聚氨酯基增強(qiáng)復(fù)合材料泡沫足球訓(xùn)練防護(hù)器具性能優(yōu)勢(shì)

薛 飛

(陜西中醫(yī)藥大學(xué)體育部,陜西咸陽(yáng) 712046)

足球素有世界第一運(yùn)動(dòng)美稱,隨著現(xiàn)代社會(huì)發(fā)展,足球運(yùn)動(dòng)中涉及與應(yīng)用的高分子高功能材料越來(lái)越多,如使用碳纖維材料制備的足球鞋、使用填充膠粒制備的人造草坪等。高分子功能材料的融入,極大地提升了足球運(yùn)動(dòng)員運(yùn)動(dòng)裝備等的性能,為足球運(yùn)動(dòng)員提升競(jìng)技水平、防止運(yùn)動(dòng)損傷、改善運(yùn)動(dòng)環(huán)境環(huán)保性能等方面發(fā)揮了重要作用[1]。聚氨酯基增強(qiáng)復(fù)合材料泡沫,是一種基于聚氨酯硬質(zhì)泡沫及其制備工藝,以異氰酸酯、聚醚、碳纖維等材料為主要原料或復(fù)合材料為基礎(chǔ),在發(fā)泡劑、催化劑、阻燃劑、改性材料等的共同作用下,通過(guò)專門(mén)的設(shè)備,經(jīng)高壓噴涂現(xiàn)場(chǎng)發(fā)泡最終形成的高分子復(fù)合材料。該類型材料的主要作用在于為建筑、設(shè)備、人體等提供良好的緩沖,應(yīng)用于社會(huì)生活生產(chǎn)的各個(gè)領(lǐng)域。本文將以聚氨酯為主要研究對(duì)象,對(duì)該類型材料對(duì)足球運(yùn)動(dòng)各領(lǐng)域影響及其材料制備工藝、材料性能優(yōu)勢(shì)等進(jìn)行分析,為高分子復(fù)合材料與運(yùn)動(dòng)領(lǐng)域的融合發(fā)展提供借鑒。

1 聚氨酯材料分類與足球領(lǐng)域應(yīng)用分析

1.1 材料分類

聚氨酯是聚氨基甲酸酯的簡(jiǎn)稱,因其具備卓越的性能、較為低廉的價(jià)格以及環(huán)保性,被譽(yù)為“第五大塑料”[2]。聚氨酯材料主要分類情況如圖1 所示。

圖1 聚氨酯材料分類Fig.1 Classification of polyurethane materials

1.2 足球領(lǐng)域應(yīng)用

1.2.1 人造草坪

人造草坪通常由三層材料構(gòu)成:基礎(chǔ)層,要求堅(jiān)實(shí)、不變形、表面光潔以及具備優(yōu)良的防水滲透功能,因而通常為夯實(shí)土層、碎石層混合瀝青或混凝土層構(gòu)成；基礎(chǔ)層之上為緩沖層,通常需要具備適中的彈性、厚度約3～5mm,過(guò)厚過(guò)軟則容易凹陷,過(guò)薄則無(wú)法為足球運(yùn)動(dòng)員提供足夠的緩沖,因而多使用聚氨酯等高分子材料進(jìn)行制備；第三層為草皮層,采用仿制自然草的工藝進(jìn)行加工,多使用尼龍材料進(jìn)行制備。人造草坪中中間緩沖層為最重要層,需要牢固地粘貼在基礎(chǔ)層上。聚氨酯材料除可以直接用于制備緩沖層材料外,還可以加工成微發(fā)泡型雙組分聚氨酯粘膠劑,專業(yè)于各類人造草坪等鋪裝行業(yè)的背涂應(yīng)用,具有干燥快、粘接力強(qiáng)、防水、防霉變、耐酸、耐堿等特性,與一般的粘接材料相比更環(huán)保、更堅(jiān)固耐用,極大提高了足球運(yùn)動(dòng)用草坪的耐磨性、耐候性以及草絲拔取力[3]。

