先进高分子复合材料在足球运动中创新应用

陈少卿，李 宁

（1陕西铁路职业技术学院，陕西渭南714000 ；2陕西铁路工程职业技术学院，陕西渭南714000）

作为倍受世界各国人民欢迎的运动项目之一，足球被称之为世界第一球。而足球运动的可持续发展与高分子复合材料密不可分，高分子复合材料以其质轻、高强、高韧、抗老化、易成型加工，得以在足球运动及其防护用具开发中深受青睐。先进高分子复合材料主要以高分子聚合物为主体，基于实际用途可划分为结构类与功能类两种，包括塑料、橡胶、纤维等[1]。本文详细分析了先进高分子复合材料，并对其在足球运动及防护用具中的实践作了阐述。

1 先进高分子复合材料

1.1 碳纤维复合材料

碳纤维的含碳量高达95%，不仅强度高，且模量高，属于新型纤维材料，是基于片状石墨微晶等有机纤维沿着轴向堆砌构成，并通过碳化与石墨化处理之后所生成的微晶石墨材料[2]，碳纤维复合材料制备工艺具体如图1所示。碳纤维复合材料外柔内刚，质轻却高强，具备一定耐腐蚀性，且轴向强度与模量较高，密度偏低但是比性能较高，不会发生蠕变，在非氧化状态下不仅耐高温，且耐疲劳，比热与导电性良好，热膨胀系数较小，同时具备各向异性、导电导热性、电磁屏蔽性等。相较于玻璃纤维，碳纤维复合材料的杨氏模量是其三倍多，于有机溶剂或者酸碱内不会被溶解，也不会发生膨胀，耐腐蚀性较佳。

图1 碳纤维复合材料制备工艺Fig.1 Preparation process of carbon fiber composites

1.2 芳纶纤维复合材料

所谓芳纶即聚对苯二甲酰对苯二胺，属于高科技合成纤维，不仅超高强、高模量，且耐高温、耐酸碱、质轻，处于560℃温度之下，也不会分解或者融化，而且绝缘性与抗老化性较为突出，生命周期非常长。芳纶的出现对于高分子材料界而言是一次伟大的突破[3]。芳纶纤维复合材料表层比较光滑，随意分布着大量小尺寸浅沟槽，表层活性基团并不多。通常采用化学涂层法与物理等离子体法进行芳纶纤维复合材料表面改性处理，以提升剪切强度。

1.3 超高分子量聚乙烯纤维复合材料

超高分子量聚乙烯纤维也被称之为高强高模聚乙烯纤维，是当前先进高分子复合材料中比强度与比模量最高的一种纤维材料，以分子量大约在100～150万之间的聚乙烯制备而成，强度高且韧性高，耐氧化且耐腐蚀，耐磨且耐疲劳，耐冲击且耐低温，但是耐热性不足，容易发生蠕变，无法与热固性树脂顺利粘结。纤维表层比较光滑，纤度比较高，但是比面积偏小，表面存在少量活性基团，难以促进纤维和树脂之间粘结。一般会选择化学试剂侵蚀法、等离子体处理改性法、电晕放电处理法、光氧化表面改性处理法等完成表面改性处理，从而优化纤维表面性能，提升纤维与树脂基体整体性能。超高分子量聚乙烯纤维复合材料制备工艺[4]如图2所示。

图2 超高分子量聚乙烯纤维制备工艺Fig.2 Preparation process of ultra-high molecular weight polyethylene fiber

1.4 PBO纤维复合材料

在化学纤维材料中，PBO纤维是强度与模量最高的材料，在火焰燃烧下不会发生收缩现象，耐热性与耐燃性非常高，耐冲击性与耐摩擦性较好，且尺寸稳定性良好，质轻且柔软，是最为理想化的纺织材料。而因为同时具备力学性能与抗燃性，与理想化超纤维高度近似，所以深受青睐。但是PBO纤维的耐光性不足，在紫外线照射下很容易危害到纤维强度，因此使用过程中需要进行避光处理。在没有经过表面改性处理时，PBO纤维复合材料的层间剪切强度相对较差，而抗压强度与染色性也明显不足[5]。PBO纤维复合材料制备工艺如图3所示。

图3 PBO纤维复合材料制备工艺Fig.3 Preparation process of PBO fiber composites

1.5 混杂纤维复合材料

混杂纤维复合材料可在一定程度上弥补单一纤维材料的不足[6]，以确保复合材料性能优异，还可通过混合高价纤维与低价纤维，强化树脂基体，以降低材料成本，实用性与经济性良好。为进一步实现最佳混合效果，可采取层内混合、层间混合、层内与层间相互混合等多元化方式。

