聚氨酯基增強復合材料泡沫足球訓練防護器具性能優(yōu)勢

薛 飛

(陜西中醫(yī)藥大學體育部,陜西咸陽 712046)

足球素有世界第一運動美稱,隨著現(xiàn)代社會發(fā)展,足球運動中涉及與應用的高分子高功能材料越來越多,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動員運動裝備等的性能,為足球運動員提升競技水平、防止運動損傷、改善運動環(huán)境環(huán)保性能等方面發(fā)揮了重要作用[1]。聚氨酯基增強復合材料泡沫,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合材料為基礎,在發(fā)泡劑、催化劑、阻燃劑、改性材料等的共同作用下,通過專門的設備,經(jīng)高壓噴涂現(xiàn)場發(fā)泡最終形成的高分子復合材料。該類型材料的主要作用在于為建筑、設備、人體等提供良好的緩沖,應用于社會生活生產(chǎn)的各個領域。本文將以聚氨酯為主要研究對象,對該類型材料對足球運動各領域影響及其材料制備工藝、材料性能優(yōu)勢等進行分析,為高分子復合材料與運動領域的融合發(fā)展提供借鑒。

1 聚氨酯材料分類與足球領域應用分析

1.1 材料分類

聚氨酯是聚氨基甲酸酯的簡稱,因其具備卓越的性能、較為低廉的價格以及環(huán)保性,被譽為“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 足球領域應用

1.2.1 人造草坪

人造草坪通常由三層材料構(gòu)成:基礎層,要求堅實、不變形、表面光潔以及具備優(yōu)良的防水滲透功能,因而通常為夯實土層、碎石層混合瀝青或混凝土層構(gòu)成；基礎層之上為緩沖層,通常需要具備適中的彈性、厚度約3～5mm,過厚過軟則容易凹陷,過薄則無法為足球運動員提供足夠的緩沖,因而多使用聚氨酯等高分子材料進行制備；第三層為草皮層,采用仿制自然草的工藝進行加工,多使用尼龍材料進行制備。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)的背涂應用,具有干燥快、粘接力強、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、更堅固耐用,極大提高了足球運動用草坪的耐磨性、耐候性以及草絲拔取力[3]。

1.2.2 足球訓練跑道

聚氨酯足球訓練跑道,又可稱之為彈性地板、運動地板等,是一種采用無溶劑、無臭味、無污染的水性聚氨酯加工而成的新型跑道。在應用于足球訓練中后,迅速取代了原來具有一定毒性的TDI 系列跑道[4]。聚氨酯足球訓練專用跑道具有的特點有: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,對足球運動員身體健康以及球場環(huán)境不會造成任何傷害；施工便捷,由于聚氨酯材料本身具有高粘結(jié)性能特征,加工而成的足球訓練跑道能夠快速鋪設并可以滿足機械攤鋪等施工要求。利用水性聚氨酯制備足球訓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合粘合劑進行制備,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→高科技復合材料三個階段。至2018 年俄羅斯世界杯時期,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行制備。江蘇國信復合材料科技股份有限公司利用無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脂(Ⅰ、Ⅱ組),其中Ⅰ組聚氨酯樹脂為異氰酸酯材料,Ⅱ組聚氨酯樹脂為無溶劑羥基混合物樹脂[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為足球運動員提供優(yōu)良的彈性,在進行極高力度進行踢、鏟、射以后能夠迅速恢復原狀,保證運動員獲得最佳的踢球精準度和球體飛行路線。

1.2.4 訓練防護器具

足球訓練常用的防護器具有頭盔、護膝、護肘、護板、護踝等,直接附著于球員身體各部位,其余如防護棚等材料則屬于球場防護用具,其中護板更是職業(yè)足球競技時必須使用的防護器材。傳統(tǒng)的足球防護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動員競技過程中提供一定的防護作用,但由于自身透氣性差、易老化等劣勢逐漸被新型高功能復合材料取代[8]。利用聚氨酯材料加工制備的頭盔、護膝以及足球護板等裝備具有耐磨性強、低溫膠結(jié)強度優(yōu)異不易開裂、耐振動性能優(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動防護器具首選。部分運動防護器材生產(chǎn)廠家基于聚氨酯材料開發(fā)出部分可調(diào)式護膝,具有出色的透氣性和吸汗功能,同時還具備一定的抗菌作用,可以在長時間使用過程中有效抑制護膝內(nèi)部細菌滋生。下文以某型號足球運動訓練用頭部護具為典型案例,對聚氨酯材料在足球訓練防護器具中的應用和性能優(yōu)勢進行分析。

