)的剛性。同時(shí)，由于苯環(huán)與酰胺基兩部分之間會(huì)形成共軛體系，又進(jìn)一步增強(qiáng)該纖維材料的綜合性能。Nomex 纖維具有典型的高耐熱、高強(qiáng)度、高化學(xué)穩(wěn)定性，是一種廣泛應(yīng)用于運(yùn)動(dòng)服飾、各類(lèi)型繩索、賽車(chē)部件等領(lǐng)域的纖維材料。②Kevlar 纖維。其纖維結(jié)構(gòu)中苯及酰胺基的存在會(huì)使纖維材料分子鏈不斷交替，是分子鏈中的苯和酰胺基成分的密度增大，加上苯環(huán)與酰胺基兩部分之間形成共軛體系的存在，Kevlar 纖維的剛性、強(qiáng)度、化學(xué)穩(wěn)定性等較為優(yōu)異，通常Kevlar 纖維材料的模量能夠達(dá)到一般鋼材的3.5倍左右，但密度通常僅為一般鋼材的20%左右。Kevlar 纖維被廣泛應(yīng)用于防護(hù)服、防護(hù)手套、鞋繩、各類(lèi)型繩索等的制備[3]。

1.2.3 碳纖維復(fù)合材料

碳纖維復(fù)合材料是一種被廣泛應(yīng)用于體育器材加工制備領(lǐng)域的高分子復(fù)合材料，碳纖維復(fù)合材料密度普遍低于金屬鋁，碳纖維材料的密度通常僅有1.76～1.80 g/cm3，所制備的復(fù)合材料的密度通常也不會(huì)超過(guò)1.60 g/cm3;然而材料的整體強(qiáng)度卻比體育器材中常用木材、鋼材高，其比強(qiáng)度、比模量?jī)?yōu)勢(shì)等均非常明顯，非常適合替代傳統(tǒng)體育器材中的木材、金屬材料，例如羽毛球拍、網(wǎng)球拍，滑雪板中的部分結(jié)構(gòu)等。此外，碳纖維復(fù)合材料的疲勞強(qiáng)度較高，在經(jīng)過(guò)上百萬(wàn)次循環(huán)應(yīng)力疲勞試驗(yàn)以后，碳纖維復(fù)合材料的強(qiáng)度保留率仍然能夠達(dá)到原材料的60%以上;而相同試驗(yàn)條件下鋁材僅能保持30%左右的原材料強(qiáng)度。較高的疲勞強(qiáng)度能夠極大地延長(zhǎng)體育器材的使用壽命，保證使用者在使用該器材時(shí)不會(huì)因器材變形、斷裂等發(fā)生危險(xiǎn)。

2 高分子材料對(duì)競(jìng)技體育發(fā)展影響

2.1 運(yùn)動(dòng)器材領(lǐng)域

運(yùn)動(dòng)器材與競(jìng)技體育之間為相互依存、相互促進(jìn)的關(guān)系，性能優(yōu)異、安全可靠的運(yùn)動(dòng)器材能夠一定程度上提升運(yùn)動(dòng)員競(jìng)技水平;而運(yùn)動(dòng)水平的全面提升又會(huì)向運(yùn)動(dòng)器材提出更多的制備要求，反過(guò)來(lái)促進(jìn)運(yùn)動(dòng)器材的發(fā)展。運(yùn)動(dòng)器材的發(fā)展實(shí)際上是以材料科技為基礎(chǔ)，以人體力學(xué)等科學(xué)為輔助而發(fā)展的。在高分子材料誕生以來(lái)，已經(jīng)對(duì)運(yùn)動(dòng)器材的發(fā)展起到了巨大的作用[4]。

2.1.1 運(yùn)動(dòng)鞋

運(yùn)動(dòng)鞋的覆蓋面極廣，包含籃球、足球、冰上運(yùn)動(dòng)、短跑、長(zhǎng)跑鞋等多種類(lèi)型。使用高分子材料制備運(yùn)動(dòng)鞋，已經(jīng)成為當(dāng)前運(yùn)動(dòng)器材領(lǐng)域最為常見(jiàn)的現(xiàn)象，運(yùn)動(dòng)鞋的發(fā)展極大地影響了競(jìng)技體育的發(fā)展。

