体育设施和运动器械用塑料及复合材料的选材

　　塑料选材与应用讲座（第十二讲）体育设施和运动器械用塑料及复合材料的选材李忠明杨鸣波黄锐（四川大学高分子材料科学与工程系'成都610065）例及应用现状等方面进行了阐述a现代体育运动正朝着“更快、更高、更强”的方向发展11\这就要求体育设施和运动器械也要适应体育运动的发展。体育设施和运动器械的优劣直接影响运动项目的普及程度及运动水平，而材料是决定体育设施、运动器械优劣最重要的因素。目前，体育设施、运动器械应用材料的情况是：多种材料混杂使用，塑料和先进复合材料的应用领域正在扩大。笔者就塑料及复合材料在体育设施和运动器械方面应用时选材原则、制品品种、适用塑料、选材实例及应用情况作-介绍：1选材原则用于体育设施和运动器械的塑料及复合材料首先须满足制品的基本使用性能，如有一定的强度和韧性等；其次力求在以下几个方面进行改善。

　　1.1质轻多数运动器械是靠人力来使其运动，因此要求器械越轻越好，如自行车、运动鞋（包括跑鞋）、运动衣（包括游泳衣）、赛艇、皮划艇、桨、撑杆、滑雪板、冰鞋等；即使一些靠机械力等来使其运动的器械，在功率一定的情况下，仍以轻质的材料为好，如赛车、马鞍、电碰车、电动游乐船等。至于体育设施，质轻能使安装、拆卸及维修都极为方便，而且轻质材料往往阻尼减振性好。这些是跑道、体育场馆地板所要求的。轻质是塑料及复合材料的一个显著特点，但不同塑料及复合材料的密度也有差别，一般说来，复合材料的密度稍大于塑料。

　　1.2强度高、韧性好如前所述，多数运动器械要求质轻，降低材料密度是减重的-个重要方法。此外，若材料本身强度高，则可在达到相同的力学性能的条件下减少材料的用量，从而实现运动器械轻量化。特别是具有突出比强度、比模量、比韧性（性能与质塌：之比）的材料更适合在运动器械和体育设施上使用。尽管钢、铝等金属有较好的力学性能，但比强度、比模量就远不及树脂基纤维增强复合材料。如碳纤增强环氧树脂的比强度是钢的58倍，是铝合金的46倍，是钛合金的3~5倍；其比模1达到钢、铝、钛的46倍⑵。所以在要求强度和模量相同的条件下，采用树脂基复合材料时，其制品就大为减轻。

　　1.3耐老化性好多数沐育设施和运动器械在户外使用，受到太阳光、紫外线的照射，大气中氧、臭氧和某些酸性气体的作用，雨水的浸蚀，以及高低温的交替作用（白天与夜晚、夏天与冬天），使耐候性较差的材料发生老化、表面龟裂及颜色变暗等。这就要求所用的塑料及复合材料具有良好的耐老化性。尤其是露天体育场馆的设施，如跑道、场馆地板、滑雪场的围栏等，这种要求更为强烈。

　　1.4成型加工性好良好的成型加工性是塑料及复合材料制作体育设施和运动器械的一个基本条件。一般说来，热塑性塑料及其合金可用吹塑、挤出、注塑、热成型等方法加工成型，比较容易。

　　而先进复合材料（不管是热塑性树脂基复合材料还是热固性树脂基复合材料）的成型就要困难得多。但随着该领域成型技术的发展和具有良好加工性能树脂的不断开发，各式各样的制品总是可找到相应的方法成型。用于先进复合材料的成型技术主要有热压罐成型、真空袋成型、压力袋成型、压制成型、缠绕成型、拉拔成型、软模成型和树脂传递模塑成型当然，-般复合材料也常采用手糊成型、喷射成型、片状模塑（SMC）成型和层压成型，如制作游乐船和艇仍采用手糊成型技术。

　　1.5其它方面塑料及其复合材料在体育设施和运动器材中应用，除遵循上述原则外，还应考虑材料的阻尼性能、舒适性、卫生性及性能价格比等。

　　有的设施如体育场馆的地板、跳高用的缓冲垫、塑胶跑道等则需要良好的阻尼减振性；运动员所用器具如运动服饰等感觉舒适则可能提高运动成绩；卫生性是要求材料在使用过程中不散发有害、有毒或难闻的气味，它是提高运动员舒适性的一个重要指标。

　　性能价格比是研究和开发者需要重视的一个原则，性能好但价格昂贵的产品只能在高级别的运动比赛中使用，很难推广、普及。

　　2塑料及复合材料体育制品品种体育设施和运动器械的品种数以千计，其中绝大部分或多或少应用了塑料及树脂基复合材料，尤其以树脂基复合材料应用较为普遍。表1是常见的塑料及复合材料体育设施和运动器械。

