Nowoczesne materiały w sportach ekstremalnych i nie tylko

Szybciej, wyżej, dalej - świat sportu istnieje, aby ustanawiać coraz wyższe rekordy. Każdy, kto chce osiągnąć wyniki, musi dysponować czymś więcej niż tylko sprawnością fizyczną. Coraz większą rolę odgrywają, zwłaszcza w sportach wyczynowych, zaawansowana technologia i wysokiej jakości materiały. 

Ekstremalne osiągi w sporcie zawsze pojawiają się w nagłówkach. Ale kto myśli o materiałach potrzebnych do urzeczywistnienia tych innowacji? 

Zakres materiałów stosowanych w sporcie jest bardzo szeroki. Już pod koniec ubiegłego wieku poliuretany i konstrukcyjne tworzywa sztuczne stanowiły 58% zaawansowanych materiałów wykorzystywanych w sporcie z uwzględnieniem materiałów wzmocnionych włóknem [1]. W przypadku formowanych produktów sportowych polipropylen stanowił 3-krotność udziału kolejnego w ilości tworzywa ABS-u (akrylonitryl-butadien-styren) [2].

Podczas mistrzostw świata czy olimpiad jedni z najbardziej odważnych (niektórzy mogą powiedzieć, najbardziej szalonych) sportowców wykorzystują siebie i swój sprzęt do granic możliwości. Aby unikać kontuzji i osiągać jak najlepsze wyniki, zawodnicy w motocrossie, rajdowym crossie, skateboardingu, BMX i kolarstwie górskim zależą od stale rozwijającego się wyposażenia bezpieczeństwa, możliwego dzięki szerokiej mieszance wytrzymałych, amortyzujących i wysokowydajnych tworzyw sztucznych. To także dobra wiadomość dla sportowców amatorów, ponieważ innowacje high-tech stworzone dla sportowców ekstremalnych są często przystosowane dla nas zwykłych śmiertelników. Oto kilka przykładów wykorzystania tworzyw sztucznych do ochrony ekstremalnych sportowców.

Sporty ekstremalne często obejmują wysokie prędkości, akrobacje grawitacyjne, śmiałe skoki i zderzenia z innymi zawodnikami i ziemią. Właśnie dlatego prawie wszyscy ci sportowcy noszą hełmy wykonane z twardego, amortyzującego uderzenia, tworzywa sztucznego. Chociaż kaski różnią się w zależności od sportu, mają te same podstawowe elementy.

Aby pomóc w absorpcji wstrząsów, zewnętrzna powłoka jest wykonana z twardych tworzyw sztucznych, takich jak:

• kompozyty z tworzywa sztucznego wzmocnionego włóknem węglowym (stosowane do produkcji samochodów wyścigowych),
• tworzywa sztuczne wzmacniane włóknem szklanym (często nazywane włóknem szklanym),
• ABS (akrylonitryl-butadien-styren, ten sam plastik używany w klockach LEGO), lub
• włókna aramidowe (Kevlar firmy DuPont jest jednym z najbardziej znanych).

Te wysokowydajne tworzywa sztuczne zapewniają doskonałą odporność na uderzenia - są również lekkie, aby zapobiegać zmęczeniu głowy i szyi. Ściśliwa warstwa wewnętrzna wykonana z piankowych tworzyw sztucznych, takich jak styropian lub polipropylen, zapewnia dodatkową amortyzację.

Charakterystykę pianki można dostosować do potrzeb poszczególnych sportowców i sportów. Na przykład, pianka z tworzywa sztucznego w kasku motocrossowym może być zaprojektowana tak, aby wytrzymać pojedynczy duży wstrząs, podczas gdy deskorolkarze mogą nosić kaski wyłożone pianką z tworzywa sztucznego, którą można wielokrotnie kompresować przy wielu mniejszych uderzeniach. Często mają dodatkowe plastikowe elementy dostosowane do wymagań każdego sportu. Na przykład ekstremalni sportowcy, tacy jak rowerzyści górscy lub kierowcy rajdowi, zwykle noszą plastikowy kask na całą twarz, który pomaga chronić głowę, twarz i szczękę sportowca przed uderzeniami.

