體育健身器材用塑料復合材料性能分析及應用

李 娟

(陜西國防工業職業技術學院,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,因此在空閑時間經常會健身鍛煉,以此推動了體育健身器材行業的發展。而傳統體育健身器材多數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,使用壽命較長,這也就造就了其復雜的生產工藝,產量較小且價格高,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,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,環氧樹脂的耐腐蝕性最優,而碳纖維增強樹脂的耐腐蝕性最差。在經過4 周腐蝕后,三種材料都出現了一定程度的腐蝕,但是由于常用健身器材長時間暴露在自然環境下,自身耐腐蝕性就很好,所以即使在惡劣環境下使用,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,內層經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泡離子樹脂,球棒則選擇碳纖維增強塑料,內層填充物通常利用聚氨酯發泡材料。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氧樹脂或玻璃纖維增強環氧樹脂材料為主,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輕,且比強度與比模量高,可確保球拍使用過程中不會發生變形。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。滑板輪子可以聚氨酯適度用量控制硬度,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。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。基于改性聚氨酯材料的運動場跑道具備低毒性與環境友好性雙重優勢[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。

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,后續以碳纖維增強樹脂材料逐漸代替,發展為最佳撐桿材料,其彈性形變能力非常強大,儲能優勢顯著,彈性勢能轉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現,相比不飽和聚酯樹脂材料與環氧樹脂材料,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；環氧樹脂的耐腐蝕性最優,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,發展前景良好。