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生物工程塑料在体育器材中的应用

放大字体  缩小字体 发布日期:2017-05-20  来源:塑料工业  作者:信阳农林学院 郭晓芳  浏览次数:1248
核心提示:对生物工程塑料进行介绍,提出其作为体育器材原料所具备的性能优势,包括材质轻、强度好、韧性高、抗老化能力强、耐高温性好和易成型加工。以 3 种常见的生物工程塑料为例,对其冲击强度、弯曲强度和拉伸性能进行研究。结果表明,玻璃纤维增强塑料的冲击强度和拉伸强度较好,硅橡胶的弯曲强度较好。最后说明了生物工程塑料在体育器材中的实际应用。
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       随着社会和经济的快速发展,人们对于健康问题的关注度逐渐提高,并希望通过运动来达到强健体魄的目的。由此,从 20 世纪后期开始体育运动事业在世界范围内得到快速发展,其中我国体育业的发展在近年来也十分迅猛,根据报道显示,当前中国体育行业的年产值已经高达 3 000 亿元以上,同时中国在体育设施的制造方面也位列世界领先地位,体育产业已经逐渐成为推动中国经济增长的一个新的增长。

      但与发达国家相比,我国体育产业的年产值占国民生产总值的比例仍比较低,我国与发达国家在体育行业发展上的差别显而易见,同时,这也说明我国体育行业现阶段仍然具有巨大的发展潜力
 
      广义上的体育产业包括体育用品和器械等,其中体育器械作为体育产业中最大的组成部分,其发展水平对于整个体育行业的发展有着决定性的作用 。当前很多运动器械由于材料自身性质的局限性导致存在一些安全隐患,尤其是室外体育项目器械,常年的紫外线照射以及雨水侵蚀等作用,部分体育设施存在一定程度的损坏并使人易受到意外伤害,因此,强化体育设施器械的产品质量和相关材料的稳定性能对于推动运动器械行业的发展和增强人们对使用器材的信心至关重要 。传统体育设施及运动器材主要以金属复合材料和木质复合材料组成,但是这些材料在使用过程中暴露出的一些问题值得我们探究,例如金属复合材料的硬度较好,但并不能兼顾良好的弹性和柔韧度等,因此,发展新型材料以适应当前运动器械的各种性能要求是未来我国体育行业发展的必然方向
 
      生物工程塑料作为新型合成材料,因其优良的力学性能和较高的性价比逐步应用于各种体育设施及运动器械产品市场。本文着眼于生物工程塑料,并对当前该类型材料在体育器材中的应用进行详细的介绍,希望为未来体育器材的材料选择提供新的方向。

1生物工程塑料及其性能介绍
 
1. 1 生物工程塑料简介
 
生物工程塑料指的是通过生物聚合方法生产出来的塑料,通常可根据材料的属性分成几大类:
 
1) 天然生物塑料: 再生纤维、胶原、透明质酸和甲壳素等;
 
2) 合成高分子生物塑料: 硅橡胶、聚氨酯及其嵌段共聚物、涤纶、尼龙聚烯烃等;
 
3) 无机生物医学塑料: 碳素材料、生物活性陶瓷和玻璃材料等;
 
4) 杂化生物塑料: 自活体的天然材料与人工合成材料的杂化,如胶原与聚乙烯醇的交联杂化等;
 
5) 复合生物塑料: 用碳纤维增强的塑料,用碳纤维或玻璃纤维增强的生物陶瓷等。
 
1. 2 生物工程塑料作为体育器材原料所具备的性能优势
 
      在实际应用中为了保证使用者的安全,体育器材应该具备高度安全性和稳定性,这就要求所使用的材料必须具备相应的性能特征。本文将从以下几个方面详细阐述生物工程塑料作为体育器材所用材料满足的性能指标。
 
      1) 材质轻 运动器械中较多为穿戴器械或依靠人力进行运动的器材,比如运动鞋、运动服装、运动型自行车、赛艇、皮划艇、桨、撑杆、滑雪板等,人们使用这些器械的目的是通过借助这些相关器械以进行针对性的运动项目。因此,该类型材料应满足质轻的条件以消除在使用过程中不必要的体力消耗,尤其是对于竞技比赛而言,对体育器材的质量要求极高。作为高分子材料,由于分子间距大,相对密度小,所以整体质量相对更轻。
 
