體育運(yùn)動(dòng)用先進(jìn)吸能聚合物泡沫材料的研究進(jìn)展

謝高長(zhǎng)

摘要：聚合物泡沫塑料因其輕量化及其他特性而受到廣泛關(guān)注。泡沫具有優(yōu)異的吸能性能，這與泡沫特殊的形變機(jī)理（泡孔屈曲和泡孔坍塌）有關(guān)，因此通過(guò)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提高吸能性能是聚合物泡沫領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。體育產(chǎn)業(yè)中利用聚合物泡沫的吸能特性開發(fā)了各類體育用品，這些用品的主要任務(wù)是保護(hù)運(yùn)動(dòng)員的健康，確保安全的運(yùn)動(dòng)條件。本文介紹了體育產(chǎn)業(yè)對(duì)聚合物泡沫的性能需求，詳細(xì)闡述了運(yùn)動(dòng)墊用聚合物泡沫的研究進(jìn)展。

關(guān)鍵詞：體育產(chǎn)業(yè)? 聚合物? 泡沫塑料? 吸能材料

中圖分類號(hào)：G80文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)：1006-8902-（2024）-02-091-3-TBB

聚合物泡沫由聚合物基體和分布在其中的氣泡組成，具有兩相結(jié)構(gòu)。發(fā)泡的聚合物產(chǎn)品具有許多優(yōu)點(diǎn)，如低密度、良好的絕熱和隔音性能以及優(yōu)異的能量吸收特性（抗沖擊性能）。正是由于這些優(yōu)點(diǎn)，聚合物泡沫已被廣泛應(yīng)用于汽車、建筑、包裝、運(yùn)動(dòng)器材等領(lǐng)域。

聚合物泡沫具有優(yōu)異的阻隔和抗沖擊性能是由于它的泡孔結(jié)構(gòu)。由于泡孔的形變機(jī)理，聚合物泡沫可以耗散遭受沖擊的能量，使最大作用力保持在一定限度以下。例如，在遭受撞擊時(shí)，聚合物泡沫中的最大作用力遠(yuǎn)低于相同的非泡沫材料。這一特性在聚合物泡沫的工程領(lǐng)域中得到了充分利用。

同樣的，保護(hù)運(yùn)動(dòng)員避免受傷也非常重要，因此具有發(fā)泡結(jié)構(gòu)的防護(hù)裝備被用于體育領(lǐng)域的各個(gè)方面。例如，運(yùn)動(dòng)墊主要用于體操、跳高、撐桿跳高和格斗運(yùn)動(dòng)。而在格斗運(yùn)動(dòng)中，聚合物泡沫的要求更為嚴(yán)格，它需要足夠堅(jiān)固從而為復(fù)雜的運(yùn)動(dòng)提供最佳表面，還需要高的沖擊阻尼能力，使運(yùn)動(dòng)員的負(fù)荷達(dá)不到損害健康的風(fēng)險(xiǎn)極限。本文主要介紹了體育產(chǎn)業(yè)對(duì)聚合物泡沫的性能需求，詳細(xì)闡述了運(yùn)動(dòng)墊用聚合物泡沫的研究進(jìn)展。

1、體育產(chǎn)業(yè)對(duì)聚合物泡沫的需求

泡沫用于制造運(yùn)動(dòng)器材主要是出于安全的考慮，各種防護(hù)裝備、服裝和不同運(yùn)動(dòng)墊的主要任務(wù)是保護(hù)運(yùn)動(dòng)員的健康，避免運(yùn)動(dòng)傷害。運(yùn)動(dòng)損傷最糟糕的情況是運(yùn)動(dòng)員在碰撞或落地過(guò)程中頭部首先接觸到運(yùn)動(dòng)墊，而作用在身體和頭部上的速度矢量方向是相同的。在這種情況下，總負(fù)荷集中在身體上半部分，可導(dǎo)致致命的頸部損傷、顱面損傷和局灶性腦損傷（如局灶性血管病變）。基于此，無(wú)論何種運(yùn)動(dòng)，用于生產(chǎn)運(yùn)動(dòng)器材的泡沫需要具備優(yōu)異的能量吸收和沖擊阻尼能力。

