如何构筑高分子“雪上筋斗云”？

伴随2022年北京冬奥会的热潮，冰雪运动也逐渐走进中国人的生活。在冰雪运动中，随处可见高分子的身影。我们从高分子化学与物理的视角出发，体验一场奇特的高分子冬奥盛会。

如何构筑高分子雪上筋斗云

在最近举办的北京冬奥会上，滑雪运动无疑是最受人们关注的项目之一。滑雪板作为进行滑雪运动所必需的“雪上筋斗云”，它的制造与高分子学科有着密不可分的联系。

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滑雪板结构

目前所用的滑雪板结构如下图所示。现代滑雪板通常是典型的变刚度弹性板，在安装固定器的区域通常具有较大的刚度。拱形的板身决定了运动时板翘会推着雪滑行，如果滑雪板触雪线区域的结构刚度过小，那么雪将逐渐堆积导致板翘提高使得滑雪板变形增加，导致速度降低。此外，在转弯过程中滑雪板板刃会侵入雪地中，如果滑雪板安装固定器区域到触雪线区域之间的部分结构刚度太大，那么在整个转弯过程中滑雪板变形将会太小，将导致运动员对滑雪板的操控性降低。因此，滑雪运动过程中滑雪板的复杂受力情况对于其板身材料特性提出了一系列要求。

图a. 现代滑雪板结构

滑雪板中的高分子材料

在早期的滑雪运动中，受限于材料科学的发展，人们选用天然高分子材料木材制造滑雪板。木材具有蜂窝状多孔结构，密度低的同时具有一定的强度，并且便于加工。但单板木材也具有一些明显的缺点：（1）其纤维结构导致板身高度各向异性，在扭转状态下的强度较低，耐磨性也较差，因而容易损坏；（2）木材主要成分纤维素含有大量羟基，较为亲水，在雪地潮湿环境下容易因为吸潮而变重甚至变形、扭曲；同时单板木材也难以调节各区域刚度。因此完全由单板木材制造的滑雪板被逐渐淘汰。

随着材料科学的进步，通过将金属，玻璃纤维，塑料等原料与木材进行复合，滑雪板制造逐渐转变为多层复杂设计。其中芯层部分就大量使用了低密度丙烯酸类泡沫等高分子材料，聚甲基丙烯酰亚胺（PMI）就是其中一种。聚甲基丙烯酰亚胺泡沫具有低密度、100%闭孔结构、高强度和耐热性等独特性质，被广泛应用于航空航天、汽车零部件以及许多其他领域。它以甲基丙烯酸（MAA）和甲基丙烯腈（MAN）共聚物为基体树脂，该共聚物在高温下发生软化，热分解产生气体形成气泡核，随气体量增加逐渐生长为气泡。同时共聚物中相邻的羧基与氰基发生下图中环化反应形成六元环亚胺结构，高分子链耐热性大幅提高，气泡结构被固定下来，最终得到PMI泡沫材料。该材料用于制造滑雪板的芯层，可以在保证结构强度的前提下，大大降低滑雪板重量，同时提供特异的弯曲性质。

图b. 聚甲基丙烯酰亚胺（PMI）泡沫材料

而在板基的制造中则大量选用了超高分子量聚乙烯材料（UHMWPE）。超高分子量聚乙烯材料是一种具有优异综合性能的工程塑料，目前认为其结构中存在三相，即完全结晶正交相、完全无定形相和作为界面相存在的全反式有序相。结晶相通常由排列成薄片的碳原子折叠成层，厚度约为10-50 nm，长度约为 10-50 μm。这种材料具有超强的耐磨性、自润滑性，强度高、化学性质稳定、抗老化性能强，已经被运用为人体全关节置换术的轴承材料。可同时满足低摩擦系数和耐磨等要求，因此是作为滑雪板基材的理想材料。

目前，人们还进一步通过将石墨与UHMWPE复合来制作基材。当滑雪板滑行时，底部和雪之间会摩擦产生静电荷，导致摩擦力增大。复合材料中的石墨有助于消散静电荷，减小摩擦提高滑行速度。。

图c. 超高分子量聚乙烯中的层状结构

此外，滑雪板的侧壁中大量使用了ABS工程塑料，板身的复合结构中也常常使用Kevlar纤维以及碳纤维材料，环氧树脂也被用作粘合剂来使各层结合牢固。可见在一块现代滑雪板的制造中，高分子材料起到了至关重要的作用。

参考文献

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供稿人：刘检兵许华平教授课题组本科生

审稿人：许华平清华大学化学系教授，主要研究方向为动态响应性含硒/碲高分子。中国化学会高级会员，中国化学会化学教育学科委员会副主任委员、中国化学会青年工作者委员会委员。