高性能高分子材料性能優勢及對籃球運動發展影響分析研究

任博聰

（陜西鐵路工程職業技術學院，陜西渭南714000）

高分子材料是以高分子聚合物為主體的材料，與金屬材料、陶瓷材料一樣,高分子材料是在當前人類社會活動中得到了廣泛應用的一種重要材料類型,是構筑現代社會幸福生活的基石之一。高分子材料種類豐富,可以從來源或者性能上來進行劃分和歸類：從來源上可以分為天然高分子、天然改性高分子、合成高分子；從性能上可以分為通用高分子和功能高分子。高分子材料因其來源、加工等比較容易，而且性能優異，因此在生產和生活中被廣泛應用。籃球運動是一項集力量和速度為一體的體育運動，具有一定的競爭難度。除去運動員的技能還對籃球運動的相關材料也提出了更高的要求（韌性、強度、抗擊等），高分子材料因其優異的性能，可以滿足籃球材料的要求，可以被應用到籃球運動領域的多個方面[1]。

1 籃球運動高性能高分子材料分類與性 能分析

高分子材料是以高分子化合物及其他添加劑為基礎所構成的材料，也被成為聚合物材料。將其根據來源劃分，可分為天然高分子和合成高分子材料。前者是存在于生物體內的高分子化合物，可分為天然纖維、天然樹脂、天然膠等。后者主要是指塑料、合成橡膠和合成纖維三大合成材料，此外還包括膠黏劑、涂料等。籃球運動常用高性能高分子材料分類見圖1。

圖1 籃球運動常用高性能高分子材料分類Fig. 1 Classification of high performance polymer materials commonly used in basketball

1.1 碳纖維復合材料（CFRP）

碳纖維本身為一種纖維材料，在不進行復合條件下僅用碳纖維并不能制造出部分性能要求較高的零部件。因此，碳纖維要和樹脂一起制成復合材料使用。根據所用樹脂種類的不同，以及碳纖維品種、狀態（可制成織物及短纖維等多種形態）的不同，制成的CFRP的特性也大不相同。而碳纖維復合材料（CFRP）是碳纖維增強碳基體復合材料，具有高強高模、密度低、熱膨脹系數小、耐燒蝕、耐疲勞、化學惰性、抗熱沖擊、尺寸穩定性高、斷裂韌性大、導電性極高等一系列優點。CFRP不僅是一種無與倫比的耐燒蝕材料，而且也是一種最高使用溫度的熱結構材料。因此CFRP作為新型的耐高溫結構-功能一體化工程材料，得到了迅速的發展，使其在航空航天領域中成為難以替代的材料。目前，廣泛應用于固體發動機噴管，導彈比錐，航天飛機耐燒蝕材料和隔熱材料，民用、軍用飛機和賽車的摩擦制動材料以及生物工程結構材料，由于CFRP的價格相對較高，限制了它在工業領域的應用。無論從產量還是產值，它在國防尖端方面及飛機制動材料的應用已經囊括了CFRP的90%。碳纖維制品特點：

（1）碳纖維復合材料（CFRP）的密度比許多金屬材料要輕，CFRP的密度約為1.85g/cm3、鋁（Al)的密度為2.7g/cm3左右，鐵（Fe）的密度為7.8g/cm3左右[2]。

（2）抗腐蝕性強，CFRP具有很強的耐腐蝕性，在自然環境惡劣下依然可以正常工作，能夠減少陽光、風沙、氧氣等對運動器材的侵蝕，增強其使用壽命；CFRP還可以抵御紫外線，免除了困擾許多材料的紫外線傷害問題的煩惱。

（3）耐磨、耐沖擊性好，CFRP耐磨、耐沖擊，對比一般材料優勢非常明顯。

（4）良好的導電性能，碳纖維導電性能良好，1米長的12K碳纖維絲的電阻約為35Ω。

（5）抗沖擊高，適用于體育器材的生產、制造。

1.2 聚氨酯復合材料

與傳統材料相比聚氨酯復合材料具有以下特點，見表1。

表1 與傳統材料（橡膠）相比聚氨酯復合材料的性能優勢Table 1 Performance advantages of polyurethane composite plastics compared with traditional materials (rubber)

