先進高分子復(fù)合材料在足球運動中創(chuàng)新應(yīng)用

陳少卿，李 寧

（1陜西鐵路職業(yè)技術(shù)學(xué)院，陜西渭南714000 ；2陜西鐵路工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院，陜西渭南714000）

作為倍受世界各國人民歡迎的運動項目之一，足球被稱之為世界第一球。而足球運動的可持續(xù)發(fā)展與高分子復(fù)合材料密不可分，高分子復(fù)合材料以其質(zhì)輕、高強、高韌、抗老化、易成型加工，得以在足球運動及其防護用具開發(fā)中深受青睞。先進高分子復(fù)合材料主要以高分子聚合物為主體，基于實際用途可劃分為結(jié)構(gòu)類與功能類兩種，包括塑料、橡膠、纖維等[1]。本文詳細分析了先進高分子復(fù)合材料，并對其在足球運動及防護用具中的實踐作了闡述。

1 先進高分子復(fù)合材料

1.1 碳纖維復(fù)合材料

碳纖維的含碳量高達95%，不僅強度高，且模量高，屬于新型纖維材料，是基于片狀石墨微晶等有機纖維沿著軸向堆砌構(gòu)成，并通過碳化與石墨化處理之后所生成的微晶石墨材料[2]，碳纖維復(fù)合材料制備工藝具體如圖1所示。碳纖維復(fù)合材料外柔內(nèi)剛，質(zhì)輕卻高強，具備一定耐腐蝕性，且軸向強度與模量較高，密度偏低但是比性能較高，不會發(fā)生蠕變，在非氧化狀態(tài)下不僅耐高溫，且耐疲勞，比熱與導(dǎo)電性良好，熱膨脹系數(shù)較小，同時具備各向異性、導(dǎo)電導(dǎo)熱性、電磁屏蔽性等。相較于玻璃纖維，碳纖維復(fù)合材料的楊氏模量是其三倍多，于有機溶劑或者酸堿內(nèi)不會被溶解，也不會發(fā)生膨脹，耐腐蝕性較佳。

圖1 碳纖維復(fù)合材料制備工藝Fig.1 Preparation process of carbon fiber composites

1.2 芳綸纖維復(fù)合材料

所謂芳綸即聚對苯二甲酰對苯二胺，屬于高科技合成纖維，不僅超高強、高模量，且耐高溫、耐酸堿、質(zhì)輕，處于560℃溫度之下，也不會分解或者融化，而且絕緣性與抗老化性較為突出，生命周期非常長。芳綸的出現(xiàn)對于高分子材料界而言是一次偉大的突破[3]。芳綸纖維復(fù)合材料表層比較光滑，隨意分布著大量小尺寸淺溝槽，表層活性基團并不多。通常采用化學(xué)涂層法與物理等離子體法進行芳綸纖維復(fù)合材料表面改性處理，以提升剪切強度。

1.3 超高分子量聚乙烯纖維復(fù)合材料

超高分子量聚乙烯纖維也被稱之為高強高模聚乙烯纖維，是當(dāng)前先進高分子復(fù)合材料中比強度與比模量最高的一種纖維材料，以分子量大約在100～150萬之間的聚乙烯制備而成，強度高且韌性高，耐氧化且耐腐蝕，耐磨且耐疲勞，耐沖擊且耐低溫，但是耐熱性不足，容易發(fā)生蠕變，無法與熱固性樹脂順利粘結(jié)。纖維表層比較光滑，纖度比較高，但是比面積偏小，表面存在少量活性基團，難以促進纖維和樹脂之間粘結(jié)。一般會選擇化學(xué)試劑侵蝕法、等離子體處理改性法、電暈放電處理法、光氧化表面改性處理法等完成表面改性處理，從而優(yōu)化纖維表面性能，提升纖維與樹脂基體整體性能。超高分子量聚乙烯纖維復(fù)合材料制備工藝[4]如圖2所示。

圖2 超高分子量聚乙烯纖維制備工藝Fig.2 Preparation process of ultra-high molecular weight polyethylene fiber

