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生物工程塑料在體育器材中的應用

放大字體  縮小字體 發布日期:2017-05-20  來源:塑料工業  作者:信陽農林學院 郭曉芳  瀏覽次數:3388
核心提示:對生物工程塑料進行介紹,提出其作為體育器材原料所具備的性能優勢,包括材質輕、強度好、韌性高、抗老化能力強、耐高溫性好和易成型加工。以 3 種常見的生物工程塑料為例,對其沖擊強度、彎曲強度和拉伸性能進行研究。結果表明,玻璃纖維增強塑料的沖擊強度和拉伸強度較好,硅橡膠的彎曲強度較好。最后說明了生物工程塑料在體育器材中的實際應用。
       隨著社會和經濟的快速發展,人們對于健康問題的關注度逐漸提高,并希望通過運動來達到強健體魄的目的。由此,從 20 世紀后期開始體育運動事業在世界范圍內得到快速發展,其中我國體育業的發展在近年來也十分迅猛,根據報道顯示,當前中國體育行業的年產值已經高達 3 000 億元以上,同時中國在體育設施的制造方面也位列世界領先地位,體育產業已經逐漸成為推動中國經濟增長的一個新的增長。

      但與發達國家相比,我國體育產業的年產值占國民生產總值的比例仍比較低,我國與發達國家在體育行業發展上的差別顯而易見,同時,這也說明我國體育行業現階段仍然具有巨大的發展潛力
 
      廣義上的體育產業包括體育用品和器械等,其中體育器械作為體育產業中最大的組成部分,其發展水平對于整個體育行業的發展有著決定性的作用 。當前很多運動器械由于材料自身性質的局限性導致存在一些安全隱患,尤其是室外體育項目器械,常年的紫外線照射以及雨水侵蝕等作用,部分體育設施存在一定程度的損壞并使人易受到意外傷害,因此,強化體育設施器械的產品質量和相關材料的穩定性能對于推動運動器械行業的發展和增強人們對使用器材的信心至關重要 。傳統體育設施及運動器材主要以金屬復合材料和木質復合材料組成,但是這些材料在使用過程中暴露出的一些問題值得我們探究,例如金屬復合材料的硬度較好,但并不能兼顧良好的彈性和柔韌度等,因此,發展新型材料以適應當前運動器械的各種性能要求是未來我國體育行業發展的必然方向
 
      生物工程塑料作為新型合成材料,因其優良的力學性能和較高的性價比逐步應用于各種體育設施及運動器械產品市場。本文著眼于生物工程塑料,并對當前該類型材料在體育器材中的應用進行詳細的介紹,希望為未來體育器材的材料選擇提供新的方向。

1生物工程塑料及其性能介紹
 
1. 1 生物工程塑料簡介
 
生物工程塑料指的是通過生物聚合方法生產出來的塑料,通常可根據材料的屬性分成幾大類:
 
1) 天然生物塑料: 再生纖維、膠原、透明質酸和甲殼素等;
 
2) 合成高分子生物塑料: 硅橡膠、聚氨酯及其嵌段共聚物、滌綸、尼龍聚烯烴等;
 
3) 無機生物醫學塑料: 碳素材料、生物活性陶瓷和玻璃材料等;
 
4) 雜化生物塑料: 自活體的天然材料與人工合成材料的雜化,如膠原與聚乙烯醇的交聯雜化等;
 
5) 復合生物塑料: 用碳纖維增強的塑料,用碳纖維或玻璃纖維增強的生物陶瓷等。
 
1. 2 生物工程塑料作為體育器材原料所具備的性能優勢
 
      在實際應用中為了保證使用者的安全,體育器材應該具備高度安全性和穩定性,這就要求所使用的材料必須具備相應的性能特征。本文將從以下幾個方面詳細闡述生物工程塑料作為體育器材所用材料滿足的性能指標。
 
      1) 材質輕 運動器械中較多為穿戴器械或依靠人力進行運動的器材,比如運動鞋、運動服裝、運動型自行車、賽艇、皮劃艇、槳、撐桿、滑雪板等,人們使用這些器械的目的是通過借助這些相關器械以進行針對性的運動項目。因此,該類型材料應滿足質輕的條件以消除在使用過程中不必要的體力消耗,尤其是對于競技比賽而言,對體育器材的質量要求極高。作為高分子材料,由于分子間距大,相對密度小,所以整體質量相對更輕。
 
