聚氨酯基增强复合材料泡沫足球训练防护器具性能优势

薛 飞

(陕西中医药大学体育部,陕西咸阳 712046)

足球素有世界第一运动美称,随着现代社会发展,足球运动中涉及与应用的高分子高功能材料越来越多,如使用碳纤维材料制备的足球鞋、使用填充胶粒制备的人造草坪等。高分子功能材料的融入,极大地提升了足球运动员运动装备等的性能,为足球运动员提升竞技水平、防止运动损伤、改善运动环境环保性能等方面发挥了重要作用[1]。聚氨酯基增强复合材料泡沫,是一种基于聚氨酯硬质泡沫及其制备工艺,以异氰酸酯、聚醚、碳纤维等材料为主要原料或复合材料为基础,在发泡剂、催化剂、阻燃剂、改性材料等的共同作用下,通过专门的设备,经高压喷涂现场发泡最终形成的高分子复合材料。该类型材料的主要作用在于为建筑、设备、人体等提供良好的缓冲,应用于社会生活生产的各个领域。本文将以聚氨酯为主要研究对象,对该类型材料对足球运动各领域影响及其材料制备工艺、材料性能优势等进行分析,为高分子复合材料与运动领域的融合发展提供借鉴。

1 聚氨酯材料分类与足球领域应用分析

1.1 材料分类

聚氨酯是聚氨基甲酸酯的简称,因其具备卓越的性能、较为低廉的价格以及环保性,被誉为“第五大塑料”[2]。聚氨酯材料主要分类情况如图1 所示。

图1 聚氨酯材料分类Fig.1 Classification of polyurethane materials

1.2 足球领域应用

1.2.1 人造草坪

人造草坪通常由三层材料构成:基础层,要求坚实、不变形、表面光洁以及具备优良的防水渗透功能,因而通常为夯实土层、碎石层混合沥青或混凝土层构成；基础层之上为缓冲层,通常需要具备适中的弹性、厚度约3～5mm,过厚过软则容易凹陷,过薄则无法为足球运动员提供足够的缓冲,因而多使用聚氨酯等高分子材料进行制备；第三层为草皮层,采用仿制自然草的工艺进行加工,多使用尼龙材料进行制备。人造草坪中中间缓冲层为最重要层,需要牢固地粘贴在基础层上。聚氨酯材料除可以直接用于制备缓冲层材料外,还可以加工成微发泡型双组分聚氨酯粘胶剂,专业于各类人造草坪等铺装行业的背涂应用,具有干燥快、粘接力强、防水、防霉变、耐酸、耐碱等特性,与一般的粘接材料相比更环保、更坚固耐用,极大提高了足球运动用草坪的耐磨性、耐候性以及草丝拔取力[3]。

1.2.2 足球训练跑道

聚氨酯足球训练跑道,又可称之为弹性地板、运动地板等,是一种采用无溶剂、无臭味、无污染的水性聚氨酯加工而成的新型跑道。在应用于足球训练中后,迅速取代了原来具有一定毒性的TDI 系列跑道[4]。聚氨酯足球训练专用跑道具有的特点有:不含苯、甲苯、二甲苯等有毒性物质,不含重金属等有害添加物,对足球运动员身体健康以及球场环境不会造成任何伤害；施工便捷,由于聚氨酯材料本身具有高粘结性能特征,加工而成的足球训练跑道能够快速铺设并可以满足机械摊铺等施工要求。利用水性聚氨酯制备足球训练跑道通常分为底层、面层两部分,其中底层多采用聚氨酯弹性体复合粘合剂进行制备,厚度约10mm 左右,面层为湿法制备的厚聚氨酯胶浆,厚度约为2～3 mm。

1.2.3 足球球体

现代足球球体用料基本经历了真皮→合成材料→高科技复合材料三个阶段。至2018 年俄罗斯世界杯时期,职业联赛足球用料,尤其足球最表面材料已经全部采用聚氨酯材料进行制备。江苏国信复合材料科技股份有限公司利用无溶剂聚氨酯制备了一种高端联赛足球专用足球革,主要包括面层、发泡层两种结构,两层材料的主要制备原料均为双份聚氨酯树脂(Ⅰ、Ⅱ组),其中Ⅰ组聚氨酯树脂为异氰酸酯材料,Ⅱ组聚氨酯树脂为无溶剂羟基混合物树脂[5-7]。采用聚氨酯材料制备的现代足球具有极佳的控制性、出色的飞行特性和优越的防水性能,尤其球皮最上层的充满气体的聚氨酯材料泡沫能够为足球运动员提供优良的弹性,在进行极高力度进行踢、铲、射以后能够迅速恢复原状,保证运动员获得最佳的踢球精准度和球体飞行路线。

1.2.4 训练防护器具

足球训练常用的防护器具有头盔、护膝、护肘、护板、护踝等,直接附着于球员身体各部位,其余如防护棚等材料则属于球场防护用具,其中护板更是职业足球竞技时必须使用的防护器材。传统的足球防护器具多采用生胶或普通橡胶等材料,该类型材料能够在足球运动员竞技过程中提供一定的防护作用,但由于自身透气性差、易老化等劣势逐渐被新型高功能复合材料取代[8]。利用聚氨酯材料加工制备的头盔、护膝以及足球护板等装备具有耐磨性强、低温胶结强度优异不易开裂、耐振动性能优异、耐疲劳性能好以及具备一定的透气性逐渐成为足球运动防护器具首选。部分运动防护器材生产厂家基于聚氨酯材料开发出部分可调式护膝,具有出色的透气性和吸汗功能,同时还具备一定的抗菌作用,可以在长时间使用过程中有效抑制护膝内部细菌滋生。下文以某型号足球运动训练用头部护具为典型案例,对聚氨酯材料在足球训练防护器具中的应用和性能优势进行分析。

