高性能高分子材料性能优势及对篮球运动发展影响分析研究

任博聪

（陕西铁路工程职业技术学院，陕西渭南714000）

高分子材料是以高分子聚合物为主体的材料，与金属材料、陶瓷材料一样,高分子材料是在当前人类社会活动中得到了广泛应用的一种重要材料类型,是构筑现代社会幸福生活的基石之一。高分子材料种类丰富,可以从来源或者性能上来进行划分和归类：从来源上可以分为天然高分子、天然改性高分子、合成高分子；从性能上可以分为通用高分子和功能高分子。高分子材料因其来源、加工等比较容易，而且性能优异，因此在生产和生活中被广泛应用。篮球运动是一项集力量和速度为一体的体育运动，具有一定的竞争难度。除去运动员的技能还对篮球运动的相关材料也提出了更高的要求（韧性、强度、抗击等），高分子材料因其优异的性能，可以满足篮球材料的要求，可以被应用到篮球运动领域的多个方面[1]。

1 篮球运动高性能高分子材料分类与性 能分析

高分子材料是以高分子化合物及其他添加剂为基础所构成的材料，也被成为聚合物材料。将其根据来源划分，可分为天然高分子和合成高分子材料。前者是存在于生物体内的高分子化合物，可分为天然纤维、天然树脂、天然胶等。后者主要是指塑料、合成橡胶和合成纤维三大合成材料，此外还包括胶黏剂、涂料等。篮球运动常用高性能高分子材料分类见图1。

图1 篮球运动常用高性能高分子材料分类Fig. 1 Classification of high performance polymer materials commonly used in basketball

1.1 碳纤维复合材料（CFRP）

碳纤维本身为一种纤维材料，在不进行复合条件下仅用碳纤维并不能制造出部分性能要求较高的零部件。因此，碳纤维要和树脂一起制成复合材料使用。根据所用树脂种类的不同，以及碳纤维品种、状态（可制成织物及短纤维等多种形态）的不同，制成的CFRP的特性也大不相同。而碳纤维复合材料（CFRP）是碳纤维增强碳基体复合材料，具有高强高模、密度低、热膨胀系数小、耐烧蚀、耐疲劳、化学惰性、抗热冲击、尺寸稳定性高、断裂韧性大、导电性极高等一系列优点。CFRP不仅是一种无与伦比的耐烧蚀材料，而且也是一种最高使用温度的热结构材料。因此CFRP作为新型的耐高温结构-功能一体化工程材料，得到了迅速的发展，使其在航空航天领域中成为难以替代的材料。目前，广泛应用于固体发动机喷管，导弹比锥，航天飞机耐烧蚀材料和隔热材料，民用、军用飞机和赛车的摩擦制动材料以及生物工程结构材料，由于CFRP的价格相对较高，限制了它在工业领域的应用。无论从产量还是产值，它在国防尖端方面及飞机制动材料的应用已经囊括了CFRP的90%。碳纤维制品特点：

（1）碳纤维复合材料（CFRP）的密度比许多金属材料要轻，CFRP的密度约为1.85g/cm3、铝（Al)的密度为2.7g/cm3左右，铁（Fe）的密度为7.8g/cm3左右[2]。

（2）抗腐蚀性强，CFRP具有很强的耐腐蚀性，在自然环境恶劣下依然可以正常工作，能够减少阳光、风沙、氧气等对运动器材的侵蚀，增强其使用寿命；CFRP还可以抵御紫外线，免除了困扰许多材料的紫外线伤害问题的烦恼。

（3）耐磨、耐冲击性好，CFRP耐磨、耐冲击，对比一般材料优势非常明显。

（4）良好的导电性能，碳纤维导电性能良好，1米长的12K碳纤维丝的电阻约为35Ω。

（5）抗冲击高，适用于体育器材的生产、制造。

1.2 聚氨酯复合材料

与传统材料相比聚氨酯复合材料具有以下特点，见表1。

表1 与传统材料（橡胶）相比聚氨酯复合材料的性能优势Table 1 Performance advantages of polyurethane composite plastics compared with traditional materials (rubber)

