高強(qiáng)度XPE材料武術(shù)地墊性能及影響因素研究

陳盼盼

摘 要：傳統(tǒng)的武術(shù)教育教學(xué)工作多在硬質(zhì)地面上開展，武術(shù)運(yùn)動(dòng)中的跳、躍、摔等動(dòng)作，較容易對(duì)練習(xí)者產(chǎn)生沖擊進(jìn)而引發(fā)運(yùn)動(dòng)損傷。文章以當(dāng)前運(yùn)動(dòng)墊加工制備領(lǐng)域應(yīng)用較為廣泛的高強(qiáng)度XPE材料為例，對(duì)以該類型材料加工制備而成的武術(shù)地墊性能優(yōu)勢(shì)進(jìn)行分析，總結(jié)了該類型武術(shù)地墊所應(yīng)用材料的主要制備工藝，對(duì)影響武術(shù)地墊性能的主要因素進(jìn)行總結(jié)，旨在為傳統(tǒng)武術(shù)體育發(fā)展提供一種可借鑒的運(yùn)動(dòng)輔助、防護(hù)器材應(yīng)用思路，進(jìn)而更好地開展武術(shù)教育、教學(xué)工作。

關(guān)鍵詞：交聯(lián)聚乙烯發(fā)泡材料;武術(shù)地墊;緩沖性能

中圖分類號(hào)：TL344 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號(hào)：1001-5922（2021）07-0046-04

Study on Properties and Influencing Factors of High Strength XPE Martial Arts Mat

Chen Panpan

（Xi an Medical University， Xi an 710021， China）

Abstract：The traditional wushu education and teaching work is carried out on the hard ground. The jumps， eaping， falls and other movements in wushu are easy to iMPact the practitioners and then cause sports injuries. This article takes the high-strength XPE material that is widely used in the field of sports mat processing and preparation as an example， with this type of material preparation and processing of martial arts mat performance advantage analysis， summarizes the types of martial arts mat the main preparation technology of material application， the main factors of affecting the martial arts mat performance summarized， it aims to provide a reference to the application of sports aids and protective equipment for the development of traditional martial arts sports， so as to better carry out martial arts education and teaching.

Key words：crosslinked polyethylene foaming material; martial arts mat; Tcushioning performance

0 引言

作為我國傳統(tǒng)增強(qiáng)體質(zhì)、培養(yǎng)意志、訓(xùn)練格斗技能的民族形式體育運(yùn)動(dòng)，武術(shù)在我國各階段教育工作中的重要性越來越高。然而，隨著武術(shù)教育教學(xué)工作的開展，部分高校缺乏專有的配套武術(shù)器材、武術(shù)設(shè)備等問題逐漸凸顯。其中，缺乏專有的武術(shù)用地墊，成為影響高校順利開展武術(shù)教育、保障練習(xí)者身體健康、提高武術(shù)教育效率的重大阻礙。XPE材料通常又被稱為交聯(lián)聚乙烯發(fā)泡材料[1-2]。作為聚乙烯材料的主要衍生品之一，高強(qiáng)度交聯(lián)聚乙烯發(fā)泡材料是一種將聚乙烯與各種不同填料進(jìn)行混合，再一定的環(huán)境下通過化學(xué)交聯(lián)劑、發(fā)泡劑進(jìn)行處理，最終獲得的具有極其廣泛用途的復(fù)合材料。本文根據(jù)我國北華航天工業(yè)學(xué)院研發(fā)的專利號(hào)為ZL 201220513698.3的武術(shù)套路練習(xí)所用的地墊[3]，對(duì)該地墊中使用的交聯(lián)聚乙烯發(fā)泡材料性能及影響該材料的主要因素進(jìn)行分析，旨在為武術(shù)運(yùn)動(dòng)領(lǐng)域體育設(shè)備、器材的發(fā)展以及更好地開展高校武術(shù)教育提供借鑒。

1 高強(qiáng)度XPE材料武術(shù)地墊

1.1 結(jié)構(gòu)分析

圖1所示為本次研究所使用的武術(shù)套路練習(xí)專用地墊結(jié)構(gòu)圖。該地墊主要由5層結(jié)構(gòu)組成，其中最上層以及最下層為以EPDM（三元乙丙）材料和增強(qiáng)聚氨酯無紡布組成的防水層，其厚度約10～15㎜;第2層、第4層為高強(qiáng)度交聯(lián)聚乙烯發(fā)泡材料，為武術(shù)地墊提供充分的緩沖、減震、防護(hù)功能，其厚度約20～25㎜;最中間為特殊的傳感器層，能夠?yàn)榫毩?xí)者提供武術(shù)練習(xí)過程中的各類型數(shù)據(jù)。