以籃球運(yùn)動(dòng)鞋為例?，F(xiàn)代籃球鞋鞋面材料基本經(jīng)歷了帆布-天然皮革-合成皮革3個(gè)發(fā)展階段。目前大多數(shù)中高端籃球鞋的鞋面材料均采用超細(xì)纖維合成革制備而成，這種材料強(qiáng)度大、透氣性高、質(zhì)量輕，在應(yīng)用于籃球鞋領(lǐng)域之后極大地提升了運(yùn)動(dòng)員穿著舒適程度和透氣性。超細(xì)纖維合成革較高的材料強(qiáng)度，也能夠?yàn)榛@球運(yùn)動(dòng)員提供絕佳的包裹感和穩(wěn)定性，運(yùn)動(dòng)員在進(jìn)行激烈的對(duì)抗、大幅度的運(yùn)球變向時(shí)，鞋面材料能夠很好地支撐運(yùn)動(dòng)員足部，使運(yùn)動(dòng)員能夠更好地發(fā)力，同時(shí)也能夠有效避免因動(dòng)作過(guò)大帶來(lái)的運(yùn)動(dòng)損傷[5]?；@球鞋的鞋底材料最初使用硫化橡膠制備而成，此時(shí)的籃球鞋鞋底由于缺乏足夠的支撐性和彈性，運(yùn)動(dòng)員并不能盡全力起跳。國(guó)外某品牌率先將碳纖維復(fù)合材料支撐碳纖維板，用于籃球鞋的足弓或全腳掌中，起到抗扭轉(zhuǎn)提供穩(wěn)定性的作用。在籃球運(yùn)動(dòng)員大幅度變向的時(shí)候，鞋底會(huì)變形而碳板可以在此時(shí)控制抑制形變，能夠?yàn)榛@球運(yùn)動(dòng)員提供強(qiáng)力的足部支撐，同時(shí)有效防止損傷腳底。

2.1.2 球拍、桿等

碳纖維等高分子復(fù)合材料具有絕佳的力學(xué)性能，且密度更低，極為適合加工成球拍、球棒以及球桿等規(guī)則狀體育器械，能夠大幅提升該器械的使用手感和綜合性能[6]。

以網(wǎng)球球拍為例。傳統(tǒng)的網(wǎng)球球拍多為木質(zhì)或鋁合金材質(zhì)，具有質(zhì)量大、容易損壞、不能承受較高的網(wǎng)線張力等缺點(diǎn)。尤其鋁合金材質(zhì)的球拍在擊球時(shí)的振動(dòng)極為劇烈，擊球手感較差。而使用碳纖維材料制備而生的網(wǎng)球拍，能夠大幅降低同等規(guī)格網(wǎng)球球拍的質(zhì)量，這得益于碳纖維材料優(yōu)異的力學(xué)性能，能夠?yàn)榫W(wǎng)球運(yùn)動(dòng)員提供絕佳的擊球手感，同時(shí)由于材料本身抗沖擊性能和阻尼性均較好，在大幅降低擊球振動(dòng)的同時(shí)能夠有效緩解運(yùn)動(dòng)員手腕處壓力，降低運(yùn)動(dòng)員運(yùn)動(dòng)損傷幾率。

2.2 運(yùn)動(dòng)服飾領(lǐng)域

高分子復(fù)合材料中包含了大量的纖維材料，這些纖維材料中的芳綸、聚氨酯纖維、超細(xì)尼龍纖維材料等，是運(yùn)動(dòng)服飾領(lǐng)域成果應(yīng)用極好的材料[7]。

以競(jìng)技泳衣為例，最初的競(jìng)技泳衣與一般泳衣并無(wú)明顯差異，均采用棉質(zhì)材料加工而成。但隨著材料科技的飛速發(fā)展以及運(yùn)動(dòng)員對(duì)新材料泳衣需求的增大，尼龍、仿鯊魚(yú)皮材質(zhì)的化工新材料開(kāi)始逐漸應(yīng)用于競(jìng)技泳衣的制備領(lǐng)域。仿鯊魚(yú)皮泳衣是一種以防氧彈性紗和特細(xì)尼龍紗為基礎(chǔ)材質(zhì)，按照類(lèi)似鯊魚(yú)皮微結(jié)構(gòu)紡織而成的面料。2007年問(wèn)世的第3代仿鯊魚(yú)皮材質(zhì)泳衣在1年的時(shí)間里助力運(yùn)動(dòng)員21次打破世界紀(jì)錄。雖然2010年國(guó)際泳聯(lián)全面禁止了非天然紡織物制作的泳衣，但“快皮3”等新材料泳衣仍然層出不窮，并極大地影響著現(xiàn)代游泳運(yùn)動(dòng)的發(fā)展。

