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科普|奥运会中的高分子材料
2022-07-18 11:37:14
 刚结束的奥运会从运动服,运动鞋、运动器械到运动场地,都涉及到很多的高分子材料.
 
高性能的高分子材料具有较高的强度、弹性、韧性等性能，与竞技体育追求更高、更快、更强运动目标非常契合，如碳纤维复合材料,聚氨酯材料,钛合金材料等比起原有的木质,塑料,金属材料,显示出的巨大优越性——主要是质轻,坚硬,耐磨损,耐腐蚀,弹性好等,从而有利于运动员创造优异成绩。
 
目前, 高分子材料在体育器材中的应用越来越广泛。
 
 
1.碳钎维的应用
碳纤维（CF）是含碳量在90%以上的高强度高模量纤维用腈纶和粘胶纤维做原料经高温氧化碳化而成
碳纤维的密度小因此比强度和比模量高
其耐高温居所有化纤之首是体育休闲用品制造航天航空等高技术器材的优良材料
在2020年其在体育休闲用品的用量是第三位占14%左右
 
▲图1 2020年全球碳纤维应用
 
碳纤维在体育器械中的应用特别多，如自行车、羽毛球拍、网球拍、高尔夫球杆、滑雪板、皮划艇等等。它的优点特别多，体积轻巧、耐疲劳极限大、高比强度，碳纤维设计自由度大。
采用碳纤维和纳米树脂的羽毛球拍纤细，强韧，轻轻就能获得更快的速度。相对于传统的铝合金羽毛球拍，碳纤维羽毛球拍轻盈、弹性好、手感舒适、击球震感优异，碳纤维比强度高比、模量大的特点，可以击出更快的球速。由碳纤维增强材料制成的高尔夫球杆,采用碳纤维布卷带成型法,比金属杆轻30%~50%,而其力学性能却较金属杆提高了许多。
 

▲图2 碳纤维羽毛球拍
 
在奥运会中比赛用的自行车大多为碳纤维自行车，它是车架、前叉、轮组等主要配件以碳纤维为原料的自行车。碳纤维自行车优点：
 
一是质轻，强度大，碳纤维比重不到钢的1/4，用碳纤维制造车架重量是普通合金车架的1/4。
 
二是冲击吸收性好，可以制成不用避震器的自行车。
 
三是碳纤维结构稳定，其耐蚀性出类拔萃，其经过百万次循环应力疲劳试验后，其强度保留率仍可达60%，而钢材为40%，可使体育器材的使用寿命增长。
 
四是造型容易，制品脱模效果好，利用碳纤维可以制造各种形状的车架，只要在不同的模具上铺上纤维片然后流入树脂并烧固，可以制成各种形状的碳纤维车架，成型后脱模简单，在脱模后其加工处理也非常简单，模具残留树脂也很好清理，而且脱模次数多。
 
▲图3 碳纤维自行车
 
2.聚氨酯的应用
 
聚氨酯（PU）
是在大分子主链中含有氨基甲酸酯基的聚合物
 
它是软段与硬段所组成的嵌段聚合物
可制成聚氨酯塑料（以泡沫塑料为主）
聚氨酯纤维（又称氨纶）、聚氨酯橡胶及弹性体
 
聚氨酯体育器材上也有很多应用
如体育防护用品、运动鞋、运动场地
 
聚氨酯纤维面料所制成的游泳衣和运动衣
具有迅速干燥和降低摩擦力的特殊功效
 

▲图4 自行车头盔、跆拳道头盔
 
聚氨酯可以有效吸收碰撞力，可以起到防护作用，聚氨酯防护头盔应用十分广泛，不仅在跆拳道项目中使用，而且也应用于自行车、摩托车运动中。
 

▲图5 运动场
 
作为减震材料聚氨酯常用于制造跑道、地坪， 聚氨酯塑胶跑道弹性适当，可吸收震动，能减少或减轻运动者的损伤，摩擦力大，使运动员容易掌握平衡，它可根据需要调配各种颜色，舒适明快。并且施工简便，直接在水泥或沥青地面上进行摊铺，分道线和标志线保留时间长，排水快，能保证雨后的训练和比赛。 
 
▲图6 2014年巴西世界杯比赛用球
 
聚氨酯弹性体具有缓冲性能好，质轻、耐磨、防滑等特点，是制鞋工业中的重要材料，制造棒球、足球等的运动鞋的鞋底、鞋跟、鞋头，以及滑雪鞋、高档溜冰鞋旱冰轮及滑板车的轮子都采用聚氨酯制造。
有透气性的聚氨酯产品用于制造防水透湿织物，如滑雪服、登山服、水上运动服等，及足球、保龄球及高尔夫球聚氨酯蒙皮等等。2014年巴西世界杯比赛用球由6层复合材料组成，表皮的聚氨酯皮面拼接而成。
 
3.热塑性弹性体的应用
 
热塑性弹性体（TPE）
是一种兼有塑料和橡胶特性
 
在常温下显示橡胶的高弹性
高温下又能塑化成型的高分子材料
是介于橡胶与树脂之间的新型高分子材料
 
它在运动机械上的应用很多
如用TPE材质做的泳镜比重轻、柔软、回弹性好
使用时紧扣于眼部，不易撕裂，耐老化
 
TPE材料的减震性能好，材料手感爽滑、触感舒适并拥有止滑性能，常用做握力器、拉力带、瑜伽垫等。拉力带是一款对身体各个不同部位进行锻炼的器材，如肩部、腰部等。TPE瑜伽垫在瑜伽垫中的高档产品，回弹性能好，手感舒适，干爽细腻，有耐磨、耐穿刺优良性能，使用寿命更长。                 以上是列举了三个常见的材料，在体育器械、运动服装上，还有很多很多的高分子材料，如我们穿的运动服大部分是聚酯材质，尼龙类材料制作的篮球、排球、羽毛球的拦网，自行车坐垫、尼龙跳绳，乒乓球是用赛璐璐制成的。