几种不同类型的化工材料和在体育器材的应用

　　摘要：随着竞技体育的不断发展进步，对体育器材材料的要求也不断提高，化工材料凭借其各种优良的性能，被广泛的应用于体育器材的制造中，并且极大的提高了体育器材的使用性能以及体育运动成绩。介绍了几种不同类型的化工材料和它们在体育器材的应用，说明在体育器材领域，新型化工材料具有十分广阔的应用前景，并且未来体育器材材料的发展方向是趋于个性化、智能化的，材料本身的各方面性能也有更高的要求，同时要对环境友好，符合绿色发展理念。

　　关键词：体育运动器材； 化工材料； 优良性能； 智能化发展；

　　Abstract:With the continuous development and progress of competitive sports, the requirements for sports equipment and materials are also constantly improved. Chemical materials are widely used in the manufacture of sports equipment due to their various excellent properties, and greatly improve the performance of sports equipment. This paper introduces several different types of chemical materials and their application in sports equipment. It shows that the application prospect of new chemical materials in the field of sports equipment is very broad, and the development direction of sports equipment materials in the future tends to be personalized and intelligent.The material itself has higher requirements in all aspects of performance.At the same time,it should be environment-friendly and compound green development concept.

　　Keyword:sports equipment; chemical materials; excellent performance; intelligent development;

　　社会经济的不断进步发展使人们的生活质量水平得到很大的提高，对体育运动的关注度也越来越高，体育运动不仅使人们的身体健康水平得到了提高，它同时也是现代国家综合国力的重要体现。传统的体育器材所采用的材料多是金属材料和木材，但是随着现代体育竞技的不断发展，这些材料的各方面性能都渐渐无法满足现代体育运动器材的使用标准。因此体育运动器材的材料问题逐渐被重视，随着现代科学技术的不断进步发展，化工生产能力大大提高，因此诞生了许多性能优良的化工材料，其中不乏许多品质优良的新型材料，这些化工材料具有很高的比强度、比模量，同时材料本身质量极轻，耐磨，抗阻尼性能都十分优良，最重要的是新型的化工材料具有很强的可设计性，加工制成各种成品也相对容易[1],基于化工材料的这些优点，将这些材料应用于体育器材的制作中可以很好的提高体育器材的各项性能，甚至包括推动该项体育运动成绩的提升，因此化工材料在体育器材制作领域的应用越来越广泛。这里介绍了几种化工材料在体育器材中的应用，并且简单分析了化工材料的智能化发展。

　　1 化工材料简介

　　1.1 概念

　　化工材料即建造化工装置所需要的工程材料的简称，因为化工材料经常被用来制造各种化工机械、管道、化工仪表等化工设备，其工作环境的特殊性，要求材料本身除了需要具备一般工程材料的性能外，还需要具有良好的耐腐蚀性能，根据不同的使用条件和用途，化工材料通常需要具有导热或隔热，耐低温或者耐高温的特殊性能。

　　1.2 化工材料的种类

　　化工材料分为两大类，即非金属材料和金属材料，其中化工金属材料又分为有色金属材料和黑色金属材料。非金属材料主要有橡胶，塑料，陶瓷，玻璃，石墨，搪瓷等等，塑料在工业生产中发展迅速，具有优良的耐腐蚀性能，其应用十分广泛。玻璃、陶瓷等具有良好的耐酸性，但是由于性脆，且无法做成大体积的设备，其用途受到一定的限制，玻璃、陶瓷等材料通常被用来搪、衬金属表面，从而制成耐腐蚀的搪瓷设备。石墨材料具有良好的耐酸、耐热性能，且具有较好的导热性能，因此它的应用也十分广泛。

　　此外，在非金属和金属之间，还有一种非晶态的合金化工材料，其具有过冷液体的结构，且耐腐蚀性能极好，近似一些贵金属，但是这种材料还在开发研究中，若研制成功，改材料会具有十分广阔的应用前景。

　　1.3 化工材料的优良性能

　　机械性能，因为化工材料多用来制作化工机械，而化工机械通常都会承受很大的冲击力，压力或者拉力，这就要求化工材料具有良好的机械性能，诸如屈服轻度，冲击强度，抗拉轻度，弹性模数，蠕变强度，疲劳极限，硬度以及伸长率等性能。根据化工机械的不同使用条件和用途，会要求化工材料具备不同的机械性能。

