高分子化工新材料体育器材领域智能化发展研究

郭攀

摘 要：高分子化工新材料的应用与发展，是体育器材性能不断优化与改善的基础。文章针对当前体育器材制备领域常用的几种高分子化工材料进行分析，总结了这些高分子化工新材料的性能优势。对高分子化工新材料如何影响体育器材发展进行总结，着重分析了高分子化工新材料体育器材领域的智能化、节能环保化等发展方向。

关键词：体育器材;智能化发展;芳纶纤维;碳纤维

中图分类号：TQ050.4+22       文献标识码：A文章编号：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

体育器材种类繁多，对应上游原材料的来源也颇为丰富，当前应用较多的有木材、金属及合金、橡胶、皮革以及各类型高分子复合材料等。随着现代的科技的不断进步以及体育产业整体不断壮大，越来越多的高分子化工新材料开始逐渐普及，碳纤维、芳纶纤维等材料制备而成的体育器材价格也逐渐亲民化，为高分子化工新材料在体育器材领域的普及和更加长远的发展奠定了基础。高分子化工新材料凭借自身优异的综合性能优势或单一性能优势，很大程度影响着现代体育器材、体育服饰以及体育场地的发展。目前，在体育器材制备领域应用较多的高分子化工新材料有芳纶纤维材料、碳纤维复合材料等。体育器材领域的发展其本质是科技的发展，体育用品企业的发展，需着力于新材料研发，为此通过开发更加环保、性能更加优异的新材料并将其应用于体育器材中[1]。

1 高分子化工新材料的分类及其优势

1.1 材料分类

高分子化工新材料，指的是一类以高分子化合物为基础或核心，通过一系列物化手段制备而成的材料。图1所示为不同分类规则下高分子化工新材料的分类情况。

然而，并不是所有高分子材料都能用于体育器材的制备。通常情况下，体育器材要求高分子新材料需要具备某一方面较为突出的物化性能、尽量低的生产和加工成本以及较强的环保优势等。因此，当前体育器材领域最常用且发展前景最佳的高分子化工新材料主要有芳纶纤维材料、尼龙纤维复合材料、碳纤维材料、不饱和聚酯复合材料等[2]。

1.2 高分子化工新材料性能优势

1.2.1 芳纶纤维材料

芳纶纤维即芳香族聚酰胺纤维。芳纶材料本身具有质地柔软、密度小等特点，利用芳纶材料制备运动服饰能够为运动员提供较为舒适的穿着感。同时，芳纶纤维的强度高、能够保证在较高温度的外部环境下不分解、不融化，能够提供较长的运动服饰使用寿命周期。芳纶纤维是目前最佳的防刺面料纤维材料之一，在射击运动、射箭运动以及击剑运动中均多有使用。与碳纤维等材料相比具有伸长率高、耐局部冲击能力强等优势。

1.2.2 尼龙纤维材料

体育领域常用的尼龙纤维复合材料主要由两大类：①Nomex 纤维。由于其纤维结构中存在苯环，导致该纤维材料中的分子链无法进行内旋转，又由于纤维结构中的极性酰胺基的存在，促使该纤维材料分子链上形成了一定数量的氢键;氢键的存在会很大程度增强该纤维材料分子链之间的作用力，给Nomex 纤维提供了较强的刚性。同时，由于苯环与酰胺基两部分之间会形成共轭体系，又进一步增强该纤维材料的综合性能。Nomex 纤维具有典型的高耐热、高强度、高化学稳定性，是一种广泛应用于运动服饰、各类型绳索、赛车部件等领域的纤维材料。②Kevlar 纤维。其纤维结构中苯及酰胺基的存在会使纤维材料分子链不断交替，是分子链中的苯和酰胺基成分的密度增大，加上苯環与酰胺基两部分之间形成共轭体系的存在，Kevlar 纤维的刚性、强度、化学稳定性等较为优异，通常Kevlar 纤维材料的模量能够达到一般钢材的3.5倍左右，但密度通常仅为一般钢材的20%左右。Kevlar 纤维被广泛应用于防护服、防护手套、鞋绳、各类型绳索等的制备[3]。

