如何优雅地在客厅玩一场冰壶比赛?

8月 8, 2022 新利18体育全站

冰壶运动可谓是看上去最轻松、有趣的项目之一。简简单单的两套装备:壶和刷——让人产生一种我上我也行的感觉。为了能在家也体验到冰壶运动的魅力,机智的网友将魔爪伸向了家里的扫地机器人和拖把。图源网络[1]

在自家客厅就能玩一场冰壶比赛的确是一件令人兴奋的事情。真正的冰壶比赛必须要在真冰场地中进行,同时冰壶本身也价格不菲,除了扫地机器人,有没有一种既便宜又方便的冰壶体验方法呢?

国际顶级赛事中的冰壶,包括今年北京冬奥会的冰壶均来自苏格兰的凯斯冰壶场。其原材料花岗岩是从艾尔莎克雷格岛上开采出来的,被用于冰壶底部的特殊蓝色磨石(Blue Hone)坚硬且防水,反复在冰面摩擦也能长久保持原形。稀缺的原材料再加上后期复杂的塑性、抛光工艺使得一块比赛用冰壶的价格高达1.2万人民币。图a. 国际赛事用到的冰壶 由底部材料Blue Hone和壶身材料Common Ailsa组成(图片来源于科普中国)

可以说,全世界的冰壶都被苏格兰的这一冰壶厂“垄断”了。为了打破这一壁垒,设计者们发明了各种“仿制”冰壶(也称“旱冰壶”)。这种冰壶的底部用到了特殊的高分子材料,可以达到与蓝色磨石底部相近的效果。2009年,[2]河北理工大学的一项专利提出:用一种带有八块高润滑材料的冰壶不仅可以在冰面上滑动,还可以在其它平滑运动场地上任意运动。这既解决了传统冰壶底部材料造价昂贵的问题,也解决了运动场地条件苛刻的问题。图b. 一种“旱冰壶”的设计专利(1.手柄 2.壶身 3.高润滑材料制作的滑块)

这种高润滑材料的主要成分正是我们熟知的特氟龙(聚四氟乙烯,PTFE)。同时该材料还辅以碳纳米管以及氧化硼形成复合材料。

PTFE是以碳原子为主链,每个碳原子与两个氟原子相连形成氟原子“保护层”的螺旋状结构。图c. PTFE的分子链模型(上)和螺旋结构(下)

PTFE由于其无极性无支链的高分子构成以及碳氟键较高的键能,成为应用广泛的化学惰性高分子材料。同时由于PTFE特殊的分子构型,使得高分子链较为刚性致密,具有极低的表面能。因此以PTFE为基础的复合材料大多具有极低的摩擦系数和高耐磨性,让PTFE广泛运用在耐磨减摩涂层材料的制备中。这也是PTFE能够运用在“旱冰壶”底部材料中的核心原理。

碳纳米管(CNTs)本身是一种准一维纳米材料,是碳的一种同素异形体。具有较高的强度和较强的韧性[4]。碳纳米管常常作为PTFE复合材料的增强体,这是由于为高硬度、纤维化的CNTs在烧结过程中能够更紧密地缠绕在PTFE晶系中,让复合材料纤维韧性大大增强,减小材料的磨损。[5]同时还有资料表明,在摩擦过程中,剥落的CNTs作为第三体分布在摩擦界面上,有效地隔离了摩擦副界面的粗糙接触,从而减小了PTFE自身的磨损,让磨损率减小到原来的1/290。[6]这样复合材料的使用让“旱冰壶”也能像蓝色磨石一样在不断地摩擦中保持原来的形状,不会因为磨损导致冰壶使用寿命下降。

这样一来,有了“旱冰壶”,在家里的客厅就可以感受到冰壶运动和高分子科学的魅力啦!

啥?你说冰壶刷怎么办?角落的拖把也想参加室内冰壶比赛,还能顺便把客厅打扫干净呢(笑)。

[3] 蒋国强. 聚四氟乙烯无机复合涂层的制备及其摩擦学性能研究[D].江南大学,2021.

[6] 夏军宝,陈卫祥,李飞,韩贵,王浪云,涂江平,徐铸德.碳纳米管/PTFE基复合材料摩擦学性能的研究[J].浙江大学学报(工学版),2003(04):95-98.

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。

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