在使用運(yùn)動(dòng)墊的所有運(yùn)動(dòng)中（如柔道，體操或跳躍運(yùn)動(dòng)），評(píng)價(jià)運(yùn)動(dòng)墊的基本指標(biāo)包括作用在身體上的最大加速度、最大形變量、最小吸收的動(dòng)能。由于運(yùn)動(dòng)墊的持續(xù)使用會(huì)導(dǎo)致質(zhì)量下降，所以在世界大賽中，大多數(shù)運(yùn)動(dòng)項(xiàng)目對(duì)運(yùn)動(dòng)墊的使用年限也有規(guī)定。

然而，這些運(yùn)動(dòng)墊的專用標(biāo)準(zhǔn)只定義了上述力學(xué)參數(shù)，并沒有對(duì)產(chǎn)品的原材料提出要求，因此各個(gè)廠家生產(chǎn)墊子的聚合物材料和結(jié)構(gòu)有很大差異。通常，產(chǎn)品都是由一個(gè)或多個(gè)聚合物泡沫層和上層聚氯乙烯（PVC）覆蓋層組成。

此外，與運(yùn)動(dòng)墊類似，用于冬季運(yùn)動(dòng)的聚合物泡沫產(chǎn)品也具有保護(hù)功能。它們用于滑雪場(chǎng)邊界的圍擋，也用于運(yùn)動(dòng)員穿的各種防護(hù)服。這些衣服的結(jié)構(gòu)類似于賽車運(yùn)動(dòng)中使用的護(hù)具，由較硬的熱塑性聚合物外層和較軟的聚合物泡沫內(nèi)層組成的三明治結(jié)構(gòu)。這些產(chǎn)品的防護(hù)原理是較硬的熱塑性聚合物層耗散掉作用在防護(hù)裝備上的力。因此，較大體積的軟泡沫層起到吸能的作用，提高了產(chǎn)品的沖擊阻尼效率。除了要求在碰撞中減輕使用者的負(fù)荷外，防護(hù)服還需要具備舒適性，不應(yīng)限制穿著者的活動(dòng)。因此，為了保持長(zhǎng)期高水平的運(yùn)動(dòng)表現(xiàn)，足夠的透氣性也是一個(gè)重要指標(biāo)，它決定了服裝的水蒸氣透過(guò)能力。因?yàn)殚]孔和盲孔降低了蒸汽傳遞的能力，導(dǎo)致運(yùn)動(dòng)員不適及心臟負(fù)荷的增加。此外，厚度也是影響透氣的一個(gè)重要因素。厚度越大，抗沖擊能力越好，因此在防護(hù)裝備的設(shè)計(jì)中需要同時(shí)考慮這兩個(gè)因素。

在武術(shù)運(yùn)動(dòng)中，僅僅有優(yōu)異的沖擊阻尼能力是不夠的。還需要墊子足夠堅(jiān)硬，保證運(yùn)動(dòng)員的腳不會(huì)陷進(jìn)墊子里，以免傷到腳踝。根據(jù)EN12503標(biāo)準(zhǔn)，這種性能可以通過(guò)測(cè)試材料的靜剛度來(lái)表征。它是將一個(gè)直徑為78mm、重量為50kg的圓柱體放在墊子上所產(chǎn)生的變形量與在距離圓柱體軸線80mm處水平測(cè)量的變形量之差。

在多數(shù)情況下，可用于存放運(yùn)動(dòng)墊的空間有限，通常是將墊子堆放在一起，有些堆放的高度甚至達(dá)到數(shù)米。這樣，墊子將在長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)承受一個(gè)穩(wěn)定的負(fù)荷。因此，要求墊子在承受長(zhǎng)期負(fù)荷后質(zhì)量也不會(huì)下降。墊子的這一性能可以通過(guò)壓縮系數(shù)來(lái)表征。運(yùn)動(dòng)墊的其他重要性能還有耐老化性和均勻性。耐老化性保證墊子在連續(xù)使用后力學(xué)性能不會(huì)下降，均勻性保證了運(yùn)動(dòng)墊的每個(gè)部分是同樣安全的。

