高分子转动世界杯
生命科学学院郁茜
摘要:  以聚氨酯弹性体和复合纤维为例，从结构、功能、物理化学特性等角度简要要介绍了高分子材料在足球运动中的应用。
关键词：足球聚氨酯弹性体复合纤维
前言
刚刚落幕的世界杯一定给各位球迷、伪球迷以及非球迷们留下了深刻的印象，可是你知道吗，球星们华丽的表演离不开高分子材料的应用。各种材料是制造体育器材、体育服装的基础，材料的性能将直接决定体育用品的安全性和专业程度。在高水平竞技运动的成绩接近人体体能极限的情况下，依靠改变内在变量来提高运动成绩的难度越来越大，为促进运动成绩的提高，人们越来越热衷于利用现代高新技术来改变外在变量，即注重运动器材和装备的革新，本文就从比赛用球、足球鞋、球衣所用材料的角度简要介绍了足球运动中使用的高分子材料的物理化学性质、特点和功能。
一比赛用球和足球鞋
古书中记载：“鞠，以韦为之，中实以物，蹴蹋为戏乐也。”不过这可是两千多年前的战国时代，当时的科技水平实在不够发达，无法做出踢着有力，弹性又好兼外观好看的球。进入20世纪，伴随着1904年国际足联的成立，世界足球运动发展揭开了新篇章。1930年7月，首届世界杯在乌拉圭开幕，世界杯从此逐渐发展成为世界上规模最大的体育盛会之一。而这一切，也推动了足球制造技术的发展。1970年，墨西哥世界杯上首次引入了专用比赛球的概念，并由德国阿迪达斯公司提供。在这届赛事上，使用的是名为“TELSTAR”的特别设计的足球。该球用32小块皮革手工缝制而成，其中使用了12块黑五边形与20块白六边形两种形状的皮革和谐交替的外形设计。之后的几届世界杯用球都仅仅是外观上有所不同，直到1982年世界杯来到了探戈盛行的西班牙，这届杯赛的专用球也就被命名为“西班牙探戈”。这款足球外观上沿用了阿根廷版“探戈”，但却首次采用防水缝合皮革的革新工艺，这次的革新可称为是序曲，从此世界杯专用球开始改变主要在外观上创新的方向，不断在材质和制造技术上获得突破。1990年意大利之夏，由聚氨酯材料制成的足球登场了！之后的历届世界杯比赛用球均是在此材料的基础上略有创新。1998年法国世界杯，阿迪达斯公司特别推出了TRICOLORE，也就是比较为人所熟知的“三球”。这款足球在外观上首先突破了以往单纯使用黑白两的传统设计，使用了法国国旗上的蓝白红三，以这三种颜组成的三角斜纹图案代替了传统足球的黑。它采用的新型复合泡沫材料使得足球表面的32小块每一处都可以具有相同的反弹力，因此提高球体对压力的敏感度，不仅球速变快，而且方向准确性更准，空中运行也更加平稳。2002年韩日世界杯比赛用球，英文名是Fevernova，中文译名“飞火流星”，它全部用人工合成材料制成。和1998年世界杯比赛用球相比，“飞火流星”的精确性提高了25%，速度提
高了10%。奥秘在于足球表面那层厚度仅为3毫米的合成革，由包括高固化聚氨酯、透明聚氨酯涂层和“微泡混合塑料”以及天然橡胶总共多达10层的材料有机结合而成，其设计、开发、制作全部在德国的阿迪达斯足球实验室完成，
足球鞋需要具备好的抓地性，同時又得防土防水。但最为关键的是它们必须有缓冲作用，能将压力分散到较大的面积，从而保护球员的关节、韧带和肌肉。耐克(Nike)公司为罗纳尔
多特别制作的那双超炫的“水银”球鞋，采用了柔软超轻的KNG—100材料网眼织物配合聚
氨酯涂层，为球员提供最佳的触球感觉和不同凡响的透气性。拜尔公司开发的Bayflex聚氨