      2) 強度、韌性高 運動器材在實際使用過程中需要應對集中的、高強度的受力情況,例如運動型自行車、滑雪板等在使用過程中會受到來自使用者腳部蹬的作用力。因此,在實際制造過程中,必須考慮所使用材料的強度問題,由于多數體育器材在實際制造中要求材質輕,通過減少材料的用量以達到器械減重是一種常規方法,而這又不可避免地減弱了材料的強度性能,因此體育器材原料最好能夠滿足低密度、高
 
      強度的特性。同時部分體育器材對材料韌性要求較高,例如撐桿和標槍項目。新型碳纖維復合材料大多兼具高強度、高韌度的特性,以碳纖維增強樹脂復合材料為例,碳纖維材料具有高強度特點,而樹脂材料的加入,使其材料既保留了較低的密度又在原有程度上增強了材料的韌性,其現已應用于運動型自行車、
 
      滑雪板、球拍等多種體育器材。因此,相比傳統材料而言,新型碳纖維樹脂復合材料在體育器械中的應用展現出廣泛的前景。
 
      3) 抗老化能力強 體育器材的使用應當有一定的年限,將具有較強抗老化性的材料應用到體育器材中可以在一定程度上延長器材的使用壽命,從而使該種材料的器材在同種器械中具備較高的性價比。許多室外公共健身器材常年受紫外線、風沙、氧氣、雨水等侵蝕,其表面材料容易老化褪色甚至脫落,如跑道、單雙杠、球類運動中央網等戶外運動設施等,因此,該類體育設施材料應該具備較強的抗老化能力。當前的研究側重于通過使用纖維增強聚合物基復合材料改善生物工程塑料的抗老化能力,例如碳纖維-環氧樹脂復合材料中加入氨基化碳納米管可以明顯提高材料的耐鹽霧性、耐熱氧老化性和耐濕熱性能,這是由于氨基化碳納米管的加入改善了纖維與基體樹脂間的界面性能,同時促進了環氧樹脂的固化,降低孔隙率,導致耐老化性能顯著提高。
 
      4) 耐高溫性好 多種生物工程材料具備耐高溫的特點,以硅橡膠為例,它是一種主鏈由硅和氧原子交替構成,而硅原子上通常連有兩個有機基團的橡膠材料。作為當今最常用的跑道及各種訓練場地所用鋪墊層材料,硅橡膠具有良好的耐高溫性,硅橡膠可在180 ℃ 溫度下長期工作,溫度到達 200 ℃ 左右也能承受數周或更長時間仍有彈性,瞬時可耐 300 ℃ 以上的高溫,同時它的氧氣透過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體育器材在制備過程中的一個重要的條件。一般來說,熱塑性塑料及其合金具備較好的熱塑性能,而復合材料的成形加工則會困難得多。但是,隨著材料制造及加工技術的不斷發展,先進復合材料的這一缺陷已經得到了明顯的改進,并且通過對材料加工工藝方法的不斷改進,各種生物質塑料制品也已經能夠被加工成相應的產品。當前用于先進復合材料的成型技術主要有熱壓罐成型、真空袋成型、纏繞成型、軟模成型和樹脂傳遞模塑成型等。
 
2幾種常見生物工程塑料的性能研究
 
2. 1 實驗過程
 
本文以幾種常見的工程塑料為例,對其沖擊強度、彎曲強度和拉伸性能進行研究,分別是丙烯腈-丁二烯
 
-苯乙烯 ( ABS) 、玻璃纖維增強塑料 ( GFRP ) 和聚氨酯 ( PU) 。
 
2. 1. 1 實驗材料
 
ABS:  LW-02,保定利威橡膠制造有限公司; 玻璃纖維增強塑料: HL9303,廊坊宏立保溫材料有限公司;
聚氨酯:  63-1600,寧波孚美化工有限公司。
 