　　耐腐蚀性能，在各种腐蚀环境中，不同的材料具有不同的耐蚀性，而材料耐腐蚀性能优良与否是一种相概念。化工材料的环境大多都具有较强的耐腐蚀性能，如强酸、强碱等。所以化工材料还具备十分优良的耐腐蚀性能。

　　加工性能，化工设备的用途广泛，因此在制作时加工要求较高，需要材料满足各种加工性能，如切削、铸造、热处理、焊接等，在化工设备的制作中焊接性能尤为重要，因此化工材料通常都具备良好的加工性能。

　　物理性能，化工材料的物理性能十分优良，如良好的导热性能，热膨胀系数等。

　　2 化工材料在体育器材中的应用

　　基于化工材料的各种优良性能，其在体育器材领域的应用越来越广泛，近些年几种新型的化工材料被应用于体育器材的制作，并且取得了良好的成果。

　　2.1 石墨烯复合材料

　　体育器材中使用石墨烯复合材料使体育器材的力学性能、热学性能得到很大的增强，并且石墨烯复合材料具有良好的可设计性和硬度，因此其在体育器材中的应用十分广泛。石墨烯复合材料具有良好的力学性能，在球拍的制做中使用石墨烯复合材料可以使球拍的强度大大提高。比较典型的例子就是2014年设立品牌推出的TK9000,这块球拍在3、9点位置使用的石墨烯复合材料，大大提高了拍框的质量，进而减少了人力能量的消耗，在使用球拍时球感更加扎实，进攻性能成倍增加。此外，石墨烯及其复合材料具有极强的抗菌抑菌性能，亲肤透气性能和抗静电性能也十分良好，还具有防紫外线的特点，因此石墨烯复合材料也被应用于专业的户外运动服装中，例如著名品牌catlike推出的一款石墨烯头盔，其质量十分轻，只有250g,且石墨烯复合材料具有极强的硬度，这块头盔具有足够的强度来保护使用者的头部安全。另外，石墨烯复合材料还被应用于撑杆的制造中，传统的撑杆都是竹制或者木制的，这种撑杆会严重浪费运动员的动能，进而影响到最后的成绩，撑杆的制做材料经历了很多次的改进，从竹木材料，到尼龙材料，再到玻璃纤维，现在常用的材料是碳材料，在撑杆的制做过程中加入石墨烯或其复合材料，能够大大提高撑杆的性能，使用石墨烯或其复合材料后能够显著减轻撑杆的质量，同时增强撑杆的强度，并且具有良好的韧性，能够使运动员的动能最大程度的被应用，减少浪费，进而使得运动员的成绩更好。

　　图1 加入石墨烯材料的球拍  

　　Fig.1 A racket made of graphene

　　2.2 尼龙复合纤维材料

　　杜邦公司于1960年对芳香族聚酰胺进行了一系列的研究以增强尼龙的耐热性能。研究开发出了两种材料，两种材料分别是Nomex纤维（聚间苯二甲酰间苯二胺）和Kevlar纤维（聚对苯二甲酰对苯二胺），在材料Nomex的纤维结构中，由于苯环的存在致使纤维的分子链结构无法进行内旋转，分子机构中有极性基团酰胺基，它可以促使分子链间氢键的形成，进而使增大了分子链之间的作用力，除此之外酰胺基与苯环之间还还能够构成共轭体系。因此，Nomex纤维聚合物的分子链就够的刚性很大，这也是Nomex纤维聚合物拥有优良性能主要原因，其只要的优良性能有：高强度，高耐热，高刚度，耐潮湿，其耐化学腐蚀性能良好，耐燃等等。Kevlar纤维结构的分子链是由极性酰胺基和苯撑基交替形成的，并且两种基团的分布密度高，其苯环和酰胺基也可以形成共轭体系。此外，Kevlar纤维聚合物分子链中具有苯撑基，与间位苯基相比，其对分子链刚性的影响更大。由于有大量的刚性苯环和氢键存在于纤维结构的分子链间，聚合物的玻璃化温度极高，甚至可以到达345℃，而其热分解分度可以达到560℃，在其密度为钢铁的1/5时，而聚合物的模量逝钢铁的3~4倍，相比其他材料，其断裂强度也较高，此外聚合物这种分子结构特点还使得其具有质量轻，耐高温，耐腐蚀，抗冲击能力强，膨胀喜是小，阻燃，韧性好等优点[3].