酯制成的鞋底具有出的吸震特性，能够保护人们的关节和脊椎，与传统材料制成的鞋底相
比，重量減少40%。使用柔韧耐磨的热塑性聚氨酯制成的鞋底和鞋跟具有良好的抓地性和防
滑性，并且能耐受低温。
通过上面的介绍，相信大家已经了解到制造比赛用球和球鞋最核心的材料是聚氨酯弹性
体，下面，就为大家介绍聚氨酯弹性体的物理和化学性能：
聚氨酯弹性体的杨氏模量介于橡胶和塑料之间，具有耐磨、耐油、耐撕裂、耐化学腐蚀、
耐辐射，与其他材质粘结性好，高弹性和吸震能力强等优异性能。足球用聚氨酯在分类中属
于聚氨酯皮革，又称PU革。PU革是用聚氨酯浇筑胶、热塑胶和聚氨酯水乳胶制作的。聚氨
酯浇筑胶作PU革的粘合剂或发泡层，聚氨酯水乳胶和聚氨酯热塑胶作PU革的面层，也可单
独用聚氨酯热塑胶或单独用聚氨酯水乳胶作PU革。⑴
表1中列出了若干材料的Taber磨耗数据，可见聚氨酯弹性体是最小的。
表1
各种合成材料的Taber磨耗值
材料名称磨耗量/㎎材料名称磨耗量/㎎
天然橡胶 146 聚氨酯弹性体 0.5-3.5
耐冲击聚氯乙烯 160
尼龙610 16
丁苯橡胶 177 聚酯薄膜 18
增塑聚氯乙烯 187
尼龙11 24
丁基橡胶 205 高密度聚乙烯 29
ABS 275
聚四氟乙烯 42
氯丁橡胶 280 橡胶 44
聚苯乙烯 324 尼龙66 49
高冲击聚氯乙烯 122
低密度聚乙烯 70
聚氨酯弹性体的拉伸强度是天然橡胶和合成橡胶的2~3倍，聚氨酯弹性体的伸长率虽硬
度的增加而减小，但比其他胶种变化要小得多，所以一般PUR的伸长率较高。如表二所示。
表2
聚氨酯弹性体的力学性能
品种拉伸强度/Mpa伸长率/% 硬度（邵氏A）
95
410 Estam（聚酯型TPUR） 59.5
730
85
Cyanaprene（聚醚型CPUR） 50.0
HA-1（国产聚酯型MPUR）≥30.0 400 75
610 85 TMAR-1（国产聚THF醚型TPUR） 40.0
JA-1(国产聚环氧丙烷醚型CPUR)  30.7  462 94
化学结构：和其他常见的聚合物相比，聚氨酯的化学结构显得特别复杂，从合成用的
弹体品种来看，所有热塑性弹性体至少由3个结构单元组成。例如最简单的四氢呋喃-均聚
醚聚氨酯热塑胶是由均聚多元醇、四氢呋喃-均聚醚二醇、扩链剂、1，4-丁二醇、多异氰酸酯、4，4-二苯基甲烷二异氰酸酯5种成分构成。而常见的一些聚合物弹性体，像天然橡胶、橡胶、丁苯橡胶和ABS等，一般只含有1~3个单体。从聚氨酯弹性体的结构单元来看，分子中除含有氨基甲酸酯这一特征基团外，可能同时含有酯基、醚基、烃基、芳香基等基团，这是一般聚合物所不具备的特征。⑵
二球衣
对球衣来说面料是最重要的。最大的要求就是其透气性、吸汗性。先让我们看看两大体育用品公司——耐克和阿迪达斯的球衣面料的特点吧
NIKE的球衣面料，主要是SPHERE-DRY和DRI-FIT。
NIKE的SPHERE系列，采用独特三维编织结构和功能面料相结合。内部形态类似细胞，每个独立单元可以是圆形或六角形，贴近皮肤处采用吸汗性能极佳的纤维，外部为微孔排汗面料。穿着时，内层凸起结构保证流汗时绝不粘身，提供极强排汗透气功能。“NIKE Sphere React Dry”可随体温的变化而变化。干燥的时候，超细纤维成分会运动员带来舒适感，一旦流汗后，“MRT fiber”成分会变成立体结构凸起（产品不同变化大小也不同），使面料与皮肤之间的空间约为干燥时的2倍，减轻出汗时造成的不适感。同时，通过凹凸变化，使空气流入皮肤表面的空间，以提高速干性。当汗水干燥后，纤维恢复干爽，平贴于肌肤。“NIKE Sphere React Dry”在出汗时的粘腻感只有以往的涤纶纤维的一半。