2 聚氨酯基增強復合材料泡沫足球頭部護具

2.1 護具用途及研發(fā)必要性

頭球是足球運動及競技過程中的重要技術動作,據(jù)2018 年俄羅斯足球世界杯相關數(shù)據(jù)統(tǒng)計結(jié)果顯示,在該次世界杯小組賽48 場中,頭球破門在所有非烏龍球中所占比例為15.9%；至八分之一決賽時,該數(shù)據(jù)變?yōu)?6.1%；再到四分之一決賽之時,利用頭球?qū)崿F(xiàn)破門的占比已經(jīng)高達70%[9]。可見這一被譽為足球運動“第三只腳”的技術動作在足球運動中的重要性。然而,2015 年時美國足協(xié)首次規(guī)定11 歲以下的年輕球員不允許進行頭球訓練,而11 歲至13 歲的少年每周訓練頭球的數(shù)量也要進行嚴格限制。同時據(jù)不列顛哥倫比亞大學奧卡納干分校(UBCО)于2018 年所進行的某項研究顯示,頭球這一技戰(zhàn)術動作對于運動員大腦而言,很可能會形成某些不可逆的負面影響,皮球?qū)︻^部的反復撞擊,尤其足球在高速運動狀態(tài)下對運動員頭部形成的撞擊極有可能導致神經(jīng)系統(tǒng)細胞損傷,該損傷會一定程度上影響足球運動員的記憶力和策劃能力。2018 年之后,部分職業(yè)足球運動員逐漸開始嘗試在正式比賽中佩戴能夠?qū)︻^部進行防護的頭部護具。

2.2 護具結(jié)構(gòu)

圖2 所示為某型號設計的基于聚氨酯基增強復合材料泡沫的足球頭部防護器具實物圖,各部分所應用的主要材料及基本功能為:①凸起防護部,主體為聚氨酯泡沫材料,主要為運動員提供頭球時的防護、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,用于卡緊運動員頭部,具有較高的彈性和舒適度,長時間佩戴不會對運動員產(chǎn)生影響；④其他部分有護耳開槽、綁帶、粘條等。

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

2.3 防護部結(jié)構(gòu)

足球頭部防護器具的凸起防護部為該裝備為足球運動員提供頭部防護的主要功能部分。該防護部以聚氨酯基增強復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能力的復合材料模塊。

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

2.4 性能優(yōu)勢

2.4.1 優(yōu)異的防護性能

聚氨酯材料本身具備優(yōu)良的抗沖擊性能、較高的壓縮強度等,作為保護足球運動員頭部免受或降低來自于足球或其他運動員機械性碰撞傷害的護具,該款足球頭部防護器具通過硅膠墊聚氨酯基增強復合材料泡沫以及P4U 非牛頓流體材料進行三層防護,與一般單獨使用橡膠或聚氨酯材料相比大幅提升了護頭器具整體防護性能。

2.4.2 良好的防濕性能

與一般的橡膠材質(zhì)運動頭盔不同,由于聚氨酯材料具有良好的低吸濕性能和氣密性,運動人員佩戴該護具過程中不會因出汗、雨雪天氣而導致器材重量增加。對于足球這種戶外、劇烈運動而言,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出現(xiàn)打滑等現(xiàn)象,從而充分保證足球運動員頭球效果,幫助運動員更好地控制足球運動軌跡。

2.4.3 良好的可加工性

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

2.4.4 對其他運動員的保護性

頭部護具對佩戴運動員的保護固然重要,但絕不能以犧牲對其他球員的防護為前提。在聚氨酯材料應用至體育防護運動中之前,其他部分材料如硬質(zhì)橡膠等僅能對佩戴人員提供良好的防護,對于其他運動員而言一旦在高速狀態(tài)下受到該防護器具往往反而容易受傷。該足球頭部防護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,并不會對其他球員產(chǎn)生過大的作用力或反作用力,從“觸感”而言,與佩戴該防護用具的球員之間無本質(zhì)差異。

3 結(jié)語

本文針對聚氨酯材料以及聚氨酯在足球領域應用情況進行綜述,以某型號足球防護頭具為例對聚氨酯增強復合材料泡沫對足球運動的影響進行分析。足球運動作為世界第一運動,本身具備廣泛應用聚氨酯復合材料的可能,尤其對于足球運動中的后衛(wèi)及部分應用頭球技術較多的運動員而言,本文所述聚氨酯基增強復合材料泡沫頭部護具能有效防止其運動過程中足球?qū)︻^部或其他運動員對其頭部的撞擊。