綜上所述，體育產(chǎn)業(yè)對(duì)聚合物泡沫的要求是復(fù)雜的。同一類型的泡沫材料很難滿足所有的需求，因此通常需要設(shè)計(jì)夾層結(jié)構(gòu)的泡沫材料。

2、泡沫在體育中的應(yīng)用

以上論述表明，體育運(yùn)動(dòng)中必須使用能夠提供足夠保護(hù)的材料。這些材料可以在運(yùn)動(dòng)員摔倒時(shí)削弱作用在運(yùn)動(dòng)員身上的力，并在碰撞過(guò)程中吸收很大一部分沖擊能量。根據(jù)產(chǎn)品的主要功能、不同的應(yīng)用領(lǐng)域，墊子的密度和厚度有所不同。在跳高和撐桿跳中，減震非常重要，所以落地墊的密度最小，厚度最大。另一方面，搏擊運(yùn)動(dòng)需要一個(gè)安全的姿勢(shì)來(lái)進(jìn)行動(dòng)作，所以在這些運(yùn)動(dòng)中使用的墊子（例如空手道和跆拳道）密度更大，厚度更小。體操、摔跤、綜合格斗、柔道等項(xiàng)目中使用的運(yùn)動(dòng)墊的性能介于著地墊和擊打墊之間。

然而，無(wú)論何種運(yùn)動(dòng)，生產(chǎn)墊子的泡沫材料通常有四種。最常見的原料是交聯(lián)聚乙烯（crosslinked polyethylene，XPE）泡沫。此外，也有一些墊子是由普通（polyurethane，PU）和再生（rPU）的聚氨酯、乙烯-醋酸乙烯（ethylene–vinyl acetate foams，EVA）和聚氯乙烯/丁腈橡膠（polyvinylchloride/nitrile butadiene rubber，PVC/NBR）泡沫制成的。

2.1、XPE泡沫

交聯(lián)聚乙烯是生產(chǎn)運(yùn)動(dòng)墊最常用的原料。聚乙烯具有良好的力學(xué)性能，但它是一種熱塑性聚合物，加熱時(shí)會(huì)軟化，不能在熔融溫度（110-130℃）以上使用。而交聯(lián)可以增加聚乙烯的耐熱性能，也能改善其力學(xué)性能。

聚乙烯交聯(lián)結(jié)構(gòu)的形成可以通過(guò)物理或化學(xué)兩種方式。物理方式交聯(lián)時(shí)，材料暴露在高能輻射下（紫外線、電子或伽馬輻射），聚合物鏈形成自由基，并相互結(jié)合，從而形成弱交聯(lián)結(jié)構(gòu)。與化學(xué)交聯(lián)相比，這個(gè)過(guò)程成本更高。但物理交聯(lián)的優(yōu)勢(shì)是速度快，不需要加入額外的添加劑就能產(chǎn)生均勻的交聯(lián)結(jié)構(gòu)。化學(xué)交聯(lián)通常使用過(guò)氧化物或硅烷引發(fā)劑，隨著溫度和壓力的增加，分子鏈分解及氫原子解離，從而產(chǎn)生自由基，因此形成交聯(lián)結(jié)構(gòu)。

交聯(lián)聚乙烯泡沫塑料是典型的閉孔結(jié)構(gòu)，與非交聯(lián)聚乙烯泡沫相比，具有更好的耐熱性，并且由于交聯(lián)的結(jié)構(gòu)，其靜載后的回彈性更好。回彈性能是對(duì)運(yùn)動(dòng)墊的基本要求，其主要受發(fā)泡工藝和交聯(lián)方式的影響。