Dla sportowców osiągających duże prędkości, którzy walczą z brudem, śmieciami i niesprzyjającymi warunkami pogodowymi, okulary ochronne są niezbędnym wyposażeniem. Podczas gdy rozmiar i kształt okularów może się różnić w zależności od sportu, tworzywa sztuczne odgrywają kluczową rolę. Oprawy okularów stosowane w większości sportów ekstremalnych są zazwyczaj wykonane z lekkiego tworzywa sztucznego, takiego jak nylon lub poliuretan, który zapewnia trwałość i niewielką elastyczność niezbędną do wytrzymania intensywności sportu. Rama często jest wyłożona warstwą miękkiego tworzywa piankowego, aby poprawić komfort i dopasowanie.

Elastyczne plastikowe paski do gogli są często wyłożone silikonem, żaroodpornym plastikiem (stosowanym również w kuchennych szpatułkach) o lekko gumowatej fakturze, która pomaga utrzymać gogle na głowie sportowca.

Soczewki gogli wykonane są z poliwęglanu, lekkiego, prawie nietłukącego się przezroczystego tworzywa sztucznego (używanego do produkcji kuloodpornego "szkła"), które pomaga chronić oczy rowerzystów przed zanieczyszczeniami, zapewniając jednocześnie dobry widok na drogę. Dzięki doskonałej przejrzystości optycznej poliwęglan jest często stosowany w soczewkach w hełmach z dołączonymi przyłbicami.

Sztuczki i akrobacje są często dość niebezpieczne. W przypadku sportów takich jak jazda na deskorolce, kolarstwo górskie i motocross, zawodnicy noszą ochraniacze wykonane zazwyczaj z wytrzymałych, ale lekkich tworzyw sztucznych. Zabezpieczenia na łokcie i kolana są często wykonane z twardego, odpornego na pęknięcia tworzywa sztucznego, takiego jak ABS, które pochłania impet uderzenia. Zazwyczaj są utrzymywane na miejscu za pomocą miękkiego, wygodnego tworzywa neoprenowego (również używanego w kombinezonach mokrych) i zabezpieczane za pomocą rzepów z tworzywa sztucznego (na przykład Velcro).

Te lekkie tworzywa sztuczne oferują elastyczność, zapewniając jednocześnie bezpieczne i niezawodne dopasowanie. Bywają także wyłożone piankowym tworzywem etylenowo-winylowo-octanowym (EVA), które dopasowują się do kształtu łokcia lub kolana, aby zapewnić wygodę i dodatkowe pochłanianie wstrząsów. W sportach, w których może wystąpić upadek całego ciała, takich jak BMX, motocross i kolarstwo górskie, rowerzyści mogą również nosić dodatkową ochronę ciała, na przykład płytę piersiową i ochraniacz kręgosłupa. Zazwyczaj są one wykonane z twardych plastikowych skorup i piankowej wyściółki zapewniającej amortyzację, a także z elastycznego elastanu dla wygody i dopasowania.

W świecie sportu wykorzystuje się do różnych elementów wiele tworzyw sztucznych nie tylko w celach bezpieczeństwa sportowca, ale także w ulepszaniu sprzętu i poprawianiu wygody sportowca.

Aby przetrwać tysiące godzin treningu i zawodów, wyposażenie sportowców musi być trwałe w czasie, bez utraty innych integralnych cech. Żywice polieteroamidowy oferują odporność na wstrząsy i trwałą elastyczność, dzięki czemu jest to materiał wybierany w dynamicznym zakresie wymagających zastosowań sportowych. Żywice PMMA zapewniają zwiększoną odporność na uderzenia kadłubów zewnętrznych na kajakach, łodziach i skuterach wodnych. Wysokowydajne polimery poliamidowe i termoplastyczne stopy PA/PE stosowane są w najbardziej ekstremalnych sportach zimowych.

Elastan (lub Lycra) jest interesującym elastycznym elastycznym włóknem sztucznym. Służy do produkcji odzieży sportowej, w tym pianki, także z innymi włóknami, aby zapewnić wygodną odzież o dopasowanym kroju, która pomaga utrzymać mięśnie. Jego struktura ma elastyczny odcinek, który sprawia, że jest miękki i gumowaty, a sztywny odcinek (zawierający podstawione pierścienie benzenowe i mocznik, –NHCONH–, grupy funkcyjne), który czyni go twardszym niż guma. Różne łańcuchy mogą tworzyć ze sobą wiązania wodorowe (C = O IIIIIIII H – N), które wyrównują sztywne segmenty w różnych łańcuchach we włóknach. Elastan jest lekki, ale nie ulega uszkodzeniu pod wpływem światła słonecznego, potu lub detergentów - wszystko to może powodować zużycie innych materiałów.