　　芳香尼龙经过一些列的工艺可以做成三维纺织植物复合材料，该复合材料强度很高，其抗冲击性能十分优良，因此这种材料可以用来制做防护用具，例如防护手套，防护服，护膝，护腿板等等，芳香尼龙还可以用来制做绳索，成品具有很高的强度，耐磨，耐潮湿，且具有良好的尺寸稳定性[4],它可以被用来制做滑翔伞绳，滑水绳，攀登绳索以及降落伞绳索等。

　　图2 芳香尼龙绳索  

　　Fig.2 Aromatic nylon rope

　　2.3 不饱和聚酯复合材料

　　分子链上含有不饱和键的聚酯高分子称为不饱和聚酯，它是由二元酸和二元醇发生酯化反应形成的线型聚酯，其溶解后加入一定量的交联单体，使其产生交联反应，经过固化后就可以获得体型结构的不饱和聚酯，这种聚酯也称作热固性树脂。采用不饱和聚酯可以做成很多的复合材料，这些复合材料被用在很多的运动器材上，例如单杠，双杠，网球拍，道具，赛艇，保龄球以及鱼竿等等[5].

　　2.4 碳纤维复合材料

　　碳纤维是一种有碳元素组成的特种，碳纤维的种类随着碳含量的不同而不同，其碳含量一般都在90%以上[6].碳纤维耐摩擦，耐高温，耐腐蚀，导热以及导电等优良性能，此外还具有十分显著的各向异性，其质柔软，可以根据要求加工成各种成品，同时碳纤维沿纤维轴向具有很好的强度。由于碳纤维的质量很轻，其比强度也相对较高。全球很多一级赛车锦标赛所使用的赛车，车身整体或者部分都是使用碳纤维材料制成的，而世界一些顶级的跑车也都是使用的碳纤维车身，这样可以很好的提高赛车的结构强度和气动性，也能提高撑杆的强度和柔韧性，避免了断裂扭结现象的产生，从而大大提高运动选手的比赛成绩。另外，利用碳纤维复合材料的高阻尼优点，还可以将其应用到高尔夫球杆的制作中，结合碳纤维质轻的特点，还能够是球杆的重量减轻很多，据相关数据统计，碳纤维复合材料的使用能够使球杆的质量减轻10%~40%,有助于延长球杆的击球时间，从而使得球被击打的更远。采用比模量大、比强度大，质量轻的碳纤维复合材料制作网球拍，能够使球拍自身过的较大的初始速度，有利于运动员的击球。碳纤维复合材料还可以用在自行车的许多部位，例如，曲轴，车架，座位支架等，能够赋予车体良好的减震性能及刚性[7].

　　2.5 环氧树脂复合材料

　　环氧树脂分子的制备是在具有两个或两个以上环氧基团的分子链中，加入适当的试剂，让分子链发生交联反应，然后形成一种三维网状结构的固化物，环氧树脂是一种重要的热固性树脂，其应用十分广泛。绝大多数的环氧树脂都是双酚A型环氧树脂，这种树脂是由环氧氯丙烷和双酚A进行缩聚反应后获得的产物。其分子结构中含有多种极性基团，如环氧基、醚键、脂肪族羟基等等，环氧树脂分子结构中的极性基团能够和金属、硅酸盐等材料发生反应，进而使得与其极性表面具有很强分子间作用力，含有活性氢的材料还可以和环氧基之间形成化学键，同时醚键可以使环氧树脂的分子链十分柔顺，这样就加快的其在其他材料表面的扩散速度。这也表明环氧树脂具有很强的粘着性，故而万能胶成为环氧树脂的另一个名字。生活中，环氧树脂复合材料更多的被使用于田径跑道的铺设，用这种铺设的跑道能够在一定程度上提高运动员的蹬地力量，从而使得运动选手的步幅和步频都有所增加，有利于提高运动员的比赛成绩。环氧树脂复合材料还可以用来铺设室内场地，使用这种材料后，地面的弹性更好，且柔韧性大大提高，缓冲能力也有所提升，使得地面对运动员脚踝的和膝关节的冲击力大大减小，对保护运动员身体具有很大的作用，同时环氧树脂材料还可以起到一定程度的消音效果，大大减少了运动过程中产生的噪音干扰[8].