1.2.2 足球訓(xùn)練跑道

聚氨酯足球訓(xùn)練跑道,又可稱之為彈性地板、運(yùn)動(dòng)地板等,是一種采用無(wú)溶劑、無(wú)臭味、無(wú)污染的水性聚氨酯加工而成的新型跑道。在應(yīng)用于足球訓(xùn)練中后,迅速取代了原來(lái)具有一定毒性的TDI 系列跑道[4]。聚氨酯足球訓(xùn)練專用跑道具有的特點(diǎn)有:不含苯、甲苯、二甲苯等有毒性物質(zhì),不含重金屬等有害添加物,對(duì)足球運(yùn)動(dòng)員身體健康以及球場(chǎng)環(huán)境不會(huì)造成任何傷害；施工便捷,由于聚氨酯材料本身具有高粘結(jié)性能特征,加工而成的足球訓(xùn)練跑道能夠快速鋪設(shè)并可以滿足機(jī)械攤鋪等施工要求。利用水性聚氨酯制備足球訓(xùn)練跑道通常分為底層、面層兩部分,其中底層多采用聚氨酯彈性體復(fù)合粘合劑進(jìn)行制備,厚度約10mm 左右,面層為濕法制備的厚聚氨酯膠漿,厚度約為2～3 mm。

1.2.3 足球球體

現(xiàn)代足球球體用料基本經(jīng)歷了真皮→合成材料→高科技復(fù)合材料三個(gè)階段。至2018 年俄羅斯世界杯時(shí)期,職業(yè)聯(lián)賽足球用料,尤其足球最表面材料已經(jīng)全部采用聚氨酯材料進(jìn)行制備。江蘇國(guó)信復(fù)合材料科技股份有限公司利用無(wú)溶劑聚氨酯制備了一種高端聯(lián)賽足球?qū)Ｓ米闱蚋?主要包括面層、發(fā)泡層兩種結(jié)構(gòu),兩層材料的主要制備原料均為雙份聚氨酯樹(shù)脂(Ⅰ、Ⅱ組),其中Ⅰ組聚氨酯樹(shù)脂為異氰酸酯材料,Ⅱ組聚氨酯樹(shù)脂為無(wú)溶劑羥基混合物樹(shù)脂[5-7]。采用聚氨酯材料制備的現(xiàn)代足球具有極佳的控制性、出色的飛行特性和優(yōu)越的防水性能,尤其球皮最上層的充滿氣體的聚氨酯材料泡沫能夠?yàn)樽闱蜻\(yùn)動(dòng)員提供優(yōu)良的彈性,在進(jìn)行極高力度進(jìn)行踢、鏟、射以后能夠迅速恢復(fù)原狀,保證運(yùn)動(dòng)員獲得最佳的踢球精準(zhǔn)度和球體飛行路線。

1.2.4 訓(xùn)練防護(hù)器具

足球訓(xùn)練常用的防護(hù)器具有頭盔、護(hù)膝、護(hù)肘、護(hù)板、護(hù)踝等,直接附著于球員身體各部位,其余如防護(hù)棚等材料則屬于球場(chǎng)防護(hù)用具,其中護(hù)板更是職業(yè)足球競(jìng)技時(shí)必須使用的防護(hù)器材。傳統(tǒng)的足球防護(hù)器具多采用生膠或普通橡膠等材料,該類型材料能夠在足球運(yùn)動(dòng)員競(jìng)技過(guò)程中提供一定的防護(hù)作用,但由于自身透氣性差、易老化等劣勢(shì)逐漸被新型高功能復(fù)合材料取代[8]。利用聚氨酯材料加工制備的頭盔、護(hù)膝以及足球護(hù)板等裝備具有耐磨性強(qiáng)、低溫膠結(jié)強(qiáng)度優(yōu)異不易開(kāi)裂、耐振動(dòng)性能優(yōu)異、耐疲勞性能好以及具備一定的透氣性逐漸成為足球運(yùn)動(dòng)防護(hù)器具首選。部分運(yùn)動(dòng)防護(hù)器材生產(chǎn)廠家基于聚氨酯材料開(kāi)發(fā)出部分可調(diào)式護(hù)膝,具有出色的透氣性和吸汗功能,同時(shí)還具備一定的抗菌作用,可以在長(zhǎng)時(shí)間使用過(guò)程中有效抑制護(hù)膝內(nèi)部細(xì)菌滋生。下文以某型號(hào)足球運(yùn)動(dòng)訓(xùn)練用頭部護(hù)具為典型案例,對(duì)聚氨酯材料在足球訓(xùn)練防護(hù)器具中的應(yīng)用和性能優(yōu)勢(shì)進(jìn)行分析。