Dzięki ultralekkim materiałom warstwowym zmniejszono ciężar desek snowboardowych. Materiał poliuretanowy Baypreg firmy Bayer Material Science AG gwarantuje niezbędną spójność między lekką warstwą środkową a warstwami powłoki. Ciekły układ dwóch składników, który przenika warstwy powłokowe, reaguje w wysokich temperaturach, podczas tłoczenia mieszanki w ciągu zaledwie kilku minut, łącząc wszystkie składniki na stałe.

Płetwa płetwie nierówna

Sporty wodne w tym wodne ratownictwo sportowe, nurkowanie czy coraz bardziej modne nurkowanie jaskiniowe też wymagają coraz bardziej zaawansowanych konstrukcji płetw. Konstrukcje te pociągają za sobą konieczność stosowania coraz lepszych materiałów których parametry wytrzymałościowe czy mechaniczne już dawno przekroczyły granice wyobraźni.

W świecie sportu znanych jest wiele rodzajów płetw przeznaczonych do pływania jak i do nurkowania, różniących się od siebie zarówno pod względem budowy,  jak i materiałów z których zostały wykonane. 

But płetwy, którego część tylna jest zabudowana lub otwarta z paskiem obejmującym piętę, zabezpieczającym przed wysunięciem się stopy z buta wykonany jest najczęściej z gumy neoprenowej lub podobnego materiału. Pióro płetwy zbudowane jest zazwyczaj z mieszanek nazywanych termoplastami. Tańszą metodą produkcji płetwy jest wtrysk termoplastu czy gumy do gotowej formy odlewniczej. Droższa metoda polega na formowaniu pióra płetwy z grafitowych włókien, w wyniku czego pływająca w nich osoba osiąga większą szybkość i moc. 

Na rynku dostępne są nadal, choć nielicznie, jednolite gumowe płetwy, jednak profesjonaliści preferują płetwy o złożonej konstrukcji, ponieważ są lżejsze, znacznie wydajniejsze, a dodatnia pływalność większości takich płetw zmniejsza groźbę ich zatonięcia i zgubienia.

Na rynkach światowych obecne są płetwy wykonane z następujących materiałów:

1. Płetwy z tworzywa termoplastycznego. Ich główną zaletą jest stosunkowo niska cena, są mocne, nie podatne na uszkodzenia. Jednakże termoplastyczne materiały mają znacznie gorsze właściwości w porównaniu z materiałami kompozytowymi.
2. Płetwy z włókna szklanego. Do produkcji płetw, oprócz niezwykle plastycznych polimerów, stosuje się również kompozyty na bazie włókna szklanego. Producenci używają specyficznych włóknistych wypełniaczy, które znacznie zwiększają elastyczność gotowego produktu. Zazwyczaj produkty wykonane tą metodą charakteryzują się modułową budową, umożliwiającą wymianę pióra płetwy. Ich wadą jest stosunkowo wysoka cena, niska trwałość i słaba ergonomia.
3. Płetwy z kompozytu węglowego. Są to najdroższe produkty. Tworzywo węglowe, które jest wykorzystywane do produkcji płetw ma doskonałą elastyczność. To z kolei umożliwia osiąganie przez użytkownika większych prędkości i lepszej zwrotności przy zmianach kierunku pływania. W celu zwiększenia szybkości pływania i mocy, płetwy węglowe są często wyposażone we wszelkiego rodzaju prowadnice, specjalne szczeliny, stabilizujące rowki i inne elementy ułatwiające ruch w wodzie.

Płetwy używane przez profesjonalnych nurków są wykonane z materiałów o wysokim module sprężystości. Najczęściej stosowane są włókna węglowe pokryte różnymi materiałami polimerowymi, takimi jak epoksyd lub poliester. Materiały o wysokim module sprężystości zastosowane w budowie pióra płetwy zwiększają jej efektywność użytkowania. Podczas ruchów wiosłujących w górę i w dół koniec pióra płetwy jest pod dynamicznym, pulsującym obciążeniem. Siła ściskająca i rozciągająca są naprzemiennie przykładane do zewnętrznej powierzchni pióra płetwy wzdłużnie, zgodnie z kierunkiem przepływu wody.