1.2.3 碳纤维复合材料

碳纤维复合材料是一种被广泛应用于体育器材加工制备领域的高分子复合材料，碳纤维复合材料密度普遍低于金属铝，碳纤维材料的密度通常仅有1.76～1.80 g/cm3，所制备的复合材料的密度通常也不会超过1.60 g/cm3;然而材料的整体强度却比体育器材中常用木材、钢材高，其比强度、比模量优势等均非常明显，非常适合替代传统体育器材中的木材、金属材料，例如羽毛球拍、网球拍，滑雪板中的部分结构等。此外，碳纤维复合材料的疲劳强度较高，在经过上百万次循环应力疲劳试验以后，碳纤维复合材料的强度保留率仍然能够达到原材料的60%以上;而相同试验条件下铝材仅能保持30%左右的原材料强度。较高的疲劳强度能够极大地延长体育器材的使用寿命，保证使用者在使用该器材时不会因器材变形、断裂等发生危险。

2 高分子材料对竞技体育发展影响

2.1 运动器材领域

运动器材与竞技体育之间为相互依存、相互促进的关系，性能优异、安全可靠的运动器材能够一定程度上提升运动员竞技水平;而运动水平的全面提升又会向运动器材提出更多的制备要求，反过来促进运动器材的发展。运动器材的发展实际上是以材料科技为基础，以人体力学等科学为辅助而发展的。在高分子材料诞生以来，已经对运动器材的发展起到了巨大的作用[4]。

2.1.1 运动鞋

运动鞋的覆盖面极广，包含篮球、足球、冰上运动、短跑、长跑鞋等多种类型。使用高分子材料制备运动鞋，已经成为当前运动器材领域最为常见的现象，运动鞋的发展极大地影响了竞技体育的发展。

以篮球运动鞋为例。现代篮球鞋鞋面材料基本经历了帆布-天然皮革-合成皮革3个发展阶段。目前大多数中高端篮球鞋的鞋面材料均采用超细纤维合成革制备而成，这种材料强度大、透气性高、质量輕，在应用于篮球鞋领域之后极大地提升了运动员穿着舒适程度和透气性。超细纤维合成革较高的材料强度，也能够为篮球运动员提供绝佳的包裹感和稳定性，运动员在进行激烈的对抗、大幅度的运球变向时，鞋面材料能够很好地支撑运动员足部，使运动员能够更好地发力，同时也能够有效避免因动作过大带来的运动损伤[5]。篮球鞋的鞋底材料最初使用硫化橡胶制备而成，此时的篮球鞋鞋底由于缺乏足够的支撑性和弹性，运动员并不能尽全力起跳。国外某品牌率先将碳纤维复合材料支撑碳纤维板，用于篮球鞋的足弓或全脚掌中，起到抗扭转提供稳定性的作用。在篮球运动员大幅度变向的时候，鞋底会变形而碳板可以在此时控制抑制形变，能够为篮球运动员提供强力的足部支撑，同时有效防止损伤脚底。

2.1.2 球拍、杆等

碳纤维等高分子复合材料具有绝佳的力学性能，且密度更低，极为适合加工成球拍、球棒以及球杆等规则状体育器械，能够大幅提升该器械的使用手感和综合性能[6]。

以网球球拍为例。传统的网球球拍多为木质或铝合金材质，具有质量大、容易损坏、不能承受较高的网线张力等缺点。尤其铝合金材质的球拍在击球时的振动极为剧烈，击球手感较差。而使用碳纤维材料制备而生的网球拍，能够大幅降低同等规格网球球拍的质量，这得益于碳纤维材料优异的力学性能，能够为网球运动员提供绝佳的击球手感，同时由于材料本身抗冲击性能和阻尼性均较好，在大幅降低击球振动的同时能够有效缓解运动员手腕处压力，降低运动员运动损伤几率。

2.2 运动服饰领域

高分子复合材料中包含了大量的纤维材料，这些纤维材料中的芳纶、聚氨酯纤维、超细尼龙纤维材料等，是运动服饰领域成果应用极好的材料[7]。

以竞技泳衣为例，最初的竞技泳衣与一般泳衣并无明显差异，均采用棉质材料加工而成。但随着材料科技的飞速发展以及运动员对新材料泳衣需求的增大，尼龙、仿鲨鱼皮材质的化工新材料开始逐渐应用于竞技泳衣的制备领域。仿鲨鱼皮泳衣是一种以防氧弹性纱和特细尼龙纱为基础材质，按照类似鲨鱼皮微结构纺织而成的面料。2007年问世的第3代仿鲨鱼皮材质泳衣在1年的时间里助力运动员21次打破世界纪录。虽然2010年国际泳联全面禁止了非天然纺织物制作的泳衣，但“快皮3”等新材料泳衣仍然层出不穷，并极大地影响着现代游泳运动的发展。