2 聚氨酯基增強(qiáng)復(fù)合材料泡沫足球頭部護(hù)具

2.1 護(hù)具用途及研發(fā)必要性

頭球是足球運(yùn)動(dòng)及競(jìng)技過(guò)程中的重要技術(shù)動(dòng)作,據(jù)2018 年俄羅斯足球世界杯相關(guān)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)結(jié)果顯示,在該次世界杯小組賽48 場(chǎng)中,頭球破門(mén)在所有非烏龍球中所占比例為15.9%；至八分之一決賽時(shí),該數(shù)據(jù)變?yōu)?6.1%；再到四分之一決賽之時(shí),利用頭球?qū)崿F(xiàn)破門(mén)的占比已經(jīng)高達(dá)70%[9]。可見(jiàn)這一被譽(yù)為足球運(yùn)動(dòng)“第三只腳”的技術(shù)動(dòng)作在足球運(yùn)動(dòng)中的重要性。然而,2015 年時(shí)美國(guó)足協(xié)首次規(guī)定11 歲以下的年輕球員不允許進(jìn)行頭球訓(xùn)練,而11 歲至13 歲的少年每周訓(xùn)練頭球的數(shù)量也要進(jìn)行嚴(yán)格限制。同時(shí)據(jù)不列顛哥倫比亞大學(xué)奧卡納干分校(UBCО)于2018 年所進(jìn)行的某項(xiàng)研究顯示,頭球這一技戰(zhàn)術(shù)動(dòng)作對(duì)于運(yùn)動(dòng)員大腦而言,很可能會(huì)形成某些不可逆的負(fù)面影響,皮球?qū)︻^部的反復(fù)撞擊,尤其足球在高速運(yùn)動(dòng)狀態(tài)下對(duì)運(yùn)動(dòng)員頭部形成的撞擊極有可能導(dǎo)致神經(jīng)系統(tǒng)細(xì)胞損傷,該損傷會(huì)一定程度上影響足球運(yùn)動(dòng)員的記憶力和策劃能力。2018 年之后,部分職業(yè)足球運(yùn)動(dòng)員逐漸開(kāi)始嘗試在正式比賽中佩戴能夠?qū)︻^部進(jìn)行防護(hù)的頭部護(hù)具。

2.2 護(hù)具結(jié)構(gòu)

圖2 所示為某型號(hào)設(shè)計(jì)的基于聚氨酯基增強(qiáng)復(fù)合材料泡沫的足球頭部防護(hù)器具實(shí)物圖,各部分所應(yīng)用的主要材料及基本功能為:①凸起防護(hù)部,主體為聚氨酯泡沫材料,主要為運(yùn)動(dòng)員提供頭球時(shí)的防護(hù)、緩沖；②織物,織物采用芳綸材料制備而成,具有高耐磨性、高透氣性等功能；③箍筋,為彈性聚氨酯材料,用于卡緊運(yùn)動(dòng)員頭部,具有較高的彈性和舒適度,長(zhǎng)時(shí)間佩戴不會(huì)對(duì)運(yùn)動(dòng)員產(chǎn)生影響；④其他部分有護(hù)耳開(kāi)槽、綁帶、粘條等。

圖2 足球頭部防護(hù)器具基本結(jié)構(gòu)Fig.2 Basic structure of football head protection equipment

2.3 防護(hù)部結(jié)構(gòu)

足球頭部防護(hù)器具的凸起防護(hù)部為該裝備為足球運(yùn)動(dòng)員提供頭部防護(hù)的主要功能部分。該防護(hù)部以聚氨酯基增強(qiáng)復(fù)合材料泡沫為主要原材料,內(nèi)部包裹一種P4U非牛頓流體(如圖3 所示),形成了一種能夠提供良好防護(hù)能力的復(fù)合材料模塊。

