復(fù)合型PVC塑膠跑道研究進展及其防滑耐磨高強度改性結(jié)構(gòu)分析*

趙燕晶

（陜西鐵路工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院，陜西渭南714000）

聚氯乙烯（Polyvinyl chloride，PVC）是氯乙烯單體(vinyl chloride monomer,VCM) 在過氧化物、偶氮化合物等引發(fā)劑或在光、熱作用下按自由基聚合反應(yīng)機理聚合而成的聚合物[1]。利用PVC 加工而成的塑膠跑道是一種以PVC 及其共聚樹脂為主體加入特殊比例的填料、增塑劑、穩(wěn)定劑等，再經(jīng)過特殊的加工工藝如共混、擠出、壓延成型等最終獲取的新型運動場地。隨著政府、社會對體育教育改善工作重視程度的提升以及“毒跑道”等問題的出現(xiàn)，利用新型復(fù)合PVC 材料塑膠跑道取代一般礦渣、塑膠跑道正逐漸成為未來體育運動場地建設(shè)的必然發(fā)展方向。

1 復(fù)合型PVC 塑膠跑道對運動成績的影響

1.1 對人體重心的影響

復(fù)合型PVC 材料具備較強的拓展性，能夠通過添加不同輔助材料獲得不同硬度的跑道，可以為不同用途運動場地提供針對性開發(fā)服務(wù)。質(zhì)地較硬的跑道能夠為運動員提供較短的支撐時間，該支撐時間差距通常在0.004s ～0.008s 之間，運動支撐時間的縮短能夠使運動員的身體重心在水平軸的運動幅度降低，該降低幅度約在0.03 ～0.06m 左右[2]，進而一定程度上降低運動支撐階段所消耗的時間，改變運動員支撐階段的運動規(guī)律。

1.2 對后蹬動作的影響

與普通材質(zhì)跑道相比，復(fù)合型PVC 材料能夠為運動員提供更大的摩擦力，從而幫助運動員有效避免蹬地時的滑動。同時該類型材料能夠獲得遠高于一般運動場地的表面平整度，對于運動員充分進行蹬地動作有較強的幫助，運動員的支撐腿即便不產(chǎn)生充分的蹬直動作，也能夠獲得足夠的蹬地力量。據(jù)文獻資料得知，利用復(fù)合型PVC 材料加工而成的塑膠跑道在后蹬階段能夠顯著降低運動員支撐腿膝關(guān)節(jié)的角度，與一般跑道相比該差值約在4.2°左右[3]。

1.3 對前擺動作的影響

復(fù)合型PVC 塑膠跑道能夠為運動員提供更小的軀干前傾角度，與一般運動場地相比該差值約在2°左右[4]。運動員的軀干部分不發(fā)生過分傾斜，對于個體進行髖部前送動作有較大幫助，能夠顯著增加運動員蹬地腿的后伸幅度和擺動腿的前擺幅度，從而增大運動員跑動過程中的最大分腿角，該差值約為2.2°左右[5]。最大分腿角的提升，有利于加大運動員的補償，同時較直的軀干還有利于膝蓋部位的高抬動作、降低重心起伏，從整體而言加快運動員跑速。

1.4 對前、后蹬距離的影響

運動員在復(fù)合型PVC 塑膠跑道上的著地點較一般材質(zhì)跑道更遠，該差值通常在0.05m 左右，這與PVC 材質(zhì)能夠為運動員提供更小的著地角有關(guān)[6]。前蹬距離與后蹬距離直接影響運動員步長，前蹬距離大步長大、后蹬距離小則步長也大。使用PVC 塑膠跑道后，田徑運動員前后蹬距離和角度的變化能夠顯著影響運動員競技姿態(tài)，通過適應(yīng)與改良競技姿態(tài)進一步提升運動競技水平。

1.5 對安全性的影響

一般渣土跑道在長時間使用過程中會出現(xiàn)場地不平整、黃土裸露等現(xiàn)象。場地使用人員在進行跑跳等動作時，極易因為場地不規(guī)范等發(fā)生安全事故，嚴重時可威脅到運動員的生命安全[7]。而復(fù)合型PVC 材料由于自身質(zhì)量輕、易鋪設(shè)、耐疲勞強度高等特點，具備了一般渣土材料和一般復(fù)合材料更高的安全等級，一般而言局部的破壞不會對復(fù)合型PVC 塑膠跑道的整體結(jié)構(gòu)產(chǎn)生大的影響。同時，經(jīng)過改性后的復(fù)合型PVC 材料熱穩(wěn)定性較高，能夠保證戶外運動場地在嚴酷環(huán)境下的性能穩(wěn)定，不會向大氣散發(fā)有害性氣體，進而從環(huán)保角度提升運動員進行訓(xùn)練和競技時的安全性。