由表1可知，聚氨酯復合材料在密度、拉伸強度、彈性模量、抗老化、耐腐蝕性和耐疲勞性等方面均優于天然橡膠[3]。

（1）密度小的聚氨酯質量相對較輕，而質量輕的材料對體育運動的舒適度具有很大的影響。這類輕質量的體育器材，在保障體育器材性能的同時還方便維護，增長使用壽命。

（2）拉伸強度、彈性模量等力學性能優異，它可以在保證材料性能的基礎上，降低對體育器材的成本投入。

（3）抗老化、耐腐蝕性強，在一些自然環境惡劣下，可以減少陽光、風沙、氧氣等對運動器材的侵蝕，增強其使用壽命。

1.3 丙烯酸

彈性丙烯酸球場地坪的塑材軟墊及丙烯酸涂面系統，其厚度為3～4 mm左右。在以鋪設好的基面上在鋪設內含百分百無機性纖維顏料與彈性丙烯酸，其優勢在于：性價比高；水性原料，屬于綠色無污染的環保產品；由丙稀酸丙烯酸乳膠原料制成，色彩鮮艷、抗紫外光性能好，可以保持長時間在陽光下暴曬而不褪色；回彈性好，不易開裂，具有減震功能，可以為運動員帶來舒適的運動感，同時可以減少運動員受傷；耐候性高，在一些自然環境惡劣的環境里，可以減少陽光、風沙、氧氣等對運動器材的侵蝕，增強使用壽命；附著力強，結合牢固，不脫層、不鼓泡；表面平整，方便維護和清理，性價比高，費用低[4]。

2 高性能高分子材料對籃球運動的發展影響

2.1 高分子材料對籃球的發展影響

傳統的籃球一般使用動物皮革進行制造，這種球控球手感好，彈性適中，但是生產過程復雜，而且價格、保養成本偏高。現在制作籃球的材料多為聚氨酯（PU）和PVC 合成皮，PU耐磨性好、易加工、不易變形，通過調控-OH與異氰酸酯基（R-N=C=O）的比值能夠改變材料的柔順性，可以避免因使用不正確而導致的球爆炸事件。PVC（聚氯乙烯）通過聚合物的改性能提高材料的耐高溫和抗沖擊性。溫度為142℃左右時，在棉布或者紙張上涂上PVC進行加熱會發生變化生成凝膠，凝膠成型后變為薄膜，再通過滾筒對薄膜進行壓緊，即為人造革。人造革在手感和耐低溫性能上不如聚氨酯（PU）材料，但其在耐磨、防水、價格、抗鹽堿性能上比聚氨酯材料好，適用范圍更廣。

2.2 高性能高分子材料對球衣的發展影響

影響運動員體育成績的不單是體育水平，運動服的材料和舒適度同樣會直接影響到運動成績。籃球運動服按照材料分類可以分為以下兩種：防水透濕性好，這種球服一般以聚酰胺合成材料尼龍塔夫綢為基礎，在其表面涂上復氨酸系聚合物，可以使籃球服具有良好的透氣和吸濕排濕的性能。保溫吸汗性好，聚酯纖維（滌綸）是聚酯（PET）和紡絲的合成物，主要成分為(C10H8O4)n，相對分子量約為18500。聚酯纖維的穩定性、耐皺性和絕緣性等都比較好，同時抗酸、堿度效果良好[5]。如果在含有聚酯纖維材料上在進行真空蒸鍍鋁或鈦，它的有效反射紅外線效果會更好，將其用在球服制作中可以控制球服內部的溫度，提高球衣舒適度。在此基礎上，相關人員研制出一款新的由三層纖維組成衣料。我們常用的纖維分為兩種：人造纖維，此類纖維一般從石油中提取出含有疏水基團，因此也被成為疏水纖維，該纖維是回潮率小于4.5%、吸濕性較弱的纖維；天然纖維，此類纖維主要是由葡萄糖（C6H12O6）組成，成分中含有大量能與水結合的羥基（-OH），二者結合形成氫鍵，因此被稱為親水纖維。如果籃球服的制作采用最外層為親水性纖維、最內層是疏水性纖維，中間層是兩種纖維的混合，因此該球服在防水透濕性、保濕吸汗性上將是非常好的，適合運動員使用[6]。