圖3 足球頭部防護(hù)器具防護(hù)部結(jié)構(gòu)Fig.3 Football head protection equipment protection section structure

2.4 性能優(yōu)勢(shì)

2.4.1 優(yōu)異的防護(hù)性能

聚氨酯材料本身具備優(yōu)良的抗沖擊性能、較高的壓縮強(qiáng)度等,作為保護(hù)足球運(yùn)動(dòng)員頭部免受或降低來(lái)自于足球或其他運(yùn)動(dòng)員機(jī)械性碰撞傷害的護(hù)具,該款足球頭部防護(hù)器具通過(guò)硅膠墊聚氨酯基增強(qiáng)復(fù)合材料泡沫以及P4U 非牛頓流體材料進(jìn)行三層防護(hù),與一般單獨(dú)使用橡膠或聚氨酯材料相比大幅提升了護(hù)頭器具整體防護(hù)性能。

2.4.2 良好的防濕性能

與一般的橡膠材質(zhì)運(yùn)動(dòng)頭盔不同,由于聚氨酯材料具有良好的低吸濕性能和氣密性,運(yùn)動(dòng)人員佩戴該護(hù)具過(guò)程中不會(huì)因出汗、雨雪天氣而導(dǎo)致器材重量增加。對(duì)于足球這種戶外、劇烈運(yùn)動(dòng)而言,具備良好的防濕性能還能夠保證雨雪天氣下器材與足球的撞擊不會(huì)出現(xiàn)打滑等現(xiàn)象,從而充分保證足球運(yùn)動(dòng)員頭球效果,幫助運(yùn)動(dòng)員更好地控制足球運(yùn)動(dòng)軌跡。

2.4.3 良好的可加工性

從圖2 頭部護(hù)具結(jié)構(gòu)可知,聚氨酯材料應(yīng)用最多的凸起防護(hù)部形狀存在較大差異,聚氨酯材料可以采用多種方式進(jìn)行加工、成型,從而使其完美填充在該護(hù)具各個(gè)位置,充分為運(yùn)動(dòng)員提供保護(hù)。

2.4.4 對(duì)其他運(yùn)動(dòng)員的保護(hù)性

頭部護(hù)具對(duì)佩戴運(yùn)動(dòng)員的保護(hù)固然重要,但絕不能以犧牲對(duì)其他球員的防護(hù)為前提。在聚氨酯材料應(yīng)用至體育防護(hù)運(yùn)動(dòng)中之前,其他部分材料如硬質(zhì)橡膠等僅能對(duì)佩戴人員提供良好的防護(hù),對(duì)于其他運(yùn)動(dòng)員而言一旦在高速狀態(tài)下受到該防護(hù)器具往往反而容易受傷。該足球頭部防護(hù)器具主要作用材料為聚氨酯材料及非牛頓流體材料,在與其他球員頭部或其他部位接觸時(shí),并不會(huì)對(duì)其他球員產(chǎn)生過(guò)大的作用力或反作用力,從“觸感”而言,與佩戴該防護(hù)用具的球員之間無(wú)本質(zhì)差異。

3 結(jié)語(yǔ)

本文針對(duì)聚氨酯材料以及聚氨酯在足球領(lǐng)域應(yīng)用情況進(jìn)行綜述,以某型號(hào)足球防護(hù)頭具為例對(duì)聚氨酯增強(qiáng)復(fù)合材料泡沫對(duì)足球運(yùn)動(dòng)的影響進(jìn)行分析。足球運(yùn)動(dòng)作為世界第一運(yùn)動(dòng),本身具備廣泛應(yīng)用聚氨酯復(fù)合材料的可能,尤其對(duì)于足球運(yùn)動(dòng)中的后衛(wèi)及部分應(yīng)用頭球技術(shù)較多的運(yùn)動(dòng)員而言,本文所述聚氨酯基增強(qiáng)復(fù)合材料泡沫頭部護(hù)具能有效防止其運(yùn)動(dòng)過(guò)程中足球?qū)︻^部或其他運(yùn)動(dòng)員對(duì)其頭部的撞擊。