2 復(fù)合型PVC 塑膠跑道改性優(yōu)化

2.1 離聚物在PVC 塑膠跑道中的應(yīng)用

離聚物（Ionomer）是一類C-H 分子鏈中含有少量離子基團的聚合物的統(tǒng)稱[8]。胡濤等[9]在離聚物型自修復(fù)高分子材料中的相關(guān)研究中表示，一般的離聚物中離子基團的摩爾含量不會超過15%。張友新等[10]探討了離聚物改性復(fù)合型PVC 材料共混體系在塑膠跑道和運動場地鋪設(shè)中的改性機理，在一般復(fù)合型PVC 材料中加入適量的離聚物型成型劑，能夠顯著改善復(fù)合型PVC 材料在應(yīng)用于塑膠跑道鋪設(shè)中的力學(xué)性能。將離聚物應(yīng)用于復(fù)合型PVC 材料改性，能夠?qū)VC 材料與一般塑膠跑道中的無機填料進行緊密銜接，進而大幅增強復(fù)合型PVC材料中無機填料的分散性和相容性。

2.2 改性紙塑復(fù)配料在PVC 塑膠跑道中的應(yīng)用

改性紙塑復(fù)配料主要指將粉煤灰、廢舊紙塑復(fù)合材料等進行研磨所得的一類混合物。由于該混合物中含有紙成分，木質(zhì)素的存在使復(fù)合材料能夠具備強極性、吸水性和極高的表面能。利用改性紙塑復(fù)配料對復(fù)合PVC材料進行改性，能夠影響材料中各組分間的相容性進而影響復(fù)合型PVC 材料的力學(xué)性能。張友新等[11]采用硅烷偶聯(lián)劑對粉煤灰/ 塑復(fù)配料混合物等進行表面活化處理，得到了可以用于復(fù)合型PVC 材料改性的塑膠跑道生產(chǎn)加工材料，隨著改性材料用量的增加，復(fù)合型PVC 材料的各項力學(xué)性能呈現(xiàn)出先上升后降低的趨勢，最佳配比條件下，復(fù)合型PVC 塑膠跑道能獲得沖擊吸收47%、垂直形變2.8 ㎜、拉伸強度5.2MPa、斷裂伸長率96%、抗滑值（20℃）107BPN 等的優(yōu)異性能。

3 防滑耐磨高強度改性復(fù)合型PVC 塑膠跑道加工技術(shù)

3.1 跑道結(jié)構(gòu)

張友新等[12]對一般復(fù)合型PVC 塑膠跑道進行改性后，獲得了圖1 所示的包含5 層結(jié)構(gòu)的防滑耐磨高強度改性復(fù)合型PVC 塑膠跑道。

圖1 防滑耐磨高強度改性復(fù)合型PVC 塑膠跑道結(jié)構(gòu)Fig. 1 Non-slip and wear resistant high-strength modified composite PVC track structure

3.1.1 Ⅰ層

該層為塑膠跑道最表層，主要設(shè)計需求為耐磨防滑、抗菌、抗老化等。該層材料加工過程采用最新配方，由硅烷偶聯(lián)劑KH560 活化粉煤灰為改性劑對復(fù)合型PVC材料進行共混改性，加入耐磨止滑劑661、抗沖改性劑等，有效提升了該層材料的耐磨性能和防滑性能。該層所使用的加工工藝為擠出、延壓工藝，與一般的PVC 材料相比，該層在遇水情況下能夠為運動員提供更加艱澀的腳感，從而有效避免運動員的滑倒。同時，為進一步提高面層的防滑耐磨性能，在Ⅰ層表面設(shè)計中融合了防滑六棱凸臺設(shè)計。Ⅰ層厚度為1.2mm～1.3mm。

3.1.2 Ⅱ?qū)?/p>

該層為塑膠跑道的加強層，材質(zhì)主要有高強度樹脂纖維和玻璃纖維絲網(wǎng)等。為了進一步增強復(fù)合型PVC 塑膠跑道的整體物理強度，采用高強度樹脂纖維和玻璃纖維網(wǎng)格布作為塑膠跑道的整體加強材料。通過熱熔工藝，將兩類型纖維網(wǎng)格布與復(fù)合型PVC 材料進行結(jié)合后，塑膠跑道能夠通過強化材料減少跑道因熱脹冷縮引起的變形，使塑膠跑道具備卓越的物理穩(wěn)定性如抗拉伸強度等，同時穩(wěn)定場地尺寸、降低使用危險性。Ⅱ?qū)永w維網(wǎng)格布的厚度為0.5mm～0.85mm。