2.2、EVA泡沫

EVA是乙烯和醋酸乙烯酯的共聚物，其中醋酸乙烯酯含量通常在10%-40%。由于其透明度、可調(diào)節(jié)性和低成本，EVA泡沫的使用越來(lái)越廣泛。EVA泡沫主要用于需要材料具有高能量吸收性能的場(chǎng)景，例如，汽車和運(yùn)動(dòng)器材行業(yè)。此外，鞋底要承受不斷重復(fù)的動(dòng)態(tài)載荷，其材料也主要是密度為150-250kg/m3的閉孔EVA泡沫，模量為200kPa。板球中使用的防護(hù)裝備的核心層也是由EVA泡沫制成的，其兩側(cè)被聚碳酸酯外殼層包圍。這種夾層結(jié)構(gòu)必須提供抵抗速度45m/s的沖擊保護(hù)。

Shimazaki等也研究了由EVA泡沫層制成的夾層結(jié)構(gòu)，用于開發(fā)鞋在循環(huán)動(dòng)載荷下的減震性能。通過(guò)改變偶氮二甲酰胺發(fā)泡劑（8、12和16phr）的用量，制備了三種不同密度的泡沫（23、17和11kg/m3）。其厚度為5mm，由含有三層泡沫層的夾層結(jié)構(gòu)組成。他們對(duì)不同密度泡沫的試驗(yàn)表明，增加發(fā)泡劑的量會(huì)導(dǎo)致膨脹和損耗因子的增加及密度、硬度的降低。通過(guò)施加最大1000N、周期為1s的循環(huán)載荷來(lái)研究多層層壓板的減震效率。在上層和下層夾層中放置壓力傳感器來(lái)檢測(cè)輸入和輸出載荷。試驗(yàn)結(jié)果表明，通過(guò)改變層序可以有效地提高泡沫的減震效果。通過(guò)從上到下降低密度，密度較高的上層吸收載荷較少，因此更多的荷載傳遞給下層。如果層序相反，減震效率將從60%提高到65%。

過(guò)去的十幾年，許多研究人員還致力于EVA-橡膠共混物的發(fā)泡，從而使泡沫更軟并增加其柔韌性。

2.3、PU泡沫

PU是含有氨基甲酸酯基團(tuán)的高分子材料。在PU的生產(chǎn)中，在（多）二異氰酸酯和多（二）元醇單元之間發(fā)生聚加成反應(yīng)。PU泡沫在整個(gè)PU市場(chǎng)中占有最大的份額，市場(chǎng)份額為68%。通過(guò)改變?cè)铣煞值暮浚梢詫?shí)現(xiàn)PU從軟泡到硬泡的調(diào)控。PU泡沫可以用物理發(fā)泡劑或化學(xué)發(fā)泡劑生產(chǎn)。最常用的物理發(fā)泡劑是氫氯氟烴（HCFCs）和戊烷，而最常用的化學(xué)發(fā)泡劑是羧酸和水。它們與異氰酸酯反應(yīng)生成二氧化碳，從而保證了典型的開孔結(jié)構(gòu)的生成。

除了以上方式生產(chǎn)的泡沫外，回收/再粘合PU泡沫也具有廣泛的應(yīng)用。通常，著地墊由普通PU泡沫生產(chǎn)，而再粘合PU泡沫是武術(shù)墊的首選原料。PU泡沫塑料的加工工藝會(huì)導(dǎo)致大量廢料的產(chǎn)生，因此多種技術(shù)已經(jīng)廣泛用于PU泡沫廢料的回收。PU泡沫的回收包括物理或化學(xué)回收，但運(yùn)動(dòng)墊通常是由物理回收的PU泡沫生產(chǎn)得到。

再粘合PU泡沫的生產(chǎn)利用了開孔PU泡沫生產(chǎn)過(guò)程中產(chǎn)生的廢料。將不同硬度和顏色的薄片切割成直徑5-10mm，混合后在單軸壓縮下加入多元醇和異氰酸酯作為粘合劑粘合在一起。由于預(yù)彎曲的邊緣，這種結(jié)構(gòu)比常規(guī)PU泡沫有更線性的應(yīng)力—應(yīng)變響應(yīng)。