2. 1. 2 實驗設備
 
微機控制電子拉力試驗機: WDW-200H 型,濟南華興試驗設備有限公司; 數顯落錘沖擊試驗機:
 
CREE-1003A 型,東莞市科銳儀器科技有限公司。
 
2. 1. 3 實驗方法
 
分別將 3 種待測材料切成 23 cm×23 cm 的樣塊大小,厚度為 4 mm,按 GB /T 1043—1993[7] 進行沖擊強度測試,沖擊速度為 3 m /s; 按 GB /T 9341— 2000[8]進行彎曲強度測試,實驗速度 5 mm /min; 按
 
GB /T 1040—1992[9]進行拉伸強度測試,實驗速度 5
 
am/min。以上每組測試進行 3 次,記錄測試值。

1 不同材料的性能測試結果

 

Tab 1 The performance of different materials

 

力學性能

 

ABS

GFRP

PU

 

 

 

 

 

沖擊強度

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

彎曲強度

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

拉伸強度

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 種材料的性能測試結果如表 1 所示。由表
 
1 可知,在不加入其他材料和助劑的前提下,PU 的
 
沖擊強度和拉伸強度均高于其他兩種材料; 另外 ABS
 
的拉伸強度高于 PU,但沖擊強度小于 PU。在選取體育器材原料時可結合不同材料的優勢,同時若想進一步提升材料的力學性能,可能考慮將不同材料按一定比例進行混合或加入不同助劑。
 
3生物工程塑料在體育器材中的實際應用
 
工程塑料在體育器材中的應用日趨廣泛,現將其主要應用做如下歸類:
 
1) 運動型自行車 應用生物工程塑料作為運動型自行車的骨架結構可以使其質量變輕,其中座墊和車輪可采用尼龍制造,駕駛手柄可采用玻璃纖維增強的聚對苯二甲酸乙二醇酯 ( PET) 制造,后輪和車身采用碳纖維復合材料。用熱塑型或熱固型復合材料取代金屬作車身,具有部件強固、加工費用低等優點。
 
2) 穿戴器材 體育用品中的穿戴器材包括頭盔、護具、運動服裝、鞋襪等,這些器材在具備高強度、高韌度的同時要求盡可能的輕便。當前已開發出多種在滿足高強度、高韌度特性的同時具備超輕特質的生物工程材料,例如長纖維改性復合材料,該類材料通過特殊的拉擠工藝制作而成,能夠更加耐變形,且具備較強的強度特性,同時該種材料具備非常小的密度,因此其成型后的產品質量非常輕,相比普通材質具備非常大的優勢。
 
3) 球類用具 當前球類用品多以碳纖維增強的聚碳酸醋作外殼,中心為鋼制結構,中空部分使用聚氨醋泡沫作為填料。例如網球拍的制造常采用碳纖維增強樹脂復合材料,Aldila 公司于 1975 年首先推出的網球拍就是全碳纖維結構,1980 年又成功地采用碳纖維和玻璃纖維增強復合材料制作拍框
 
4) 水上運動用品 滑雪杖可用聚甲醛樹脂制造,不僅能達到所需機械強度,而且摩擦力也很小,另外水上滑板和繩索也是生物工程塑料待開發的另一應用領域。
 
5) 運動場地面 目前常使用硅橡膠作為運動場地面鋪墊的最外層,由于添加了其他微量元素的硅橡膠在耐熱性、彈性和韌性方面均表現出出色的使用性能,已經廣泛應用于各種運動場地。當前的研究主要集中在以硅橡膠為基體的前提下如何開發出更加實用環保的場地鋪墊層。
 
4結論
 
一個國家的體育產業發展狀況代表了人民生活水平狀況,我國體育產業目前處于蓬勃發展狀態,而生物工程塑料由于具有優異的性能已經廣泛應用于體育器材的制作中。本文對生物工程塑料及其作為體育器材原料所具備的性能優勢進行介紹,并以幾種常見的生物工程塑料為例,對其沖擊強度、彎曲強度和拉伸性能進行研究。最后說明了生物工程塑料在體育器材中的實際應用,為體育器材選材提供新的方向。
 
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