      2) 强度、韧性高 运动器材在实际使用过程中需要应对集中的、高强度的受力情况,例如运动型自行车、滑雪板等在使用过程中会受到来自使用者脚部蹬的作用力。因此,在实际制造过程中,必须考虑所使用材料的强度问题,由于多数体育器材在实际制造中要求材质轻,通过减少材料的用量以达到器械减重是一种常规方法,而这又不可避免地减弱了材料的强度性能,因此体育器材原料最好能够满足低密度、高
 
      强度的特性。同时部分体育器材对材料韧性要求较高,例如撑杆和标枪项目。新型碳纤维复合材料大多兼具高强度、高韧度的特性,以碳纤维增强树脂复合材料为例,碳纤维材料具有高强度特点,而树脂材料的加入,使其材料既保留了较低的密度又在原有程度上增强了材料的韧性,其现已应用于运动型自行车、
 
      滑雪板、球拍等多种体育器材。因此,相比传统材料而言,新型碳纤维树脂复合材料在体育器械中的应用展现出广泛的前景。
 
      3) 抗老化能力强 体育器材的使用应当有一定的年限,将具有较强抗老化性的材料应用到体育器材中可以在一定程度上延长器材的使用寿命,从而使该种材料的器材在同种器械中具备较高的性价比。许多室外公共健身器材常年受紫外线、风沙、氧气、雨水等侵蚀,其表面材料容易老化褪色甚至脱落,如跑道、单双杠、球类运动中央网等户外运动设施等,因此,该类体育设施材料应该具备较强的抗老化能力。当前的研究侧重于通过使用纤维增强聚合物基复合材料改善生物工程塑料的抗老化能力,例如碳纤维-环氧树脂复合材料中加入氨基化碳纳米管可以明显提高材料的耐盐雾性、耐热氧老化性和耐湿热性能,这是由于氨基化碳纳米管的加入改善了纤维与基体树脂间的界面性能,同时促进了环氧树脂的固化,降低孔隙率,导致耐老化性能显著提高。
 
      4) 耐高温性好 多种生物工程材料具备耐高温的特点,以硅橡胶为例,它是一种主链由硅和氧原子交替构成,而硅原子上通常连有两个有机基团的橡胶材料。作为当今最常用的跑道及各种训练场地所用铺垫层材料,硅橡胶具有良好的耐高温性,硅橡胶可在180 ℃ 温度下长期工作,温度到达 200 ℃ 左右也能承受数周或更长时间仍有弹性,瞬时可耐 300 ℃ 以上的高温,同时它的氧气透过率在合成聚合物中是最高的。
 
      5) 易成型加工 良好的成型加工性能是体育器材在制备过程中的一个重要的条件。一般来说,热塑性塑料及其合金具备较好的热塑性能,而复合材料的成形加工则会困难得多。但是,随着材料制造及加工技术的不断发展,先进复合材料的这一缺陷已经得到了明显的改进,并且通过对材料加工工艺方法的不断改进,各种生物质塑料制品也已经能够被加工成相应的产品。当前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、缠绕成型、软模成型和树脂传递模塑成型等。
 
2几种常见生物工程塑料的性能研究
 
2. 1 实验过程
 
本文以几种常见的工程塑料为例,对其冲击强度、弯曲强度和拉伸性能进行研究,分别是丙烯腈-丁二烯
 
-苯乙烯 ( ABS) 、玻璃纤维增强塑料 ( GFRP ) 和聚氨酯 ( PU) 。
 
2. 1. 1 实验材料
 
ABS:  LW-02,保定利威橡胶制造有限公司; 玻璃纤维增强塑料: HL9303,廊坊宏立保温材料有限公司;
聚氨酯:  63-1600,宁波孚美化工有限公司。
 
2. 1. 2 实验设备
 
微机控制电子拉力试验机: WDW-200H 型,济南华兴试验设备有限公司; 数显落锤冲击试验机:
 