Znane są przykłady płetw formowanych z materiału o niskiej gęstości co zapewnia ich dobrą pływalność, takiego jak pianka z etylenu i octanu winylu (EVA). Materiał EVA ma również tę zaletę, że jest trwały, sztywny i odporny na uszkodzenia. Płetwa może być wykonana z innych materiałów "pływających", takich jak guma termoplastyczna (TPR) lub pianka poliuretanowa (PE). Znane są też płetwy wykonane z polichlorku winylu, polietylenu, polipropylenu i innych materiałów gumowych i polimerowych. Ponadto znane są płetwy zawierające kompozyty lub laminaty, takie jak włókno szklane, wzmocnione tworzywa sztuczne lub kompozyty węglowe. 

Istnieją płetwy zawierające but płetwy i system podwójnego opasania pięty, utworzone z jednego zintegrowanego, uformowanego materiału, na przykład przez formowanie z pomocą konwencjonalnej technologii wtrysku. Płetwa może mieć pożądaną elastyczność lub sztywność, przy czym korzystniej jest gdy płetwa ma wysoką sztywność, aby wytrzymywać naprężenia powstające na piórze płetwy.

Istnieją również płetwy o zmiennej krzywej które mają osiowe żebro, ograniczające krzywiznę pióra płetwy za pomocą karbów w kształcie litery V, wzdłuż jej długości. Osiowe żebro daje zmienne nachylenie płetwy, ogranicza krzywiznę płetwy i jest wykonane z gumy, najlepiej hartowanej.

W patencie WO2019053751A1 "Płetwy do pływania pod wodą" opisano płetwy, w których but jest wykonany z materiału wybranego spośród polimeru i kompozytu, a pióro z materiału, korzystnie wybranego spośród polimerowego kompozytu na bazie włókna szklanego, kompozytu na bazie włókna Kevlar, kompozytu na bazie włókna węglowego i ogólnie włókna strukturalnego na bazie kompozytu. Dzięki temu sztywność pióra płetwy maleje, począwszy od obszaru połączenia z butem płetwy, aż do jej krawędzi końcowej. Połączone ze sobą elastyczne elementy profilowane, są wykonane z materiału korzystnie wybranego spośród polimerów, naturalnych kauczuków, kauczuków silikonowych i tym podobnych, tworząc grzbiety, które są zasadniczo prostopadłe do pióra płetwy w celu kierowania przepływu wody podczas ruchu wiosłującego.

W obrocie rynkowym dostępne są płetwy wykonane z czystego węgla, włókna węglowego lub mieszanki włókien węglowych. Przykładowo na stronie internetowej www.seaducedfins.com ujawniono płetwy przeznaczone zwłaszcza dla osób uprawiających freediving, występujące w kilku wariantach "pióra płetwy".

Kolejnym przykładem są płetwy dostępne w ofercie przedstawionej na stronie internetowej www.scubastore.com, przeznaczone do uprawiania freedivingu. Pióro płetwy jest wykonane z 99% węgla, dzięki czemu jest bardzo lekkie, zapewniając jednocześnie wysoką siłę napędu przy stosunkowo niewielkim wysiłku użytkownika. Występuje tu znaczny odzysk energii wpływająca na skuteczność użytkowania. Dzięki innowacyjnej konstrukcji szyn wzdłużnych pióra płetwy, zmniejszone są turbulencje, tworząc dynamiczne płetwy wykonane z węgla. Pióra płetw zapewniają wysoką skuteczność użytkowania gdyż hydrodynamiczne, zoptymalizowane buty płetw są niezwykle miękkie i wygodne, jednocześnie zmniejszają opór, a odpowiednie usztywnienia zapewniają optymalną transmisję mocy między butem płetwy a piórem płetwy. 

Innym ważnym elementem w sportach wodnych jest wykorzystanie produktów wypornościowy, które znajdują zastosowanie w nauce pływania, treningach, rehabilitacji oraz asekuracji i ratownictwie.

Podstawowe rozwiązania opierają się na różnicy gęstości samego materiału w stosunku do wody. Różnica ta wynika najczęściej z występujących zamkniętych struktur porowatych, które dzięki zamkniętemu w nich gazowi zmniejszają gęstość pozorną materiału. Zmiany projektowe mogą pozwolić na uzyskanie stabilniejszych produktów wypornościowych o dodatkowych cechach, które zwiększałyby osiągi w sporcie zawodowym.

