陳少卿，李 寧

（1陜西鐵路職業(yè)技術(shù)學院，陜西渭南714000 ；2陜西鐵路工程職業(yè)技術(shù)學院，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)展與高分子復合材料密不可分，高分子復合材料以其質(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 先進高分子復合材料

1.1 碳纖維復合材料

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]，碳纖維復合材料制備工藝具體如圖1所示。碳纖維復合材料外柔內(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，比熱與導電性良好，熱膨脹系數(shù)較小，同時具備各向異性、導電導熱性、電磁屏蔽性等。相較于玻璃纖維，碳纖維復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 碳纖維復合材料制備工藝Fig.1 Preparation process of carbon fiber composites

1.2 芳綸纖維復合材料

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。通常采用化學涂層法與物理等離子體法進行芳綸纖維復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，是當前先進高分子復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纖維復合材料

在化學纖維材料中，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纖維復合材料制備工藝如圖3所示。

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

1.5 混雜纖維復合材料

混雜纖維復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，此特性便為高分子復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能力，可在踢球動作之后快速恢復原狀，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，以熱塑性高分子復合材料聚丙烯與聚乙烯，熱固性高分子復合材料羧基丁苯橡膠，常見尼龍高分子復合材料組合而成[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，很容易導致環(huán)境污染與資源消耗。當前研發(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，可有效降低傷害性沖擊。

3 結(jié)語

總而言之，先進高分子復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。