由表1可知，聚氨酯复合材料在密度、拉伸强度、弹性模量、抗老化、耐腐蚀性和耐疲劳性等方面均优于天然橡胶[3]。

（1）密度小的聚氨酯质量相对较轻，而质量轻的材料对体育运动的舒适度具有很大的影响。这类轻质量的体育器材，在保障体育器材性能的同时还方便维护，增长使用寿命。

（2）拉伸强度、弹性模量等力学性能优异，它可以在保证材料性能的基础上，降低对体育器材的成本投入。

（3）抗老化、耐腐蚀性强，在一些自然环境恶劣下，可以减少阳光、风沙、氧气等对运动器材的侵蚀，增强其使用寿命。

1.3 丙烯酸

弹性丙烯酸球场地坪的塑材软垫及丙烯酸涂面系统，其厚度为3～4 mm左右。在以铺设好的基面上在铺设内含百分百无机性纤维颜料与弹性丙烯酸，其优势在于：性价比高；水性原料，属于绿色无污染的环保产品；由丙稀酸丙烯酸乳胶原料制成，色彩鲜艳、抗紫外光性能好，可以保持长时间在阳光下暴晒而不褪色；回弹性好，不易开裂，具有减震功能，可以为运动员带来舒适的运动感，同时可以减少运动员受伤；耐候性高，在一些自然环境恶劣的环境里，可以减少阳光、风沙、氧气等对运动器材的侵蚀，增强使用寿命；附着力强，结合牢固，不脱层、不鼓泡；表面平整，方便维护和清理，性价比高，费用低[4]。

2 高性能高分子材料对篮球运动的发展影响

2.1 高分子材料对篮球的发展影响

传统的篮球一般使用动物皮革进行制造，这种球控球手感好，弹性适中，但是生产过程复杂，而且价格、保养成本偏高。现在制作篮球的材料多为聚氨酯（PU）和PVC 合成皮，PU耐磨性好、易加工、不易变形，通过调控-OH与异氰酸酯基（R-N=C=O）的比值能够改变材料的柔顺性，可以避免因使用不正确而导致的球爆炸事件。PVC（聚氯乙烯）通过聚合物的改性能提高材料的耐高温和抗冲击性。温度为142℃左右时，在棉布或者纸张上涂上PVC进行加热会发生变化生成凝胶，凝胶成型后变为薄膜，再通过滚筒对薄膜进行压紧，即为人造革。人造革在手感和耐低温性能上不如聚氨酯（PU）材料，但其在耐磨、防水、价格、抗盐碱性能上比聚氨酯材料好，适用范围更广。

2.2 高性能高分子材料对球衣的发展影响

影响运动员体育成绩的不单是体育水平，运动服的材料和舒适度同样会直接影响到运动成绩。篮球运动服按照材料分类可以分为以下两种：防水透湿性好，这种球服一般以聚酰胺合成材料尼龙塔夫绸为基础，在其表面涂上复氨酸系聚合物，可以使篮球服具有良好的透气和吸湿排湿的性能。保温吸汗性好，聚酯纤维（涤纶）是聚酯（PET）和纺丝的合成物，主要成分为(C10H8O4)n，相对分子量约为18500。聚酯纤维的稳定性、耐皱性和绝缘性等都比较好，同时抗酸、碱度效果良好[5]。如果在含有聚酯纤维材料上在进行真空蒸镀铝或钛，它的有效反射红外线效果会更好，将其用在球服制作中可以控制球服内部的温度，提高球衣舒适度。在此基础上，相关人员研制出一款新的由三层纤维组成衣料。我们常用的纤维分为两种：人造纤维，此类纤维一般从石油中提取出含有疏水基团，因此也被成为疏水纤维，该纤维是回潮率小于4.5%、吸湿性较弱的纤维；天然纤维，此类纤维主要是由葡萄糖（C6H12O6）组成，成分中含有大量能与水结合的羟基（-OH），二者结合形成氢键，因此被称为亲水纤维。如果篮球服的制作采用最外层为亲水性纤维、最内层是疏水性纤维，中间层是两种纤维的混合，因此该球服在防水透湿性、保湿吸汗性上将是非常好的，适合运动员使用[6]。