特点：面料超轻，有明显三维立体结构。
Dri-Fit是Nike独家开发的微细纤维物料制造出来的面料。此种面料排汗快速，专为保持运动舒适性而设计。独特的Dri FIT超细纤维能使水分通过虹吸作用沿着纤维传送至衣服表面迅速蒸发。Dri FIT面料功效持久，穿着时可贴近皮肤表层，提供优良的排汗功能及舒爽感。
特点：由超细纤维材质织成，能将汗水从皮肤传送到衣服外层并迅速蒸发，保持凉爽舒适。
Clima是adidas研发的透气散热科技。“climacool”这种面料能够根据人体代谢原理，提供全面的通风、排汗功能，面料非常透气舒服而且很有弹性，适合伸展。为了进一步达到透气效果，在腋下、背部等部分还采用了小网眼设计，以帮助保持运动员身体舒适，而且还可以防静电。最神奇的是，据说可散去运动
时99.9%的因流汗产生的阿摩尼亚气味，简言之，就是除体味。
除了面料之外，世界杯正版球衣的缝纫用线也很有讲究: 球员版用线是聚酯纤维，球迷版的用线是经过处理的尼龙或涤纶，都不会产生静电。
被繁多的术语搞昏头了吧？不管两大公司怎样创新，到目前为止，最先进的面料也超不出纺织纤维的范围，下面就给大家介绍一下有关纺织纤维的化学知识：
纺织纤维可分为天然纤维和化学纤维。顾名思义，天然纤维就是直接从自然界中得到的，如棉花、羊毛、蚕丝和麻类。化学纤维可根据其所用高分子化合物来源的不同分为两大类：一类叫人造纤维，它是由天然高分子化合物经化学加工制得的；另一类叫合成纤维，它是先把简单的化学物质用有机合成的方法制得合成高分子化合物，然后再经纺丝加工而制得的。高品质的球衣使用复合纤维，又称组合纤维或共轭纤维，它通常是采用两种或两种以上不同组分的纺丝熔体或溶液，分别输入同一个喷丝头，在喷丝头内的适当部位相遇后，再从同一纺丝孔喷出成型而制得。由于复合纤维是由物理性能不同的两种或两种以上的高聚物复合纺制在同一根纤维中，因此这种纤维遇到沸水、蒸汽或干热处理时，各组成物就会发生不同程度的收缩，使纤维产生三度空间的螺旋状稳定卷曲，这一点是复合纤维与普通化学纤维相比最为显著的特点。复合纤维的这种卷曲具有可复性，也就是说，当纤维在外力作用下卷
曲减少后，如果我们使其受热，则卷曲就又可以恢复。此外，由于复合纤维可以用两种不同的成纤高聚
物复合纺制，因此可以使纤维的性能在更加宽广的范围内加以调节，以适应多方面的要求。服装面料的主要成分是涤纶（俗称的确良），这类纤维因其高聚物的分子结构中含有酯基，学名聚酯纤维。涤纶作为衣用纤维其最大的特点是抗皱性和保型性特别好，做成衣物挺括不皱、外形美观，而且快干，但它的吸湿性较差，制成复合纤维后就可增加它的吸湿性，有利于运动员在场上的发挥。⑶
参考文献
1傅明源，孙酣经，《聚氨酯弹性体及其应用》第二版，北京：化学工业出版社，1999
react耐克是什么2化学纤维知识编写组，《化学纤维知识》，北京：科学出版社，1978

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