1.4 PBO纖維復(fù)合材料

在化學(xué)纖維材料中，PBO纖維是強度與模量最高的材料，在火焰燃燒下不會發(fā)生收縮現(xiàn)象，耐熱性與耐燃性非常高，耐沖擊性與耐摩擦性較好，且尺寸穩(wěn)定性良好，質(zhì)輕且柔軟，是最為理想化的紡織材料。而因為同時具備力學(xué)性能與抗燃性，與理想化超纖維高度近似，所以深受青睞。但是PBO纖維的耐光性不足，在紫外線照射下很容易危害到纖維強度，因此使用過程中需要進行避光處理。在沒有經(jīng)過表面改性處理時，PBO纖維復(fù)合材料的層間剪切強度相對較差，而抗壓強度與染色性也明顯不足[5]。PBO纖維復(fù)合材料制備工藝如圖3所示。

圖3 PBO纖維復(fù)合材料制備工藝Fig.3 Preparation process of PBO fiber composites

1.5 混雜纖維復(fù)合材料

混雜纖維復(fù)合材料可在一定程度上彌補單一纖維材料的不足[6]，以確保復(fù)合材料性能優(yōu)異，還可通過混合高價纖維與低價纖維，強化樹脂基體，以降低材料成本，實用性與經(jīng)濟性良好。為進一步實現(xiàn)最佳混合效果，可采取層內(nèi)混合、層間混合、層內(nèi)與層間相互混合等多元化方式。

2 先進高分子復(fù)合材料在足球運動及其防護用具中的創(chuàng)新應(yīng)用

2.1 足球

一直以來，足球制造均以動物皮革為主要材料，而在合成皮革及其應(yīng)用日漸廣泛的形勢下，人們開始以合成皮革進行足球制作[7]。當(dāng)前合成皮革生產(chǎn)技術(shù)逐步優(yōu)化更新，很多物理性能已高度接近甚至超過了天然皮革，其勢必會在足球制造領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)普遍應(yīng)用。足球通過先進高分子復(fù)合材料的顯著特征，即高彈性，形變較為明顯，在外界條件不變時，不受外力影響即可自行恢復(fù)，此特性便為高分子復(fù)合材料制備足球奠定了堅實基礎(chǔ)。韓日世界杯所使用的飛火流星足球，便是以加厚合成皮革制備而成，其由高固化聚氨酯、透明聚氨酯涂層、微泡混合塑料、天然橡膠等有機材相結(jié)合。此合成皮革由排列規(guī)則化且密度非常高的微型氣囊構(gòu)成，均勻且高彈，抗沖擊性較強，以此使得足球擁有了良好的反彈性，強化了足球抗阻性，保障了踢球動作的精準性。巴西世界杯所使用的Brazuca足球，以特殊塑料制備而成，外表層由聚合物制備，使得足球擁有了強大的自行恢復(fù)能力，可在踢球動作之后快速恢復(fù)原狀，也使得足球擁有了持久性、耐用性、高彈性，而且外表層拼接所用粘合劑為水性聚氨酯分散體制備而成。

2.2 足球場地

運動型人工草坪以其耐磨性、可反復(fù)使用等優(yōu)勢，實現(xiàn)了在橄欖球、棒球、足球等場地中的普遍應(yīng)用。運動型人工草坪是基于人造纖維等高分子復(fù)合材料，利用機械設(shè)備加工制成的，耐磨且使用頻率很高，可直接代替天然草坪。在國際足球比賽中，人造草坪系統(tǒng)是統(tǒng)一標準，由人造草與填充膠粒共同構(gòu)成，人造草包含底布層、直立草、根部草、背膠，以熱塑性高分子復(fù)合材料聚丙烯與聚乙烯，熱固性高分子復(fù)合材料羧基丁苯橡膠，常見尼龍高分子復(fù)合材料組合而成[8]。填充膠粒則主要為廢舊輪胎膠粒材料制備。由于人造草無法回收循環(huán)利用，很容易導(dǎo)致環(huán)境污染與資源消耗。當(dāng)前研發(fā)了綠色環(huán)保型人造草皮，由草纖維、草底部、背膠構(gòu)成，在避免環(huán)境污染與資源消耗的基礎(chǔ)上，節(jié)約了回收利用成本。草底部以聚酰亞胺、聚丙烯制造，可與草纖維共同回收利用。