2.3 高性能高分子材料对球鞋的发展影响

高分子碳纤维可以应用在球鞋上，即碳纤维防扭转承托盘，也就是用碳纤维制造的防扭转承托盘。碳纤维板在球鞋起到防扭转承托盘的作用。说到防扭转托盘，要从人体工程学、人脚的生理结构说起，防扭转承托盘就好比足弓对于脚的作用。作为骨骼，足弓是框架，起支撑负载肌肉组织的作用。作为结构，足弓是桥梁，连结前后脚掌并缓冲或传导力量。对于鞋来说，防扭转承托盘的作用与足弓的作用非常相似。首先，它的防扭转功能正是为了保护足弓，防止球鞋和人脚在作用力下发生损坏。运动员的足弓一旦受伤，后果是难以想象的，很可能意味着运动生命的结束。所以，这个保护功能是碳纤承托盘的最基本的使命。其次，作为承托盘，它的作用就像骨骼对于肌肉组织，脊椎对于人体，钢筋对于混凝土，是支撑，是筋骨。没有承托盘的运动鞋都软趴趴的，缺少稳定性，无法适用于激烈的运动项目。因此，名牌运动鞋（篮球鞋、足球鞋）都具有强大的防损伤设计。对于功能性运动鞋来说，防扭转承托盘是必须的结构。而碳纤维复合材料的作用，就是让它更坚韧、更有弹性的同时，让它重量更轻，目前来说，碳纤维复合材料是制造球鞋防扭转承托盘最好的材料，用最好的材料制造出最好的鞋[7]。

2.4 高分子材料对篮球架的发展影响

传统的篮球运动中篮板的材质多为木质，因其结构不够规整，总会影响运动员的进球成绩。现在的篮板材质多为有机玻璃（聚甲基丙烯酸甲酯/PMMA）, PMMA抗冲击性能强、柔顺性好。PMMA在经过加热处理后，其韧性和透光度都会提高，透光度也属于高分子材料中最好的，高达90%以上。在高性能高分子材料中聚乙烯纤维（乙纶）和乙烯基酯（Vinyl Ester Resins）的复合物乙烯基酯复合材料可以用于球架表面，该乙烯基酯复合材料结合了乙纶和乙烯基酯的优点，具有密度低、稳定性强等优点，适用于篮球架制作，会提高篮球的使用寿命、增强耐腐蚀性等[8]。最后再利用喷塑处理法进行处理，可以使篮球不掉漆、不褪色、耐氧化等。

2.5 高分子材料对篮球场地的发展影响

在打篮球时，人体会因肌肉的收缩产生反作用力，超过0.2秒的反作用力会给人体带来类似钢铁的破坏力。而篮球运动是一项冲击力很大的运用项目，运动员在起跳落地时很容易发生损伤。因此，篮球场地要在保持一定硬度的情况下，还需要具有适度的柔软缓冲性。高性能高分子材料因其优异的性能满足了篮球场地的这一要求。

（1）ETPU减震缓冲技术：ETPU颗粒能在每一次受力后会有效积聚并释放能量，独特的高分子蜂窝结构提供强大的缓震和回弹力，使跑道常年保持优异的弹性[9]。革命性的“Damping”技术将ETPU应用其中，在奔跑者每一步下都能被挤压、膨胀，再反弹，减轻运动中对膝关节和脚踝的损伤。

（2）抗UV耐老化技术：1000h加速老化后，其物理性能降低幅度小于1%，测试结果符合国际国内标准。独特的“Durable”面层技术，赋予其优异的耐老化及抗冻融性能，不黄变，不硬化，弹性不流失，65℃到零下20℃依然保持极佳的物理性能，适合穿钉鞋频繁进行专业竞技赛事，另外，还具超长的使用寿命，环保可回收再利用。

2.6 高分子材料对护具的发展影响

高分子材料中的慢回弹聚氨酯泡沫因在室温附近具有较高的粘弹性，能够吸收较高的能量，故可以作为运动护具，防止意外伤害。根据防护部位，慢回弹聚氨酯运动护具分为护肩、护膝、护肘、护踝、护胫、护背、护臀和护尾椎以及头盔等；根据运动种类，可以分为摩托车护具、滑雪护具、足球运动护具、溜冰运动护具等；根据使用方法，分为插片式、穿戴式和车缝连衣式。不同的运动对护具的要求不同，球场外使用聚碳酸酯（PC）、涤纶制成的围栏，即使发生碰撞，人和围栏都不会发生损伤。

3 结语

随着科技的发展，高性能高分子材料在各个领域的应用越来越多，因其性能优势在篮球运动中的应用也越来越多[10]。利用高性能高分子材料生产的篮球，它的舒适性、安全性是其他材料无法达到的。随着我国体育运动的发展和花式篮球的兴起，使得高性能高分子材料在篮球运动中备受喜爱。