2.3 运动场地

20世纪70年代之前，我国大多数非专业竞技跑道均采用煤渣混合泥沙的形式铺设而成。大多数学校、单位等不具备铺设塑胶跑道的可能性[8]。然而，随着高分子复合材料领域的发展，塑胶跑道等的铺设成本逐渐降低，富有弹性、舒适感、安全性更好的塑胶跑道逐渐开始普及。聚氨酯跑道的发明与普及，大幅提升了运动员开展田径项目时足部与地面的摩擦力，能够使运动员的跑、跳等动作更为理想，进而获得更好的竞技成绩。同时，良好的地面缓冲也能够为运动员提供更加优异的地面反馈，降低运动员足部、膝部以及颈椎等部位受到的冲击。

3 高分子化工新材料在体育领域的智能化发展

随着全民健身热潮的兴起，我国体育发展水平和结构都从单一开始向多样化发展。科技术水平的提高，为体育器材领域带来了全新的发展机遇，同时也推动了体育领域朝智能和环保的方向发展。

3.1 智能化

科技的发展推动了高分子化工新材料的出现和发展，促进了体育器材领域的智能化发展。如体育领域的新型储能纤维服装，它可以减少其他因素对运动的影响，在一定程度上保证了运动成效;同时在环保上有了进一步发展，它可以将运动产生的能量转化为电能，再用于运动员的日常使用（电子设备充电）。将智能化玻璃纤维材料用于室内体育场馆的封顶，该材料完成的封顶可以根据天气的变化控制室内的采光。某些具有编程功能的运动服装通过添加微电子系统，能够通过传感器、计算机等随时掌握运动员身体特征变化，为运动员团队提供更加丰富的运动员身体数据，从而为运动员提供更好、更科学的训练计划等。部分科研人员研发出了一种弹性超强、可自修复且能通过电压控制动作的新材料，这种材料能够由25.4 cm被拉伸到254 cm以上，具有极强的自我修复功能，是一种极为理想的人工肌肉材料。运动员在出现运动损伤以后，可以将该材料作为肌肉纤维的替代品，降低伤病对自身的影响[9]。

3.2 节能环保化

节能、环保、普及绿色可持续发展理念，是当前我国社会各行各业发展的基本公式;同时，也是维持我国社会全面、可持续发展的重要基础。高分子复合材料本身具有一定的环保优势，但其生产与制备环节会形成一定的污染。作为对高分子复合材料依赖程度极高的体育领域，应积极开展绿色生产，引进节能环保生产设备等开展绿色可持续生产，持续优化高分子复合材料的节能性和环保型。

4 结语

综上所述，高分子复合材料、化工新材料对体育领域的影响极大，体育产业对新材料的依赖性也较高[10]。在全民健身背景下，体育领域应用高分子复合材料的程度将会越来越广泛，通过分析高分子材料对体育器材制备领域的影响，能够理清高分子材料与体育产业的关系，为体育产业发展、高分子材料领域发展提供借鉴。

【参考文献】

[1]李景华.体育运动器材中化工材料的应用及智能化发展分析[J].粘接，2020，44（11）：59-62.

[2] 李敬凯.基于HTA-P30碳纤维高新化工材料在体育器材中的应用与研究[J].合成材料老化与应用，2020，49（3）：143-145.

[3] 薄阿维.先进高分子材料体育装备性能分析及对竞技体育发展的影响研究[J].合成材料老化与应用，2020，49（6）：163-165.

[4] 李萌.高力学性能高分子材料与竞技体育融合发展分析[J].合成材料老化与应用，2021，50（2）：163-165.

[5] 刘和军.在体育运动领域中纺织材料的广泛应用及其智能化发展分析[J].粘接，2019，40（7）：133-135

[6] 梁利平.体育器材中先进材料的使用对竞技体育发展的影响[J].湖北科技学院学报，2015，35（7）：158-160.

[7] 闫泽.化工新材料在体育装备产业中的应用现状及发展研究[J].化学工业，2019，37（1）：30-38.

[8] 吴阿甜.新材料在高校体育器材方面的影响[J].粘接，2019，40（6）：92-94.

[9] 王宏.新材料對运动竞技水平的提升及其在体育装备产业中的发展研究[J].粘接，2021，45（1）：146-150.

[10] 李尚锦.面向新材料技术推动体育运动水平发展研究[J].中国多媒体与网络教学学报（上旬刊），2021（2）：188-191.

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