2 聚氨酯基增强复合材料泡沫足球头部护具

2.1 护具用途及研发必要性

头球是足球运动及竞技过程中的重要技术动作,据2018 年俄罗斯足球世界杯相关数据统计结果显示,在该次世界杯小组赛48 场中,头球破门在所有非乌龙球中所占比例为15.9%；至八分之一决赛时,该数据变为26.1%；再到四分之一决赛之时,利用头球实现破门的占比已经高达70%[9]。可见这一被誉为足球运动“第三只脚”的技术动作在足球运动中的重要性。然而,2015 年时美国足协首次规定11 岁以下的年轻球员不允许进行头球训练,而11 岁至13 岁的少年每周训练头球的数量也要进行严格限制。同时据不列颠哥伦比亚大学奥卡纳干分校(UBCО)于2018 年所进行的某项研究显示,头球这一技战术动作对于运动员大脑而言,很可能会形成某些不可逆的负面影响,皮球对头部的反复撞击,尤其足球在高速运动状态下对运动员头部形成的撞击极有可能导致神经系统细胞损伤,该损伤会一定程度上影响足球运动员的记忆力和策划能力。2018 年之后,部分职业足球运动员逐渐开始尝试在正式比赛中佩戴能够对头部进行防护的头部护具。

2.2 护具结构

图2 所示为某型号设计的基于聚氨酯基增强复合材料泡沫的足球头部防护器具实物图,各部分所应用的主要材料及基本功能为:①凸起防护部,主体为聚氨酯泡沫材料,主要为运动员提供头球时的防护、缓冲；②织物,织物采用芳纶材料制备而成,具有高耐磨性、高透气性等功能；③箍筋,为弹性聚氨酯材料,用于卡紧运动员头部,具有较高的弹性和舒适度,长时间佩戴不会对运动员产生影响；④其他部分有护耳开槽、绑带、粘条等。

图2 足球头部防护器具基本结构Fig.2 Basic structure of football head protection equipment

2.3 防护部结构

足球头部防护器具的凸起防护部为该装备为足球运动员提供头部防护的主要功能部分。该防护部以聚氨酯基增强复合材料泡沫为主要原材料,内部包裹一种P4U非牛顿流体(如图3 所示),形成了一种能够提供良好防护能力的复合材料模块。

图3 足球头部防护器具防护部结构Fig.3 Football head protection equipment protection section structure

2.4 性能优势

2.4.1 优异的防护性能

聚氨酯材料本身具备优良的抗冲击性能、较高的压缩强度等,作为保护足球运动员头部免受或降低来自于足球或其他运动员机械性碰撞伤害的护具,该款足球头部防护器具通过硅胶垫聚氨酯基增强复合材料泡沫以及P4U 非牛顿流体材料进行三层防护,与一般单独使用橡胶或聚氨酯材料相比大幅提升了护头器具整体防护性能。

2.4.2 良好的防湿性能

与一般的橡胶材质运动头盔不同,由于聚氨酯材料具有良好的低吸湿性能和气密性,运动人员佩戴该护具过程中不会因出汗、雨雪天气而导致器材重量增加。对于足球这种户外、剧烈运动而言,具备良好的防湿性能还能够保证雨雪天气下器材与足球的撞击不会出现打滑等现象,从而充分保证足球运动员头球效果,帮助运动员更好地控制足球运动轨迹。

2.4.3 良好的可加工性

从图2 头部护具结构可知,聚氨酯材料应用最多的凸起防护部形状存在较大差异,聚氨酯材料可以采用多种方式进行加工、成型,从而使其完美填充在该护具各个位置,充分为运动员提供保护。

2.4.4 对其他运动员的保护性

头部护具对佩戴运动员的保护固然重要,但绝不能以牺牲对其他球员的防护为前提。在聚氨酯材料应用至体育防护运动中之前,其他部分材料如硬质橡胶等仅能对佩戴人员提供良好的防护,对于其他运动员而言一旦在高速状态下受到该防护器具往往反而容易受伤。该足球头部防护器具主要作用材料为聚氨酯材料及非牛顿流体材料,在与其他球员头部或其他部位接触时,并不会对其他球员产生过大的作用力或反作用力,从“触感”而言,与佩戴该防护用具的球员之间无本质差异。

3 结语

本文针对聚氨酯材料以及聚氨酯在足球领域应用情况进行综述,以某型号足球防护头具为例对聚氨酯增强复合材料泡沫对足球运动的影响进行分析。足球运动作为世界第一运动,本身具备广泛应用聚氨酯复合材料的可能,尤其对于足球运动中的后卫及部分应用头球技术较多的运动员而言,本文所述聚氨酯基增强复合材料泡沫头部护具能有效防止其运动过程中足球对头部或其他运动员对其头部的撞击。