Mills和Lyn用落錘沖擊試驗(yàn)機(jī)對(duì)再粘合PU泡沫進(jìn)行了動(dòng)態(tài)力學(xué)試驗(yàn)。所測(cè)試的三種墊子的厚度分別為100mm、200mm和400mm，密度范圍為63.3-82.2kg/m3。為了模擬人類頭部的沖擊，他們執(zhí)行了BS EN 960：1995測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)，即圓周為58cm，質(zhì)量為4.1kg的球從不同高度落下（0.125-1m之間）。結(jié)果表明，除了100mm厚的樣品，其他樣品的力變形曲線的載荷相位都是線性的。然而當(dāng)形變大于70%時(shí)，應(yīng)力—應(yīng)變曲線是非線性的。這可能是由于泡孔的壓縮，導(dǎo)致相鄰泡孔邊緣接觸從而使力增加。他們的研究還包括對(duì)重復(fù)撞擊效果的研究。他們每10min從1m的高度對(duì)0.4m的樣品進(jìn)行一次沖擊，研究表明重復(fù)沖擊不影響最大加速度和最大形變。這表明，與閉孔聚乙烯泡沫塑料相比，再生聚氨酯泡沫塑料的力學(xué)性能在反復(fù)載荷下不會(huì)衰減。

2.4、PVC/NBR泡沫

PVC/NBR材料屬于熱塑性彈性體。它們可以通過(guò)傳統(tǒng)的熱塑性技術(shù)進(jìn)行可逆的熔融和加工，并且具有彈性體的優(yōu)點(diǎn)，例如大的不可逆形變的能力。這些材料大多是線性的嵌段共聚物（-AAAA-BBBB-AAAA-結(jié)構(gòu)），其中每個(gè)區(qū)域形成軟段和硬段，從而形成物理交聯(lián)結(jié)構(gòu)。這種結(jié)構(gòu)的材料的力學(xué)性能可以方便地通過(guò)調(diào)控硬段和軟段的比例來(lái)改變。PVC/NBR泡沫運(yùn)動(dòng)墊生產(chǎn)企業(yè)多為美國(guó)企業(yè)，密度范圍為56100kg/m3，拉伸強(qiáng)度約為500kPa。然而，盡管工業(yè)上廣泛使用PVC/NBR泡沫，對(duì)它們的研究卻很少。Shakarami等制備了微孔PVC/NBR泡沫，并研究了NBR含量和發(fā)泡工藝對(duì)最終產(chǎn)品性能的影響。在他們的研究中，以CO2為發(fā)泡劑，采用間歇發(fā)泡法制備了NBR含量為5%-15%的泡沫。研究表明，在發(fā)泡過(guò)程中增加溫度和時(shí)間會(huì)導(dǎo)致平均泡孔尺寸的增加和相對(duì)密度的降低。NBR含量越少，膨脹率越高。當(dāng)發(fā)泡溫度為110℃，發(fā)泡時(shí)間為15s，PVC/NBR比為9∶1時(shí)，泡沫的相對(duì)密度最低。此外，NBR含量對(duì)泡沫力學(xué)性能的影響不顯著，泡沫的拉伸強(qiáng)度均在4-6MPa之間，彈性模量在25-30MPa之間。

3、結(jié)論

聚合物泡沫具有優(yōu)異的阻隔和抗沖擊性能，因此具有發(fā)泡結(jié)構(gòu)的保護(hù)裝備被用于體育領(lǐng)域的各個(gè)方面。體育產(chǎn)業(yè)對(duì)聚合物泡沫性能的要求較復(fù)雜，通常需要設(shè)計(jì)夾層結(jié)構(gòu)的泡沫材料。本文綜述了體育產(chǎn)業(yè)中使用的泡沫材料的種類、需求和性能，以及體育產(chǎn)業(yè)中聚合物泡沫材料力學(xué)性能的測(cè)試方法和標(biāo)準(zhǔn)。評(píng)價(jià)運(yùn)動(dòng)員與聚合物泡沫材料的碰撞或著陸，最常見的模型方法是落重沖擊試驗(yàn)。以運(yùn)動(dòng)墊為例，材料的種類、發(fā)泡劑和其他添加劑的種類及用量是影響阻尼性能和力學(xué)性能的重要因素。在體育行業(yè)，聚合物泡沫領(lǐng)域的未來(lái)趨勢(shì)是多層夾層結(jié)構(gòu)的開發(fā)和對(duì)重復(fù)載荷影響的深入研究。