2.3 運(yùn)動(dòng)場(chǎng)地

20世紀(jì)70年代之前，我國(guó)大多數(shù)非專(zhuān)業(yè)競(jìng)技跑道均采用煤渣混合泥沙的形式鋪設(shè)而成。大多數(shù)學(xué)校、單位等不具備鋪設(shè)塑膠跑道的可能性[8]。然而，隨著高分子復(fù)合材料領(lǐng)域的發(fā)展，塑膠跑道等的鋪設(shè)成本逐漸降低，富有彈性、舒適感、安全性更好的塑膠跑道逐漸開(kāi)始普及。聚氨酯跑道的發(fā)明與普及，大幅提升了運(yùn)動(dòng)員開(kāi)展田徑項(xiàng)目時(shí)足部與地面的摩擦力，能夠使運(yùn)動(dòng)員的跑、跳等動(dòng)作更為理想，進(jìn)而獲得更好的競(jìng)技成績(jī)。同時(shí)，良好的地面緩沖也能夠?yàn)檫\(yùn)動(dòng)員提供更加優(yōu)異的地面反饋，降低運(yùn)動(dòng)員足部、膝部以及頸椎等部位受到的沖擊。

3 高分子化工新材料在體育領(lǐng)域的智能化發(fā)展

隨著全民健身熱潮的興起，我國(guó)體育發(fā)展水平和結(jié)構(gòu)都從單一開(kāi)始向多樣化發(fā)展?？萍夹g(shù)水平的提高，為體育器材領(lǐng)域帶來(lái)了全新的發(fā)展機(jī)遇，同時(shí)也推動(dòng)了體育領(lǐng)域朝智能和環(huán)保的方向發(fā)展。

3.1 智能化

科技的發(fā)展推動(dòng)了高分子化工新材料的出現(xiàn)和發(fā)展，促進(jìn)了體育器材領(lǐng)域的智能化發(fā)展。如體育領(lǐng)域的新型儲(chǔ)能纖維服裝，它可以減少其他因素對(duì)運(yùn)動(dòng)的影響，在一定程度上保證了運(yùn)動(dòng)成效;同時(shí)在環(huán)保上有了進(jìn)一步發(fā)展，它可以將運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的能量轉(zhuǎn)化為電能，再用于運(yùn)動(dòng)員的日常使用（電子設(shè)備充電）。將智能化玻璃纖維材料用于室內(nèi)體育場(chǎng)館的封頂，該材料完成的封頂可以根據(jù)天氣的變化控制室內(nèi)的采光。某些具有編程功能的運(yùn)動(dòng)服裝通過(guò)添加微電子系統(tǒng)，能夠通過(guò)傳感器、計(jì)算機(jī)等隨時(shí)掌握運(yùn)動(dòng)員身體特征變化，為運(yùn)動(dòng)員團(tuán)隊(duì)提供更加豐富的運(yùn)動(dòng)員身體數(shù)據(jù)，從而為運(yùn)動(dòng)員提供更好、更科學(xué)的訓(xùn)練計(jì)劃等。部分科研人員研發(fā)出了一種彈性超強(qiáng)、可自修復(fù)且能通過(guò)電壓控制動(dòng)作的新材料，這種材料能夠由25.4 cm被拉伸到254 cm以上，具有極強(qiáng)的自我修復(fù)功能，是一種極為理想的人工肌肉材料。運(yùn)動(dòng)員在出現(xiàn)運(yùn)動(dòng)損傷以后，可以將該材料作為肌肉纖維的替代品，降低傷病對(duì)自身的影響[9]。

3.2 節(jié)能環(huán)?；?/p>

節(jié)能、環(huán)保、普及綠色可持續(xù)發(fā)展理念，是當(dāng)前我國(guó)社會(huì)各行各業(yè)發(fā)展的基本公式;同時(shí)，也是維持我國(guó)社會(huì)全面、可持續(xù)發(fā)展的重要基礎(chǔ)。高分子復(fù)合材料本身具有一定的環(huán)保優(yōu)勢(shì)，但其生產(chǎn)與制備環(huán)節(jié)會(huì)形成一定的污染。作為對(duì)高分子復(fù)合材料依賴(lài)程度極高的體育領(lǐng)域，應(yīng)積極開(kāi)展綠色生產(chǎn)，引進(jìn)節(jié)能環(huán)保生產(chǎn)設(shè)備等開(kāi)展綠色可持續(xù)生產(chǎn)，持續(xù)優(yōu)化高分子復(fù)合材料的節(jié)能性和環(huán)保型。

4 結(jié)語(yǔ)

綜上所述，高分子復(fù)合材料、化工新材料對(duì)體育領(lǐng)域的影響極大，體育產(chǎn)業(yè)對(duì)新材料的依賴(lài)性也較高[10]。在全民健身背景下，體育領(lǐng)域應(yīng)用高分子復(fù)合材料的程度將會(huì)越來(lái)越廣泛，通過(guò)分析高分子材料對(duì)體育器材制備領(lǐng)域的影響，能夠理清高分子材料與體育產(chǎn)業(yè)的關(guān)系，為體育產(chǎn)業(yè)發(fā)展、高分子材料領(lǐng)域發(fā)展提供借鑒。

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