健身理念的普及和运动竞技行业的快速发展，促进体育运动器材行业的稳步发展。体育运动器材不仅需要满足功能性、安全性、环保性、耐用性等基本要求，也需要适应体育运动器材行业的发展趋势，为运动员提升运动成绩起辅助作用。体育运动器材的材料是影响器材性能的关键因素，常见的器材原材料包括钢铁、合金、木材、塑料、泡沫等。热塑性塑料具有力学性能优异、易于加工、质量轻、耐用性能良好等优势[1-4]，研究者们开展大量关于热塑性塑料在体育运动器材的应用研究。热塑性塑料成为替代体育运动器材中金属材料、合金材料、碳纤维等材料的重要材料之一[5]，在体育运动器材的应用范围不断扩大。本研究以热塑性塑料在体育运动器材的应用为研究对象，介绍热塑性塑料的常见分类方式和性能特点，总结通用塑料、工程塑料、特殊塑料等在体育运动器材的应用情况。分析热塑性塑料在体育运动器材中应用优势和当前研究缺陷，为其在体育行业的应用提供理论指导。1热塑性塑料概述1.1热塑性塑料的分类根据热塑性塑料用途可以分为通用塑料、工程塑料、特种塑料等3类[6]。通用塑料的年产量较大、生产成本低、应用较为广泛。通用塑料包括聚乙烯、聚丙烯、聚氯乙烯、聚苯乙烯、丙烯腈-丁二烯-苯乙烯塑料、聚甲基丙烯酸甲酯和氨基塑料等[7-8]。工程塑料应用较广泛，包含聚氨酯、聚酰胺、聚碳酸酯、聚甲醛、改性聚苯醚、聚四氟乙烯和聚对苯二甲酸乙二醇酯等。特种塑料可以分为特种工程塑料、超级工程塑料、高性能热塑性塑料等，如聚芳酯、聚苯酯、聚砜、聚芳砜、聚醚砜、聚酰亚胺、聚氟乙烯等[9]。1.2热塑性塑料的特点表1为三类热塑性塑料的优缺点对比。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2021.12.026.T001表1热塑性塑料的优缺点Tab.1Advantages and disadvantages of thermoplastics塑料类型优势缺点通用塑料容易成型，加工较便利，化学稳定性强，改性方式多。硬度相对较低、耐久性差［13-14］。工程塑料耐热、耐寒性，尺寸稳定性、电绝缘性和比强度较好。成型加工难度相对较高。特种塑料高刚性、高熔点、高强度［15］。耐紫外线、耐候性、耐疲劳强度差。热塑性塑料分子量一般在几十万至几百万，具有高分子线性或支化的长链结构，由于热塑性塑料结构中不含有活性基团，经过加热后其易变成熔融状态，分子间不发生交联反应，冷却凝固后又变成新形态[10-11]。热塑性塑料经过加热只发生物理变化，其性能不随着加热而改变，形态变化可逆。热塑性塑料能够加工各种形态、尺寸的产品[12]。2通用塑料在体育运动器材中的应用现状热塑性通用塑料中，聚乙烯、丙烯腈-丁二烯-苯乙烯、聚丙烯等在球类、棍类、杆类和水上运动器材中应用较多[16-18]。崔丙刚等[19]分别介绍聚乙烯纤维、聚乙烯板及聚乙烯泡沫在体育运动器材的应用现状，并以聚乙烯塑料板用作水上帆船航标为例。结果表明：反应温度为280 ℃、压力为6 MPa，控制时间为4 h条件下，聚乙烯与抗氧剂反应，得到的聚乙烯塑料板材具有不易脱色、强度高、耐腐蚀性等特点，在帆船航标中使用寿命更长。黄晓华[20]利用二步法硅烷交联工艺改性聚乙烯，提升聚乙烯的耐热性能。改性聚乙烯具有较强的耐磨性、耐热性和电绝缘性。改性聚乙烯板在温度120 ℃，压力1 045 Pa的条件下与黏结剂加压45 min制作滑雪板。滑雪板的抗压强度为25.8 MPa，摩擦因数为0.03，-20 ℃时不产生裂纹，使用寿命相比改性前延长207 d以上。孟祥龙等[21]测定聚乙烯的耐冲击性能、蠕变性能、耐化学性能以及耐磨性能。结果表明：聚乙烯在50 kN作用力下，蠕变性为16.3%，且作用力越强，蠕变应变越大。聚乙烯耐冲击性是玻璃纤维的1.5~3倍，耐磨性小于金属材料，且耐化学腐蚀性较强。将聚乙烯运用于足球，能够增强足球的减震性，提升耐磨性和耐久性。杨论等[22]将聚氯乙烯应用于篮球场地板。聚氯乙烯的耐热性、力学性能优异，且生产成本相对较低，将其运用于体育场馆地板，能够有效解决维护费用高、耐热性差、维护难度高等问题。温度为35 ℃时，聚氯乙烯塑料永久变形值低于聚酰胺、聚氨酯等，聚氯乙烯地板具有更好的耐久性。段德平[23]采用混杂改性法，将聚丙烯与苯乙烯-丁二烯-苯乙烯嵌段共聚物共混改性。嵌段共聚物质量分数为2%时，聚丙烯塑料的韧性提升约13.15%，耐磨性、耐腐蚀性较好，将其制成体育运动器材具有较好的弹性，不易损害使用者身体，且耐磨性好，可以延长运动器材使用寿命。薛鑫[24]测试体育器材用聚丙烯的拉伸强度、断裂伸长率、冲击强度、弯曲强度等。