3.1.3 Ⅲ層

該層主要采用高彈性封閉式PVC 材料利用發(fā)泡工藝和配方生產(chǎn)所得。實際生產(chǎn)過程中利用JH-205 型膨脹劑和改性劑對材料進行共混改性，所得改性后的復(fù)合型PVC 材料通過擠出、壓延形成該層。該層厚度為4mm～7mm。

3.1.4 Ⅳ層

該層由聚丙烯材料經(jīng)過編織所得。該層為網(wǎng)格狀耐撕裂層，主要通過購買既有材料進行加工。采用PP 編織網(wǎng)格通過擠出、熱熔工藝將Ⅱ?qū)优cPP 編制網(wǎng)格層進行結(jié)合，形成塑膠跑道的中間抗撕裂層。由于PP 編織網(wǎng)格材料具有極強的耐彎曲疲勞性和抗撕裂性能，能夠保證塑膠跑道在面對數(shù)十萬次的擠壓、折迭而不發(fā)生損壞。然而，PP 編織網(wǎng)格材料的抗老化性能較差，無法直接用于塑膠跑道的最上層，因而設(shè)計時將該材料作為塑膠跑道的第Ⅳ層進行使用，有效延長了產(chǎn)品的適用壽命。PP 編制網(wǎng)格布的厚度為0.5mm～0.85mm。

3.1.5 Ⅴ層

該層是塑膠跑道最底層，與Ⅲ層所使用的加工材料配方完全相同。該層厚度為5 ～9 ㎜。

3.2 加工流程

防滑耐磨高強度改性復(fù)合型PVC 塑膠跑道具體工藝技術(shù)路線分兩步成型，如圖2 所示。

圖2 防滑耐磨高強度改性復(fù)合型PVC 塑膠跑道具體工藝技術(shù)路線Fig. 2 Specific process and technical route of anti-slip and wear-resistant high-strength modified PVC track

由圖2 可知，該類型塑膠跑道的主要加工思路總共分兩部分：一是將提前加工改性所得的復(fù)合型PVC 材料通過改性、共混、擠出、牽引、裁邊、壓延、切割等步驟后，得到復(fù)合型PVC 塑膠跑道的增強層；二是將高強度樹脂纖維和玻璃纖維以及第Ⅳ層聚丙烯編織網(wǎng)格層分別熱熔于該復(fù)合型PVC 材料的Ⅲ層上下面，然后將Ⅰ、Ⅴ面經(jīng)涂敷結(jié)合共同形成。

3.3 力學(xué)性能

本文針對以上生產(chǎn)工藝加工所得各面層材料進行性能分析，按照GB 36246-2018 進行檢測得到該防滑耐磨高強度改性復(fù)合型PVC 塑膠跑道力學(xué)性能測定結(jié)果，見表1。

由表1 可知，不論從Ⅰ、Ⅲ、Ⅴ層或塑膠跑道整體分析，該類型跑道的沖擊吸收、垂直形變、抗滑值、拉伸強度以及斷裂伸長率等參數(shù)均達到了國標(biāo)要求，部分性能極為優(yōu)異。說明改性和混溶之后的復(fù)合型PVC 材料達到了設(shè)計目標(biāo)，優(yōu)化了跑道的配方和結(jié)構(gòu)設(shè)計。

表1 塑膠跑道力學(xué)性能測試結(jié)果Table. 1 Test results of mechanical properties of plastic track

5 結(jié)語

復(fù)合型PVC 材料是利用聚氯乙烯添加改性材料加工而成的新型材料，在應(yīng)用于塑膠跑道開發(fā)和生產(chǎn)領(lǐng)域后得到了極為優(yōu)異表現(xiàn)。文章主要針對復(fù)合型PVC 材料應(yīng)用與塑膠跑道的優(yōu)勢進行了分析，總結(jié)了相關(guān)研究成果；對復(fù)合型PVC 塑膠跑道改性優(yōu)化方法相關(guān)研究進行了綜述；以某種防滑耐磨高強度改性復(fù)合型PVC 塑膠跑道加工技術(shù)為例，對復(fù)合型PVC 塑膠跑道的結(jié)構(gòu)與性能進行了重點研究。與一般渣土、塑膠跑道相比，利用復(fù)合型PVC 材料加工而成的塑膠跑道，在安全性、環(huán)保性和力學(xué)性能上展示出了顯著優(yōu)勢。