CREE-1003A 型,东莞市科锐仪器科技有限公司。
 
2. 1. 3 实验方法
 
分别将 3 种待测材料切成 23 cm×23 cm 的样块大小,厚度为 4 mm,按 GB /T 1043—1993[7] 进行冲击强度测试,冲击速度为 3 m /s; 按 GB /T 9341— 2000[8]进行弯曲强度测试,实验速度 5 mm /min; 按
 
GB /T 1040—1992[9]进行拉伸强度测试,实验速度 5
 
am/min。以上每组测试进行 3 次,记录测试值。

1 不同材料的性能测试结果

 

Tab 1 The performance of different materials

 

力学性能

 

ABS

GFRP

PU

 

 

 

 

 

冲击强度

1 次

13. 47

8. 68

82. 84

/kJ·m2

2 次

13. 96

8. 26

82. 76

 

3 次

13. 34

8. 05

82. 56

弯曲强度

1 次

7. 49

5. 92

4. 27

/MPa

2 次

7. 92

5. 24

4. 92

 

3 次

8. 07

5. 87

4. 53

拉伸强度

1 次

202. 54

272. 53

149. 23

/MPa

2 次

201. 08

274. 22

148. 77

 

3 次

202. 79

273. 47

148. 63


以上 3 种材料的性能测试结果如表 1 所示。由表
 
1 可知,在不加入其他材料和助剂的前提下,PU 的
 
冲击强度和拉伸强度均高于其他两种材料; 另外 ABS
 
的拉伸强度高于 PU,但冲击强度小于 PU。在选取体育器材原料时可结合不同材料的优势,同时若想进一步提升材料的力学性能,可能考虑将不同材料按一定比例进行混合或加入不同助剂。
 
3生物工程塑料在体育器材中的实际应用
 
工程塑料在体育器材中的应用日趋广泛,现将其主要应用做如下归类:
 
1) 运动型自行车 应用生物工程塑料作为运动型自行车的骨架结构可以使其质量变轻,其中座垫和车轮可采用尼龙制造,驾驶手柄可采用玻璃纤维增强的聚对苯二甲酸乙二醇酯 ( PET) 制造,后轮和车身采用碳纤维复合材料。用热塑型或热固型复合材料取代金属作车身,具有部件强固、加工费用低等优点。
 
2) 穿戴器材 体育用品中的穿戴器材包括头盔、护具、运动服装、鞋袜等,这些器材在具备高强度、高韧度的同时要求尽可能的轻便。当前已开发出多种在满足高强度、高韧度特性的同时具备超轻特质的生物工程材料,例如长纤维改性复合材料,该类材料通过特殊的拉挤工艺制作而成,能够更加耐变形,且具备较强的强度特性,同时该种材料具备非常小的密度,因此其成型后的产品质量非常轻,相比普通材质具备非常大的优势。
 
3) 球类用具 当前球类用品多以碳纤维增强的聚碳酸醋作外壳,中心为钢制结构,中空部分使用聚氨醋泡沫作为填料。例如网球拍的制造常采用碳纤维增强树脂复合材料,Aldila 公司于 1975 年首先推出的网球拍就是全碳纤维结构,1980 年又成功地采用碳纤维和玻璃纤维增强复合材料制作拍框
 
4) 水上运动用品 滑雪杖可用聚甲醛树脂制造,不仅能达到所需机械强度,而且摩擦力也很小,另外水上滑板和绳索也是生物工程塑料待开发的另一应用领域。
 
5) 运动场地面 目前常使用硅橡胶作为运动场地面铺垫的最外层,由于添加了其他微量元素的硅橡胶在耐热性、弹性和韧性方面均表现出出色的使用性能,已经广泛应用于各种运动场地。当前的研究主要集中在以硅橡胶为基体的前提下如何开发出更加实用环保的场地铺垫层。
 
4结论
 
一个国家的体育产业发展状况代表了人民生活水平状况,我国体育产业目前处于蓬勃发展状态,而生物工程塑料由于具有优异的性能已经广泛应用于体育器材的制作中。本文对生物工程塑料及其作为体育器材原料所具备的性能优势进行介绍,并以几种常见的生物工程塑料为例,对其冲击强度、弯曲强度和拉伸性能进行研究。最后说明了生物工程塑料在体育器材中的实际应用,为体育器材选材提供新的方向。
 
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