2 先进高分子复合材料在足球运动及其防护用具中的创新应用

2.1 足球

一直以来，足球制造均以动物皮革为主要材料，而在合成皮革及其应用日渐广泛的形势下，人们开始以合成皮革进行足球制作[7]。当前合成皮革生产技术逐步优化更新，很多物理性能已高度接近甚至超过了天然皮革，其势必会在足球制造领域实现普遍应用。足球通过先进高分子复合材料的显著特征，即高弹性，形变较为明显，在外界条件不变时，不受外力影响即可自行恢复，此特性便为高分子复合材料制备足球奠定了坚实基础。韩日世界杯所使用的飞火流星足球，便是以加厚合成皮革制备而成，其由高固化聚氨酯、透明聚氨酯涂层、微泡混合塑料、天然橡胶等有机材相结合。此合成皮革由排列规则化且密度非常高的微型气囊构成，均匀且高弹，抗冲击性较强，以此使得足球拥有了良好的反弹性，强化了足球抗阻性，保障了踢球动作的精准性。巴西世界杯所使用的Brazuca足球，以特殊塑料制备而成，外表层由聚合物制备，使得足球拥有了强大的自行恢复能力，可在踢球动作之后快速恢复原状，也使得足球拥有了持久性、耐用性、高弹性，而且外表层拼接所用粘合剂为水性聚氨酯分散体制备而成。

2.2 足球场地

运动型人工草坪以其耐磨性、可反复使用等优势，实现了在橄榄球、棒球、足球等场地中的普遍应用。运动型人工草坪是基于人造纤维等高分子复合材料，利用机械设备加工制成的，耐磨且使用频率很高，可直接代替天然草坪。在国际足球比赛中，人造草坪系统是统一标准，由人造草与填充胶粒共同构成，人造草包含底布层、直立草、根部草、背胶，以热塑性高分子复合材料聚丙烯与聚乙烯，热固性高分子复合材料羧基丁苯橡胶，常见尼龙高分子复合材料组合而成[8]。填充胶粒则主要为废旧轮胎胶粒材料制备。由于人造草无法回收循环利用，很容易导致环境污染与资源消耗。当前研发了绿色环保型人造草皮，由草纤维、草底部、背胶构成，在避免环境污染与资源消耗的基础上，节约了回收利用成本。草底部以聚酰亚胺、聚丙烯制造，可与草纤维共同回收利用。

2.3 防护用具

以往足球场四周的栅栏以钢管、金属链、木板为主，拦护功能强大，但是却在一定程度上加大了运动员受伤几率。在保障运动员身体不受损伤角度来讲，塑料及其复合材料一直都是运动护具首选材料。为保护头部与眼睛不受伤害，足球守门员在进行练习时，所配戴的头盔与护目罩是由塑料、吸能泡沫、聚氨酯制造的；鞋跟或者鞋垫是由高弹性泡沫制造的，可减轻足跟疼痛。

2.4 足球球衣

足球球衣一般以紧紧包覆人体表面的弹性面料为主，并以极小廓形截面降低阻力。现阶段紧身运动服质量在很大程度上由面料性能所决定，最常使用的超细尼龙纤维与聚氨纤维的混合纤维，可降低阻力，而且此球衣贴身性能较好，可提高运动员在足球运动比赛中的敏捷性。例如耐克品牌便以聚酯超细纤维生产足球服，以废弃塑料瓶作为原料，其不仅优化了球衣整体性能，还减少了环境污染，实现了节能环保。而且其创新型设计使得足球衣着更为便利，透气性良好，为足球运动员带来清爽体验。

2.5 足球球网

以前的足球赛球门不会配置球网，射门的球急且快，难以评估是否进门[9]。后来英国足联批准球门配置球网，现代足球运动所用球网多数是以涤纶或者尼龙线制造的，强度比较大。作为合成纤维重要品种，涤纶是聚酯纤维的商品名称，是基于对苯二甲酸或者对苯二甲酸二甲酯与乙二醇作为原料，在酯化或者酯交换与缩聚反应制备而成的高聚物，即聚对苯二甲酸乙二醇酯，在纺丝与后处理之后所生成的纤维，高强且高弹，耐热且耐磨，热塑性好且耐光性优，耐冲击且弹性恢复快。

2.6 足球球鞋

足球球鞋面料中鞋面一般会选择人造纤维作为材料，鞋底则会选用热塑性聚氨酯、尼龙或者碳纤维作为材料，其中聚氨酯坚韧、耐磨且成本低，尼龙质轻、高弹，但韧性较差，成本高，碳纤维质轻、高弹，但成本高[10]。如果足球鞋制备想要同时采用吸能材料与弹性材料，并于鞋底以二者相配合使用，便可在很大程度上满足足球运动员对于减震性与稳定性的相关要求。当前所研发的气垫装置，即夹于密封囊中的底材结构，其中的气体并非普通空气，而是通过高压注入的大分子结构气体，使得底材在踩踏蹬跳等动作下依旧可以自行恢复，可有效降低伤害性冲击。

3 结语

总而言之，先进高分子复合材料在足球运动整个领域中广泛应用，可促使运动员在足球比赛中更为快速、精准地充分发挥自身力量。未来高分子复合材料在足球运动及其防护用具中的应用，可尝试制备贴身且排汗性能俱佳的球衣，制备硬度较大的球鞋外鞋面，舒适性与排汗性良好的球鞋其他部位，制备气密性、弹性、抗阻性较高的足球。