　　表1常见的塑料及复合材料体育设施和运动器械制品类别主要材料成型方法备注赛艇艇身Kevlar布+EP蒙皮，Kev-lar纸蜂窝夹层；GFRP骨架手糊赛艇结构见。

　　最新的赛艇是EAA-ST-CN三聚物薄膜在ABS上共挤压形成薄板，然后在石墨一玻纤增强塑料壳体上真空成型并装配桨桨杆木质或泡沫夹层，CF或GF*缠绕水上运动器材皮艇滑艇艇身GF+UP；Kevlar-49+EP手糊滑艇桨桨杆CF+EP缠绕帆板及帆船见“选材实例”其它冲浪板乙烯基酯树脂+CF+PVC膜；纤维+ 50%GF+UP；外层rap+RJR泡沫塑料手糊；模塑；层压；缠绕滑水板水上摩托外层FRP+PUR泡沫塑料球类运动器材高尔球、棒棒GF+UPXF+EP等外层，内部填充泡沫塑料拉挤成型；缠绕，包括预湿带和纤维缠绕高尔夫球棒结构见球发泡的离子型树脂等发泡成型网球拍羽毛球拍骨架：CF+EP；GF+EP网：PA丝；Kevlar缠绕；拉挤早期多为木质和金属垒球棒硬质泡沫塑料+GM；CF增强硬质+CHIP；全CHIP缠绕垒球棒结构见保龄球UP；PUR-T（限于某些国产产品）洲棒球PC+PBT+m泡沫塑料注塑发泡娱乐器材钓鱼杆（+UP；5f、CF+EP缠绕GFRP易折断、抗震性差游乐船（+UP手糊吉他CF+EP缠绕、手糊1围棋UP+填料象棋热塑性塑料麻将UP+GF田径撑竿GF+EP；CF+EP；缠绕GF类已基本淘汰自行车见“选材实例”体育设施游泳池无捻玻纤布+UP手糊；层压电碰车GF+UP手糊层压滑梯速滑车运动场地板ABS蜂窝结构挤出、压制TW+废橡胶粉浇注体育场座椅邙+UKSMC）压制跑道见选材实例“其它弓箭GF+EP；CF+EP；EP胶粘剂缠绕；拉挤滑雪板板体ABS+PE下层；CF+EP结构层；PUR泡沫塑料手糊；发泡；RIM滑雪板结构见滑雪棒CF+EP；GF+rar缠绕；拉挤泳衣PA纺织护目镜PC注塑注：EP-环氧树脂；GTOP-玻纤增强塑料；CF―碳纤维；GF―玻璃纤维；UP―不饱和聚酯树脂；纤维增强塑料；*―聚氨酯；crap-碳纤增强塑料；―热塑性聚氨酯；PC―聚碳酸酯；塑性弹性体。

　　垒球棒结构滑雪板结构3适用塑料品种及特性几乎所有的热塑性塑料都能在体育设施和运动器械上应用，热塑性塑料的合金亦是如此。本讲座前面几讲都较详细地埤述了塑料及其合金性能，这里仅将在体育设施和运动器械中常用的几种热固性塑料和纤维增强塑料作一简要介绍。

　　3.1不饱和聚蘸固化后的不饱和聚酯（UP）是透明或不透明的坚韧固体，耐光性差，韧性好，易于着色，对酸和盐溶液稳定，可燃，耐热性较低，有较好的力学性能、耐腐蚀性和电气性能，可与绝大部分的增强剂复合，价格低廉。表2是几种体育设施和运动器械用复合材料中的树脂性能。

　　表2几种体育设施和运动器械用复合材料中的树脂性能项目拉伸强度/MPa弯曲强度/MPa压缩强度/MPa冲击强度/kJ*nT2耐热温度/t收缩率/%注：PDAP聚邻苯二甲酸二烯丙酯。

　　3.2环氧树脂EP固化物具有优异的力学性能、介电性、耐腐蚀性和粘接性，收缩率低，尺寸稳定性好（见表2）。由于EP、固化剂和改性剂的品种繁多，所能组合成固化体系配方繁多，固化物性能各异。

　　3.3聚邻苯二甲酸二烯丙酯PDAP有良好的力学性能（见表2），与玻璃纤维、碳纤维等纤维有很高的粘接强度。

　　4选材实例4.1自行车表3列出已在自行车上实际使用的塑料部件和具体使用的塑料品种。自行车使用塑料的发展趋势大致分为两个方向：其一是利用热固性树脂基复合材料（FRP）来减轻车重，提高附加值，用FRP取代金属材料制造高档次自行车和赛车的车架、车轮等部件。采用发泡芯材R1M法或内压螺杆反应注塑法研制单壳体车架，采用片料成卷CFRP管成型和热压处理或压塑成型接头组合实现整个车架的复合材料化是目前的研究方向。用热压罐内压成型法制成的CFRP盘状车轮等部件已开始商品化。其二是用热塑性塑料制造微型自行车、轻便车和儿童自行车的部件。成型方法多采用注塑成型，适合大批量生产。