　　2.6 生物工程塑料

　　生物工程塑料是一种新型的合成材料，其据具有十分优良的力学性能，相对较高的性价比也是的其应用越来越广泛，并且在所有合成聚合物中生物工程塑料的氧气透过率是最高的，这些优势使得其在体育器材领域的应用前景十分广阔。

　　目前已经成功开发出了一种具有超轻特质、高韧度的生物工程塑料，这种材料是经过特殊的拉挤工艺制成的，其具有高强度和高韧性的特点，材料的这种特性可以用来制做一些要求质轻透气同时高强度高韧度的体育器材，例如某些穿戴器材，诸如护具、头盔、运动鞋袜，运动服装等，相比普通的材料，这种生物工程塑料的应用能够使运动员的安全性更高，有利于专业运动员竞技水平的发挥。

　　硅橡胶是一种典型的生物工程塑料，被广泛的应用于运动场地的建造中，硅橡胶具有优良的耐高温性能，它能够在温度高达180℃的环境中长期工作，并且在200℃的高温环境下工作数周或者更长时间后，其弹性仍然良好，其瞬时可耐高温达300℃以上。基于这种生物工程塑料优良的耐热性能，强韧性能以及弹性性能，其被广泛的应用于各种运动场地的建造。

　　同一般的材料相比，生物工程塑料具有更强的抗老化能力，例如在碳纤维环氧树脂复合材料中加入氨基化碳纳米管，能够使材料的耐热氧化能力、耐盐雾性以及耐高温性显著提高。因此生物工程塑料也能够广泛的应用于户外体育运动器材，例如球类中央网、单双杠等户外设施，甚至可以用于户外徒步鞋、登山鞋，此外也可以应用到户外衣物中，也能够起到抗老化，抗氧化作用，延长器材的使用寿命。

　　3 化工材料的智能化发展分析

　　新型化工材料的各项性能都十分优良，并且随着体育运动不断的发展，其在各种体育器材上的应用也越来越多，将对未来体育器材的发展产生十分深远的影响。

　　1）体育器材材料将会更加智能化、个性化。现代社会人们对个性化的需求越来越大，设计自由度大的新型化工材料将会得到进一步的发展，随着专业性的不断深入，智能化和个性化的化工材料将会渐渐成为体育器材的主流材料。

　　2）体育器材材料将会更趋向于绿色材料的研发，现代社会中绿色发展观念不断的被宣传普及，人们的绿色观念和健康意识也越来越强，因此在体育器材材料的开发中将会更加注重材料的环境友好性和可降解性，未来将会减少对环境有害的传统材料的使用，而新型绿色环保材料将会被更为广泛的应用。

　　3）体育器材材料将会更多的注重性能优异的性能材料的开发，许多新型材料都具有更方面的优异性能，能够更好的满足各种使用需求，且对环境友好，性价比高，因此，未来会更多的开发各种具有优异性能的新型材料，其应用前景十分广阔，发展空间也很大。

　　4 结语

　　当今社会的体育运动竞技随着科技的进步逐渐被更多的人所关注，甚至体育竞技已经成为衡量国家科技水平的标志之一，而材料的发展对体育器材的开发制造具有十分重要的意义。体育器材的使用要求不断提高，导致对其多使用的材料的要求越来越高，因此对材料的开发研究显得极为重要。随着化工技术的不断提高，近些年研究人员成功研发各种高性能的新型化工材料，这些化工材料具有高强度，轻质量，优良耐腐蚀性能，优良延展性，易于加工，设计自由度大等优点，这些优良特点在各方面都十分符合现代体育器材的使用要求，因此其在体育器材的应用前景十分广泛，极强对化工材料的研究开发，对未来体育器材的发展具有十分深远的影响。

　　参考文献

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　　[2]冉清泉，周家颖。高新材料的应用于体育运动的发展[J].中国体育科技，1998（2）：35-39.

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　　[4]顾龙鑫，陈晓钢，杨红英，等。芳纶及其复合材料产品在体育器材上的应用[J].合成纤维，2016,45（7）：20-25.

　　[5]杜希岩，李炜。纤维增强复合材料在体育器材中的应用[J].纤维复合材料，2017（1）：12-17.

　　[6]陈伟，白燕，朱佳强，等。碳纤维复合材料在体育器材中的应用[J].产业用纺织品，2011（8）：32-37.

　　[7] 陈志同。碳纤维复合材料在体育器材中的应用[J].北京体育大学学报，2013（12）：236-240.

　　[8]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）：155-160.