Idea zaprojektowania produktu w taki sposób, aby jego wnętrze było puste, a jednocześnie w pełni odizolowane od wody samo w sobie nie jest rozwiązaniem nowym (pływaki hydroplanu, konstrukcja łodzi podwodnych), jednak jego implementacja do stosunkowo małej skali wymaga innego podejścia materiałowego. Stosunkowo mała objętość produktów wypornościowych jest wskazana ze względu na stawiane opory ruchu w wodzie, które doprowadziłyby do drastycznego pogorszenia wyników. Dodatkowo, zastosowanie materiałów i niskiej gęstości, ale też mniejszej wytrzymałości niż wymienione wyżej elementy wypornościowe stosowane w większej skali, wymaga zastosowania przestrzeni częściowo jedynie pustej i wzmocnionej za pomocą wsporników wewnętrznych.

Najbardziej optymalnym wypełnieniem jest konstrukcja plastra miodu. Pochodzący z natury kształt zapewnia maksymalne wykorzystanie przestrzeni, przy jednoczesnym optymalnym wzmocnieniu struktury produktu. Od strony projektowej rozważane są trzy drogi rozwoju produktu opartego na tym rozwiązaniu geometrycznym.

Wariant o podwyższonej wytrzymałości udarnościowej i trybologicznej opiera się na zastosowaniu wewnętrznej heksagonalnej przestrzennej siatki, wykonanej z duroplastycznej, porowatej pianki, która od góry i dołu zamknięta byłaby płytami termoplastycznego tworzyw sztucznego o wysokiej wytrzymałości mechanicznej. Jako porowatą piankę proponuje się zastosowanie spienionych systemów bazujących na kopolimerze etylenu i octanu winylu. (EVA). Jako warstwę zewnętrzną proponuje się trójwarstwowe płyty polistyrenowe: HIPS-spieniony PS-HIPS). Rozwiązanie tego rodzaju zapewni najlepsze właściwości mechaniczne pod względem trwałości, ale także zapewni wysoką sztywność i stabilność całej konstrukcji przy niskiej masie.

Wariant o niższych kosztach produkcyjnych, ale podobnym zastosowaniu, stanowi konstrukcja, w której rdzeń w postaci heksagonalnej siatki wykonany jest z bezpiecznej pianki poliuretanowej (PUR) o wysokim stopniu usztywnienia. Zamknięciem takiej konstrukcji mogłoby być tworzywo będące kopolimerem styrenu i akrylonitrylu (SAN), które przy stosunkowo niskiej cenie oferuje dobre właściwości mechaniczne i chemiczne, pozwalające mu konkurować ze stosowanym powszechnie tworzywem ABS.

Trzeci proponowany wariant posiada nieco inne cechy użytkowe, ponieważ jest tworem o zwiększonej elastyczności. W tym przypadku do konstrukcji heksagonalnej siatki rdzenia zastosowanie ma pianka EVA lub elastyczna pianka PUR o zredukowanym stopniu usieciowania. Konieczne jest w tym przypadku znaczne zredukowanie średnicy heksagonów. Na tak przygotowany rdzeń możliwa jest aplikacja chemoutwardzalnego systemu dwuskładnikowego polimocznikowego (takiego jak przykładowo system Schomburg Gepotech 11/22). Dzięki zastosowaniu dwóch układów duroplastycznych otrzymuje się co prawda system o mniejszej stabilności, ale za to o większej możliwości dopasowania do ciała, co ma znaczenie zarówno w nauce pływania, rehabilitacji oraz specyficznych rodzajach treningu, gdy element wypornościowy przytrzymywany jest przykładowo nogami. Zastosowanie wspomnianej powłoki polimocznikowej zapewnia dużą odporność na ścieranie i czynniki chemiczna, ale jest całkowicie bezpieczny w stosowaniu w środowisku wodnym do tego stopnia, że został dopuszczony do użytkowania w kontakcie z wodą pitną.

dr hab. Andrzej Swinarew prof. UŚ

Uniwersytet Śląski, Wydział Nauk Ścisłych i Technicznych, Akademia Wychowania Fizycznego im. J. Kukuczki w Katowicach. Kierownik grupy badawczej TWAIN.

[1] European Plastics News 26, No.11, Dec.1999, p.33-4 SPORTING CHANCES Warmington A
[2] Injection Molding 6, No.10, Oct. 1998, p.96-7 SPORTS AND RECREATION Sloan J