參考文獻(xiàn)：

[1]李紹棠，拉梅什.泡沫塑料：機(jī)理與材料[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2012.

[2]Avalle M， Belingardi G， Montanini R. Characterization of polymeric structural foams under compressive impact loading by means of energy-absorption diagram[J]. Int J Impact Eng，2001（25）.

[3]定茜.冬季體育運(yùn)動(dòng)用軟聚合物泡沫背保護(hù)器沖擊行為的建模與仿真[J].粘接，2020，44（10）.

[4]崔丙剛，宋曉芬.聚乙烯在體育器材領(lǐng)域的應(yīng)用研究進(jìn)展[J].合成樹脂及塑料，2019，36（04）.

[5]Tomin M， Kmetty A. Polymer foams as advanced energy absorbing materials for sports applications-A review[J]. Journal of Applied Polymer Science，2022（139）.

[6]盧小強(qiáng).高校體育運(yùn)動(dòng)隊(duì)運(yùn)動(dòng)損傷問題研究[J].當(dāng)代體育科技，2023，13（10）.

[7]劉西鋒.高校聚氨酯塑膠跑道性能結(jié)構(gòu)研究[J].塑料助劑，2021（02）.

[8]Perez-Soriano P， Llana-Belloch S， Morey-Klapsing G， et al. Effects of mat characteristics on plantar pressure patterns and perceived mat properties during landing in gymnastics[J]. Sports Biomechanics， 2010（9）.

[9]Tomin M， Kmetty A. Evaluating the cell structure-impact damping relation of cross-linked polyethylene foams by falling weight impact tests[J]. Journal of Applied Polymer Science ，2021（138）.

[10]Newton R， Doan B， Meese M， et al. Interaction of wrestling shoe and competition surface： Effects on coefficient of friction with implications for injury[J]. Sports Biomechanics ，2002（1）.

[11]Chi K J， Schmitt D. Mechanical energy and effective foot mass during impact loading of walking and running[J]. J Biomech， 2005（38）.

[12]Kwon Y J， Park W Y， Hong S M， et al. Foaming of recycled crosslinked polyethylenes via supercritical decrosslinking reaction[J]. Journal of Applied Polymer Science，2012（126）.

[13]Mills N J， Fitzgerald C， Gilchrist A， et al. Polymer foams for personal protection： cushions， shoes and helmets[J]. Compos Sci Technol， 2003（63）.

[14]Sridharan S， Rao J S， Omkar S N. Finite Element Analysis of Cricket Ball Impact on Polycarbonate-EVA Sandwich[J]. Procedia Engineering， 2015（112）.

[15]Shimazaki Y， Nozu S， Inoue T. Shock-absorption properties of functionally graded EVA laminates for footwear design[J]. Polym Test，2016（54）.

[16]Banik J， Chakraborty D， Rizwan M， et al. Review on disposal， recycling and management of waste polyurethane foams： A way ahead[J]. Waste Manage Res，2023（41）.

[17]Lyn G， Mills N J. Design of foam crash mats for head impact protection[J]. Sports Engineering，2001（4）.

[18]Zhang Z X， Wang Y M， Zhao Y， et al. A new TPE-based foam material from EPDM/PPB blends， as a potential buffer energy-absorbing material[J]. Express Polymer Letters，2021（15）.

[19]Shakarami K， Doniavi A， Azdast T， et al. Microcellular Foaming of PVC/NBR Thermoplastic Elastomer[J]. Mater Manuf Processes， 2013（28）.