体育运动用先进吸能聚合物泡沫材料的研究进展

谢高长

摘要：聚合物泡沫塑料因其轻量化及其他特性而受到广泛关注。泡沫具有优异的吸能性能，这与泡沫特殊的形变机理（泡孔屈曲和泡孔坍塌）有关，因此通过结构设计提高吸能性能是聚合物泡沫领域的研究热点。体育产业中利用聚合物泡沫的吸能特性开发了各类体育用品，这些用品的主要任务是保护运动员的健康，确保安全的运动条件。本文介绍了体育产业对聚合物泡沫的性能需求，详细阐述了运动垫用聚合物泡沫的研究进展。

关键词：体育产业  聚合物  泡沫塑料  吸能材料

中图分类号：G80文献标识码：A文章编号：1006-8902-（2024）-02-091-3-TBB

聚合物泡沫由聚合物基体和分布在其中的气泡组成，具有两相结构。发泡的聚合物产品具有许多优点，如低密度、良好的绝热和隔音性能以及优异的能量吸收特性（抗冲击性能）。正是由于这些优点，聚合物泡沫已被广泛应用于汽车、建筑、包装、运动器材等领域。

聚合物泡沫具有优异的阻隔和抗冲击性能是由于它的泡孔结构。由于泡孔的形变机理，聚合物泡沫可以耗散遭受冲击的能量，使最大作用力保持在一定限度以下。例如，在遭受撞击时，聚合物泡沫中的最大作用力远低于相同的非泡沫材料。这一特性在聚合物泡沫的工程领域中得到了充分利用。

同样的，保护运动员避免受伤也非常重要，因此具有发泡结构的防护装备被用于体育领域的各个方面。例如，运动垫主要用于体操、跳高、撑杆跳高和格斗运动。而在格斗运动中，聚合物泡沫的要求更为严格，它需要足够坚固从而为复杂的运动提供最佳表面，还需要高的冲击阻尼能力，使运动员的负荷达不到损害健康的风险极限。本文主要介绍了体育产业对聚合物泡沫的性能需求，详细阐述了运动垫用聚合物泡沫的研究进展。

1、体育产业对聚合物泡沫的需求

泡沫用于制造运动器材主要是出于安全的考虑，各种防护装备、服装和不同运动垫的主要任务是保护运动员的健康，避免运动伤害。运动损伤最糟糕的情况是运动员在碰撞或落地过程中头部首先接触到运动垫，而作用在身体和头部上的速度矢量方向是相同的。在这种情况下，总负荷集中在身体上半部分，可导致致命的颈部损伤、颅面损伤和局灶性脑损伤（如局灶性血管病变）。基于此，无论何种运动，用于生产运动器材的泡沫需要具备优异的能量吸收和冲击阻尼能力。

在使用运动垫的所有运动中（如柔道，体操或跳跃运动），评价运动垫的基本指标包括作用在身体上的最大加速度、最大形变量、最小吸收的动能。由于运动垫的持续使用会导致质量下降，所以在世界大赛中，大多数运动项目对运动垫的使用年限也有规定。

然而，这些运动垫的专用标准只定义了上述力学参数，并没有对产品的原材料提出要求，因此各个厂家生产垫子的聚合物材料和结构有很大差异。通常，产品都是由一个或多个聚合物泡沫层和上层聚氯乙烯（PVC）覆盖层组成。

此外，与运动垫类似，用于冬季运动的聚合物泡沫产品也具有保护功能。它们用于滑雪场边界的围挡，也用于运动员穿的各种防护服。这些衣服的结构类似于赛车运动中使用的护具，由较硬的热塑性聚合物外层和较软的聚合物泡沫内层组成的三明治结构。这些产品的防护原理是较硬的热塑性聚合物层耗散掉作用在防护装备上的力。因此，较大体积的软泡沫层起到吸能的作用，提高了产品的冲击阻尼效率。除了要求在碰撞中减轻使用者的负荷外，防护服还需要具备舒适性，不应限制穿着者的活动。因此，为了保持长期高水平的运动表现，足够的透气性也是一个重要指标，它决定了服装的水蒸气透过能力。因为闭孔和盲孔降低了蒸汽传递的能力，导致运动员不适及心脏负荷的增加。此外，厚度也是影响透气的一个重要因素。厚度越大，抗冲击能力越好，因此在防护装备的设计中需要同时考虑这两个因素。

在武术运动中，仅仅有优异的冲击阻尼能力是不够的。还需要垫子足够坚硬，保证运动员的脚不会陷进垫子里，以免伤到脚踝。根据EN12503标准，这种性能可以通过测试材料的静刚度来表征。它是将一个直径为78mm、重量为50kg的圆柱体放在垫子上所产生的变形量与在距离圆柱体轴线80mm处水平测量的变形量之差。