2.3 高性能高分子材料對球鞋的發展影響

高分子碳纖維可以應用在球鞋上，即碳纖維防扭轉承托盤，也就是用碳纖維制造的防扭轉承托盤。碳纖維板在球鞋起到防扭轉承托盤的作用。說到防扭轉托盤，要從人體工程學、人腳的生理結構說起，防扭轉承托盤就好比足弓對于腳的作用。作為骨骼，足弓是框架，起支撐負載肌肉組織的作用。作為結構，足弓是橋梁，連結前后腳掌并緩沖或傳導力量。對于鞋來說，防扭轉承托盤的作用與足弓的作用非常相似。首先，它的防扭轉功能正是為了保護足弓，防止球鞋和人腳在作用力下發生損壞。運動員的足弓一旦受傷，后果是難以想象的，很可能意味著運動生命的結束。所以，這個保護功能是碳纖承托盤的最基本的使命。其次，作為承托盤，它的作用就像骨骼對于肌肉組織，脊椎對于人體，鋼筋對于混凝土，是支撐，是筋骨。沒有承托盤的運動鞋都軟趴趴的，缺少穩定性，無法適用于激烈的運動項目。因此，名牌運動鞋（籃球鞋、足球鞋）都具有強大的防損傷設計。對于功能性運動鞋來說，防扭轉承托盤是必須的結構。而碳纖維復合材料的作用，就是讓它更堅韌、更有彈性的同時，讓它重量更輕，目前來說，碳纖維復合材料是制造球鞋防扭轉承托盤最好的材料，用最好的材料制造出最好的鞋[7]。

2.4 高分子材料對籃球架的發展影響

傳統的籃球運動中籃板的材質多為木質，因其結構不夠規整，總會影響運動員的進球成績。現在的籃板材質多為有機玻璃（聚甲基丙烯酸甲酯/PMMA）, PMMA抗沖擊性能強、柔順性好。PMMA在經過加熱處理后，其韌性和透光度都會提高，透光度也屬于高分子材料中最好的，高達90%以上。在高性能高分子材料中聚乙烯纖維（乙綸）和乙烯基酯（Vinyl Ester Resins）的復合物乙烯基酯復合材料可以用于球架表面，該乙烯基酯復合材料結合了乙綸和乙烯基酯的優點，具有密度低、穩定性強等優點，適用于籃球架制作，會提高籃球的使用壽命、增強耐腐蝕性等[8]。最后再利用噴塑處理法進行處理，可以使籃球不掉漆、不褪色、耐氧化等。

2.5 高分子材料對籃球場地的發展影響

在打籃球時，人體會因肌肉的收縮產生反作用力，超過0.2秒的反作用力會給人體帶來類似鋼鐵的破壞力。而籃球運動是一項沖擊力很大的運用項目，運動員在起跳落地時很容易發生損傷。因此，籃球場地要在保持一定硬度的情況下，還需要具有適度的柔軟緩沖性。高性能高分子材料因其優異的性能滿足了籃球場地的這一要求。

（1）ETPU減震緩沖技術：ETPU顆粒能在每一次受力后會有效積聚并釋放能量，獨特的高分子蜂窩結構提供強大的緩震和回彈力，使跑道常年保持優異的彈性[9]。革命性的“Damping”技術將ETPU應用其中，在奔跑者每一步下都能被擠壓、膨脹，再反彈，減輕運動中對膝關節和腳踝的損傷。

（2）抗UV耐老化技術：1000h加速老化后，其物理性能降低幅度小于1%，測試結果符合國際國內標準。獨特的“Durable”面層技術，賦予其優異的耐老化及抗凍融性能，不黃變，不硬化，彈性不流失，65℃到零下20℃依然保持極佳的物理性能，適合穿釘鞋頻繁進行專業競技賽事，另外，還具超長的使用壽命，環保可回收再利用。

2.6 高分子材料對護具的發展影響

高分子材料中的慢回彈聚氨酯泡沫因在室溫附近具有較高的粘彈性，能夠吸收較高的能量，故可以作為運動護具，防止意外傷害。根據防護部位，慢回彈聚氨酯運動護具分為護肩、護膝、護肘、護踝、護脛、護背、護臀和護尾椎以及頭盔等；根據運動種類，可以分為摩托車護具、滑雪護具、足球運動護具、溜冰運動護具等；根據使用方法，分為插片式、穿戴式和車縫連衣式。不同的運動對護具的要求不同，球場外使用聚碳酸酯（PC）、滌綸制成的圍欄，即使發生碰撞，人和圍欄都不會發生損傷。

3 結語

隨著科技的發展，高性能高分子材料在各個領域的應用越來越多，因其性能優勢在籃球運動中的應用也越來越多[10]。利用高性能高分子材料生產的籃球，它的舒適性、安全性是其他材料無法達到的。隨著我國體育運動的發展和花式籃球的興起，使得高性能高分子材料在籃球運動中備受喜愛。