2.3 防護用具

以往足球場四周的柵欄以鋼管、金屬鏈、木板為主，攔護功能強大，但是卻在一定程度上加大了運動員受傷幾率。在保障運動員身體不受損傷角度來講，塑料及其復(fù)合材料一直都是運動護具首選材料。為保護頭部與眼睛不受傷害，足球守門員在進行練習(xí)時，所配戴的頭盔與護目罩是由塑料、吸能泡沫、聚氨酯制造的；鞋跟或者鞋墊是由高彈性泡沫制造的，可減輕足跟疼痛。

2.4 足球球衣

足球球衣一般以緊緊包覆人體表面的彈性面料為主，并以極小廓形截面降低阻力?，F(xiàn)階段緊身運動服質(zhì)量在很大程度上由面料性能所決定，最常使用的超細尼龍纖維與聚氨纖維的混合纖維，可降低阻力，而且此球衣貼身性能較好，可提高運動員在足球運動比賽中的敏捷性。例如耐克品牌便以聚酯超細纖維生產(chǎn)足球服，以廢棄塑料瓶作為原料，其不僅優(yōu)化了球衣整體性能，還減少了環(huán)境污染，實現(xiàn)了節(jié)能環(huán)保。而且其創(chuàng)新型設(shè)計使得足球衣著更為便利，透氣性良好，為足球運動員帶來清爽體驗。

2.5 足球球網(wǎng)

以前的足球賽球門不會配置球網(wǎng)，射門的球急且快，難以評估是否進門[9]。后來英國足聯(lián)批準球門配置球網(wǎng)，現(xiàn)代足球運動所用球網(wǎng)多數(shù)是以滌綸或者尼龍線制造的，強度比較大。作為合成纖維重要品種，滌綸是聚酯纖維的商品名稱，是基于對苯二甲酸或者對苯二甲酸二甲酯與乙二醇作為原料，在酯化或者酯交換與縮聚反應(yīng)制備而成的高聚物，即聚對苯二甲酸乙二醇酯，在紡絲與后處理之后所生成的纖維，高強且高彈，耐熱且耐磨，熱塑性好且耐光性優(yōu)，耐沖擊且彈性恢復(fù)快。

2.6 足球球鞋

足球球鞋面料中鞋面一般會選擇人造纖維作為材料，鞋底則會選用熱塑性聚氨酯、尼龍或者碳纖維作為材料，其中聚氨酯堅韌、耐磨且成本低，尼龍質(zhì)輕、高彈，但韌性較差，成本高，碳纖維質(zhì)輕、高彈，但成本高[10]。如果足球鞋制備想要同時采用吸能材料與彈性材料，并于鞋底以二者相配合使用，便可在很大程度上滿足足球運動員對于減震性與穩(wěn)定性的相關(guān)要求。當(dāng)前所研發(fā)的氣墊裝置，即夾于密封囊中的底材結(jié)構(gòu)，其中的氣體并非普通空氣，而是通過高壓注入的大分子結(jié)構(gòu)氣體，使得底材在踩踏蹬跳等動作下依舊可以自行恢復(fù)，可有效降低傷害性沖擊。

3 結(jié)語

總而言之，先進高分子復(fù)合材料在足球運動整個領(lǐng)域中廣泛應(yīng)用，可促使運動員在足球比賽中更為快速、精準地充分發(fā)揮自身力量。未來高分子復(fù)合材料在足球運動及其防護用具中的應(yīng)用，可嘗試制備貼身且排汗性能俱佳的球衣，制備硬度較大的球鞋外鞋面，舒適性與排汗性良好的球鞋其他部位，制備氣密性、彈性、抗阻性較高的足球。