在多数情况下，可用于存放运动垫的空间有限，通常是将垫子堆放在一起，有些堆放的高度甚至达到数米。这样，垫子将在长时间内承受一个稳定的负荷。因此，要求垫子在承受长期负荷后质量也不会下降。垫子的这一性能可以通过压缩系数来表征。运动垫的其他重要性能还有耐老化性和均匀性。耐老化性保证垫子在连续使用后力学性能不会下降，均匀性保证了运动垫的每个部分是同样安全的。

综上所述，体育产业对聚合物泡沫的要求是复杂的。同一类型的泡沫材料很难满足所有的需求，因此通常需要设计夹层结构的泡沫材料。

2、泡沫在体育中的应用

以上论述表明，体育运动中必须使用能够提供足够保护的材料。这些材料可以在运动员摔倒时削弱作用在运动员身上的力，并在碰撞过程中吸收很大一部分冲击能量。根据产品的主要功能、不同的应用领域，垫子的密度和厚度有所不同。在跳高和撑杆跳中，减震非常重要，所以落地垫的密度最小，厚度最大。另一方面，搏击运动需要一个安全的姿势来进行动作，所以在这些运动中使用的垫子（例如空手道和跆拳道）密度更大，厚度更小。体操、摔跤、综合格斗、柔道等项目中使用的运动垫的性能介于着地垫和击打垫之间。

然而，无论何种运动，生产垫子的泡沫材料通常有四种。最常见的原料是交联聚乙烯（crosslinked polyethylene，XPE）泡沫。此外，也有一些垫子是由普通（polyurethane，PU）和再生（rPU）的聚氨酯、乙烯-醋酸乙烯（ethylene–vinyl acetate foams，EVA）和聚氯乙烯/丁腈橡膠（polyvinylchloride/nitrile butadiene rubber，PVC/NBR）泡沫制成的。

2.1、XPE泡沫

交联聚乙烯是生产运动垫最常用的原料。聚乙烯具有良好的力学性能，但它是一种热塑性聚合物，加热时会软化，不能在熔融温度（110-130℃）以上使用。而交联可以增加聚乙烯的耐热性能，也能改善其力学性能。

聚乙烯交联结构的形成可以通过物理或化学两种方式。物理方式交联时，材料暴露在高能辐射下（紫外线、电子或伽马辐射），聚合物链形成自由基，并相互结合，从而形成弱交联结构。与化学交联相比，这个过程成本更高。但物理交联的优势是速度快，不需要加入额外的添加剂就能产生均匀的交联结构。化学交联通常使用过氧化物或硅烷引发剂，随着温度和压力的增加，分子链分解及氢原子解离，从而产生自由基，因此形成交联结构。

交联聚乙烯泡沫塑料是典型的闭孔结构，与非交联聚乙烯泡沫相比，具有更好的耐热性，并且由于交联的结构，其静载后的回弹性更好。回弹性能是对运动垫的基本要求，其主要受发泡工艺和交联方式的影响。

2.2、EVA泡沫

EVA是乙烯和醋酸乙烯酯的共聚物，其中醋酸乙烯酯含量通常在10%-40%。由于其透明度、可调节性和低成本，EVA泡沫的使用越来越广泛。EVA泡沫主要用于需要材料具有高能量吸收性能的场景，例如，汽车和运动器材行业。此外，鞋底要承受不断重复的动态载荷，其材料也主要是密度为150-250kg/m3的闭孔EVA泡沫，模量为200kPa。板球中使用的防护装备的核心层也是由EVA泡沫制成的，其两侧被聚碳酸酯外壳层包围。这种夹层结构必须提供抵抗速度45m/s的冲击保护。

Shimazaki等也研究了由EVA泡沫层制成的夹层结构，用于开发鞋在循环动载荷下的减震性能。通过改变偶氮二甲酰胺发泡剂（8、12和16phr）的用量，制备了三种不同密度的泡沫（23、17和11kg/m3）。其厚度为5mm，由含有三层泡沫层的夹层结构组成。他们对不同密度泡沫的试验表明，增加发泡劑的量会导致膨胀和损耗因子的增加及密度、硬度的降低。通过施加最大1000N、周期为1s的循环载荷来研究多层层压板的减震效率。在上层和下层夹层中放置压力传感器来检测输入和输出载荷。试验结果表明，通过改变层序可以有效地提高泡沫的减震效果。通过从上到下降低密度，密度较高的上层吸收载荷较少，因此更多的荷载传递给下层。如果层序相反，减震效率将从60%提高到65%。