结果表明：聚丙烯的拉伸强度为20.5 MPa、断裂伸长率为565%、冲击强度为30.6 kJ/m2，弯曲强度高达21.9 MPa，具有良好的力学性能。酒元明等[25]以丙烯腈-丁二烯-苯乙烯树脂/苯乙烯-丙烯腈共聚物(ABS/AS)在乒乓球的应用为研究对象。结果表明：AS质量分数为15%时，乒乓球具有较好的光泽，且耐磨性明显提升，有利于延长乒乓球的使用寿命。3工程塑料在体育运动器材中的应用现状在热塑性工程塑料中，聚酯、聚酰胺、聚氨酯、聚碳酸酯等材料在体育运动器材的应用最为广泛[26-29]，聚酰胺热塑性塑料在球拍类体育运动器材中应用较广泛[30]。李娟[31]对聚酯热塑性塑料的力学性能进行测试，并分析塑料应用于皮划艇艇身的优点。结果表明：聚酯热塑性塑料拉伸强度为97.85 MPa，断裂伸长率为3.71%，弹性模型2.53 GPa，冲击强度16.63 kJ/m2，运用于皮划艇艇身能够提升力学性能。王丽微[30]研究聚酰胺工程塑料在体育运动器材的运用，以滑冰鞋为例。结果表明：聚酰胺滑冰鞋可承受冲击应力、具有耐用性。李景华[32]研究聚酰胺塑料在体育器材的应用。结果表明：聚酰胺塑料的热分解温度可以达到560 ℃，其密度是钢铁的1/5，刚度是钢铁3~4倍，能够满足滑翔伞、降落伞绳索的使用条件。且聚酰胺塑料具有良好的力学强度、耐磨性、耐潮湿性和尺寸稳定性。姜斌[33]认为聚氨酯具有良好的减震性能，将其制成防护头盔能够吸收强度、减少摩擦力。结果表明：聚氨酯头盔的抗冲击强度为26.6 kJ/m2，力学性能良好。张冰[34]以聚氨酯材料在体育运动头盔应用为例，对制作工艺和材料性能进行研究。结果表明：温度为45 ℃，反应时间为1 d条件下，制成的聚氨酯材料抗冲击强度为30.6 kJ/m2，起减震、防护的作用。王楠楠[35]研究聚氨酯塑料在跆拳道头盔护具的应用，探究聚氨酯护具的制作工艺、优点。结果表明：模具温度为300 ℃，反应时间为24 min时，制作的聚氨酯头盔具有良好的力学性能和表面光滑性。当运动中发生碰撞，聚氨酯塑料能够吸收碰撞力，保护运动员。齐佳[36]研究聚氨酯塑料在健身器材的应用。结果表明：聚氨酯塑料具有质量轻、加工成本相对较低、降噪、提升耐磨性、耐腐蚀性能优异等特点，运用于体育健身器材中具有良好的前景。聚氨酯塑料的弯曲模量为158 MPa，且生产成本低，可以替代部分碳纤维塑料材料。张珂[37]采用多种改性方式优化聚氨酯塑料的性能，并测定不同制作条件下聚氨酯撑杆的性能。结果表明：聚氨酯塑料的固化温度为120 ℃、固化时间为5 h条件下，聚氨酯撑杆力学性能最佳，弯曲强度及弯曲模量分别为316 MPa和19 136 MPa。李然等[38]以碳纤维改性聚酰胺为原材料制备体育器械用复合材料，分析碳纤维与聚酰胺-胺型树枝状高分子对复合材料的影响。结果表明：聚酰胺中增加聚酰胺-胺型树枝状高分子材料，能够提升聚酰胺的拉伸强度，增强可加工性能。当聚酰胺-胺型树枝状高分子材料含量为1.0%，改性聚酰胺的性能最佳，拉伸强度提升约65%，拉伸强最大为113 MPa，在体育运动器材的应用前景良好。4特种塑料在体育运动器材中的应用现状特种塑料中在体育运动器材应用较少，通过添加其他材料改性后制成复合球杆、板材等[39-40]。申桂英[41]对聚砜的热变形温度、耐化学腐蚀性、力学性能和电性能进行测试。结果表明：聚砜的热变形温度在170~200 ℃，具有力学性能良好、耐腐蚀、质量轻等优势，能够适应高速度的赛车运动，且符合赛车轻量化的发展趋势。刘冰倩[42]对聚芳酯塑料进行改性研究，测定改性前后聚芳酯塑料的性能。结果表明：采用紫外改性方式，改性聚芳酯的剪切强度增加20%~30%，剥离强度比改性前提升17%左右。聚芳酯塑料具有良好的抗冲击性、吸湿性、抗震性和伸长率，在滑翔伞绳索、球杆、皮划艇、羽毛球拍和乒乓球拍等应用广泛。李梦鸽[43]采用硅烷偶联剂对聚芳酯热塑性塑料进行改性。结果表明：改性聚芳酯热塑性塑料的剪切强度由5.18 MPa提高至8.04 MPa。改性聚芳酯热塑性塑料可在网球拍、钓鱼竿和鱼线、帆船船体中应用。崔营[44]研究聚四氟乙烯在球杆、网球拍等器材的应用，采用碳纤维对聚四氟乙烯进行改性，并测定改性聚四氟乙烯性能。结果表明：改性聚四氟乙烯的磨损率为2.15×10-13 m3/(N·m)，说明改性聚四氟乙烯的耐磨性能优异，能够延长球杆的使用寿命。5结论热塑性塑料具有加工性能强、生产成本低、力学性能优异、耐腐蚀性、耐化学性能强等优势，应用范围正逐渐在体育领域扩大，成为替代金属、合金、木质等材料的重要材料之一。但目前热塑性塑料在制作工艺、改性方式、性能研究等方面还有深入研究的潜力，未来应当强化对热塑性塑料工艺流程、改性方式和性能研究，进一步发挥热塑性塑料在体育行业的应用优势。