　　表3在自行车上实际使用的塑料部件和具体使用的槊料品种部件名称材料部件名称材料车轮GF增强PA；GF增强肥CFRP车筐车架孩童搭座板鞍座保护板把手瓶笼护板尾灯挡泥板转速计脚蹬头盔齿轮罩辅助车轮链箱电池供电头灯制动杠杆后反射镜4.2运动场和跑道地板塑胶跑道和塑胶地板正在逐渐代替水泥地面，这是因为前者具有诸多优良特性，如防滑、减振、弹性好、美观，运动员在塑胶跑道上跑步可较大幅度提高运动成绩D通常使用的塑胶跑道和体育场馆地板的大致结构见。

　　第1层为沙石垫层，是坚硬的鹅卵石，缝隙用河沙填充，起到坚固地基的作用；第2层为防潮层，材料一般是聚乙烯薄膜，作用是阻止水和湿气从地下渗透上来，第3层为混凝土面层，起固沙、坚固地基的作用；第4层是塑胶沙过渡层，它是沙和E/VAC的混合物，该层与上下相邻层都有良好的粘接性；第5层为塑胶层，一般由大量的废橡胶粉与少量的E/VAC乳液（作粘接剂）构成，该层具有良好的回弹性；最上面一层（第6层）为面层，即塑胶弹力层，该层需要较好的力学性能、耐磨性能，并进行着色，使表面美观。面层材料的主要性能见表4，该层使用的材料大致是E/VAC乳液或丙烯酸乳液固化材料，前者的吸湿性较后者大，可达到10%，吸收如此大量的水分使得表面易于脱色，加之E/VAC耐光性不好，所以E/VAC有被丙烯酸乳液取代的可能性。

　　表4体育场馆塑胶地板和塑胶跑道的面层材料性能项目拉伸强度断裂伸长率硬度（邵氏耐候拉伸强度/%耐候断裂伸长率/*摩擦系数吸摩水后（静）（动）（静）（动）指标4.3帆板帆板的结构主要由帆体和帆桅组成，见。帆板使用的塑料包括热塑性和热固性两类，热塑性塑料有PS、PC、ABS和ASA及其合金，以及PE和PP；热固性塑料包括PUR、EP和UP.增强纤维有GF、CF，石墨纤维以及芳纶纤维。帆板各组成部件的成型涉及较多的方法，如旋转模塑、热成型、注射模塑、吹塑模塑以及一些热固性树脂的成型方法。帆板各组成部件所用的材料和成型方法见表5.表5帆板各组成部件所用的材料和成型方法部件名称材料成型方法板体热成型板体芳纶纤维增强塑料手糊；层压槐杆拉挤；缠绕板体内填充材料硬质PUR泡沫塑料反应注塑成型板接头注塑板接头金属+橡胶压制中心板注塑底骨注塑帆面凝胶纺丝；复合拉帆索、前后角索芳纶纤维稳向板帆杆注塑缠绕属、木材等。比如摩托车、帆板、跳水等项目，器械必须非常可靠，以最大限度地减少伤害的可能性。塑料制品的质量已可以同金属制品的质量相媲美。现在，溜冰鞋的轮子已采用耐摩擦和耐磨损的PUR制造；网球拍的骨架已采用GF、CF、芳纶纤维或陶瓷纤维增强的树脂制造；滑雪棒已采用层压的复合材料制造；划桨、吊伞索、高尔夫球、曲棍球棒等也有类似的情况。这些运动器械不但质轻，而且承力方向的强度很高，性能理想。如性能要求比较高的赛艇的帆现采用复合材料的结构形式：将芳纶纤维织物或定向超高分子量聚乙烯纤维层压在聚酯薄膜上，因此帆虽然很轻，但强度很高，没有蠕变问题；现在职业棒球球员和自行车运动员的头盔面罩是用PC制成的。

　　塑料及复合材料在体育设施和运动器械领域已形成了较大的市场，美国的体育和健身器材的销售额1990年已超过了20亿美元，生产制造体育和健身器械的公司到1990年已达到了2500家。1994年全世界运动器材的复合材料消耗量约24000t，其中滑雪板、挡雪板为6000t（占1/4），滑雪鞋、挡雪板为1800t，高尔夫球棒为9500t.自行车辐条和车架、旱冰滚动滑板增长也很快。1997年全世界运动器材中复合材料消耗量为5万t，占25%.2000年全世界高尔夫球棒的CF消耗量达到2 000t，超过宇航业的CF消耗量。

　　总之运动器材，特别是挡雪板、旱冰滚动滑板、山地自行车的快速发展促进了塑料及复合材料在体育设施及运动器械领域的应用。

　　塑料及复合材料用于体育和健身器械的前景非常光明。

　　但是还有一些问题有待解决，如热固性树脂基复合材料的成型较困难、生产效率低、制品价格昂贵；热塑性树脂的强度达不到使用要求，在要求较苛刻的地方尚不能使用。因此开发成型加工性好、价格低廉、且能充分满足要求的塑料及复合材料是今后很长一段时期内的重要工作。