过去的十几年，许多研究人员还致力于EVA-橡胶共混物的发泡，从而使泡沫更软并增加其柔韧性。

2.3、PU泡沫

PU是含有氨基甲酸酯基团的高分子材料。在PU的生产中，在（多）二异氰酸酯和多（二）元醇单元之间发生聚加成反应。PU泡沫在整个PU市场中占有最大的份额，市场份额为68%。通过改变原料成分的含量，可以实现PU从软泡到硬泡的调控。PU泡沫可以用物理发泡剂或化学发泡剂生产。最常用的物理发泡剂是氢氯氟烃（HCFCs）和戊烷，而最常用的化学发泡剂是羧酸和水。它们与异氰酸酯反应生成二氧化碳，从而保证了典型的开孔结构的生成。

除了以上方式生产的泡沫外，回收/再粘合PU泡沫也具有广泛的应用。通常，着地垫由普通PU泡沫生产，而再粘合PU泡沫是武术垫的首选原料。PU泡沫塑料的加工工艺会导致大量废料的产生，因此多种技术已经广泛用于PU泡沫废料的回收。PU泡沫的回收包括物理或化学回收，但运动垫通常是由物理回收的PU泡沫生产得到。

再粘合PU泡沫的生产利用了开孔PU泡沫生产过程中产生的废料。将不同硬度和颜色的薄片切割成直径5-10mm，混合后在单轴压缩下加入多元醇和异氰酸酯作为粘合剂粘合在一起。由于预弯曲的边缘，这种结构比常规PU泡沫有更线性的应力—应变响应。

Mills和Lyn用落锤冲击试验机对再粘合PU泡沫进行了动态力学试验。所测试的三种垫子的厚度分别为100mm、200mm和400mm，密度范围为63.3-82.2kg/m3。为了模拟人类头部的冲击，他们执行了BS EN 960：1995测试标准，即圆周为58cm，质量为4.1kg的球从不同高度落下（0.125-1m之间）。结果表明，除了100mm厚的样品，其他样品的力变形曲线的载荷相位都是线性的。然而当形变大于70%时，应力—应变曲线是非线性的。这可能是由于泡孔的压缩，导致相邻泡孔边缘接触从而使力增加。他们的研究还包括对重复撞击效果的研究。他们每10min从1m的高度对0.4m的样品进行一次冲击，研究表明重复冲击不影响最大加速度和最大形变。这表明，与闭孔聚乙烯泡沫塑料相比，再生聚氨酯泡沫塑料的力学性能在反复载荷下不会衰减。

2.4、PVC/NBR泡沫

PVC/NBR材料属于热塑性弹性体。它们可以通过传统的热塑性技术进行可逆的熔融和加工，并且具有弹性体的优点，例如大的不可逆形变的能力。这些材料大多是线性的嵌段共聚物（-AAAA-BBBB-AAAA-结构），其中每个区域形成软段和硬段，从而形成物理交联结构。这种结构的材料的力学性能可以方便地通过调控硬段和软段的比例来改变。PVC/NBR泡沫运动垫生产企业多为美国企业，密度范围为56100kg/m3，拉伸强度约为500kPa。然而，尽管工业上广泛使用PVC/NBR泡沫，对它们的研究却很少。Shakarami等制备了微孔PVC/NBR泡沫，并研究了NBR含量和发泡工艺对最终产品性能的影响。在他们的研究中，以CO2为发泡剂，采用间歇发泡法制备了NBR含量为5%-15%的泡沫。研究表明，在发泡过程中增加温度和时间会导致平均泡孔尺寸的增加和相对密度的降低。NBR含量越少，膨胀率越高。当发泡温度为110℃，发泡时间为15s，PVC/NBR比为9∶1时，泡沫的相对密度最低。此外，NBR含量对泡沫力学性能的影响不显著，泡沫的拉伸强度均在4-6MPa之间，弹性模量在25-30MPa之间。

3、结论

聚合物泡沫具有优异的阻隔和抗冲击性能，因此具有发泡结构的保护装备被用于体育领域的各个方面。体育产业对聚合物泡沫性能的要求较复杂，通常需要设计夹层结构的泡沫材料。本文综述了体育产业中使用的泡沫材料的种类、需求和性能，以及体育产业中聚合物泡沫材料力学性能的测试方法和标准。评价运动员与聚合物泡沫材料的碰撞或着陆，最常见的模型方法是落重冲击试验。以运动垫为例，材料的种类、发泡剂和其他添加剂的种类及用量是影响阻尼性能和力学性能的重要因素。在体育行业，聚合物泡沫领域的未来趋势是多层夹层结构的开发和对重复载荷影响的深入研究。

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