1.2 性能分析

1.2.1 化學(xué)交聯(lián)聚乙烯發(fā)泡材料

化學(xué)交聯(lián)聚乙烯發(fā)泡材料XPE自身具備的性能優(yōu)勢(shì)主要有：XPE材料的環(huán)保性主要體現(xiàn)在材料中含有的主要?dú)怏w為性能穩(wěn)定、無害的氮?dú)?，即便揮發(fā)溢出也不會(huì)對(duì)人體或大氣產(chǎn)生負(fù)面影響;XPE材料內(nèi)部組織在發(fā)泡劑的作用下形成一個(gè)個(gè)閉合的孔結(jié)構(gòu)，常溫下的導(dǎo)熱系數(shù)為0.03～0.04kcal/m.h.℃[5-7];XPE材料的防潮性則體現(xiàn)在材料既是隔熱層同時(shí)又能作為防潮結(jié)構(gòu)，本身不具有吸水性，即時(shí)武術(shù)地墊表面的防水材料三元乙丙和增強(qiáng)聚氨酯無紡布出現(xiàn)破損，地墊本身的隔熱、防潮性能也不會(huì)受到影響;由于化學(xué)交聯(lián)聚乙烯發(fā)泡材料具有極為廣泛的材料族群，能夠根據(jù)用戶不同的需求制備厚度、彈性等不同的發(fā)泡材料武術(shù)地墊;其余性能優(yōu)勢(shì)詳如圖2所示。

1.2.2 其他材料

（1）三元乙丙：三元乙丙橡膠是由乙烯、丙烯經(jīng)溶液共聚合而成的一種飽和的高聚物，材料自身具有耐老化性能優(yōu)良、耐天候性好、電絕緣性能優(yōu)異、耐化學(xué)腐蝕性好、沖擊彈性較好等優(yōu)點(diǎn)[8]。乙丙橡膠最主要缺點(diǎn)在于材料自身的硫化速度慢，同時(shí)該材料與其它不飽和橡膠并用難，自粘和互粘性都很差，故加工性能不好。因此，該材料盡可用于高強(qiáng)度XPE材料武術(shù)地墊的最外層。

（2）增強(qiáng)聚氨酯無紡布：增強(qiáng)聚氨酯無紡布具有耐磨、耐曲折、耐低溫、耐油、耐酸、防霉、可回收降解等特性;在質(zhì)感和性能上優(yōu)于傳統(tǒng)pe無紡布;常用厚度約0.012～0.1mm，幅寬100～2500mm可調(diào)，由于薄膜本身沒有孔隙，防水效果很好。

2 高強(qiáng)度XPE材料制備工藝

2.1 有壓工藝

有壓工藝是指在高強(qiáng)度XPE材料制備加工環(huán)節(jié)主要的化學(xué)交聯(lián)和發(fā)泡工藝中，采用有壓力環(huán)節(jié)進(jìn)行，從而獲得最終的發(fā)泡材料的加工工藝。有壓工藝進(jìn)行高強(qiáng)度XPE材料制備主要可分為模壓法、擠出法兩種[9]。

2.1.1 模壓法

模壓法是利用模具在加熱、加壓環(huán)境下開展高強(qiáng)度XPE材料制備的工藝種類。模壓法主要工藝可分為“一步法”“兩步法”等，工藝參數(shù)對(duì)比情況如表1所示。

一步法更加適合制造低發(fā)泡倍率的產(chǎn)品，發(fā)泡之后的XPE材料本身發(fā)泡倍率通常在30倍左右;而二步法則更加適合制造中、高倍發(fā)泡倍率的高強(qiáng)度XPE材料，發(fā)泡倍率一般超過40倍。

2.1.2 擠出法

擠出法是在材料制備過程中，首先在加工設(shè)備中將含有PE原材料、交聯(lián)劑、發(fā)泡劑等的混合物進(jìn)行充分混合以后擠出，在擠出機(jī)等設(shè)備的高溫作業(yè)環(huán)境下使混合物中的交聯(lián)劑發(fā)生反應(yīng)，引發(fā)PE原材料出現(xiàn)交聯(lián)效應(yīng)，當(dāng)PE原材料經(jīng)過充分的交聯(lián)并由擠出機(jī)擠出到常壓環(huán)境后，由發(fā)泡劑產(chǎn)生作用后形成的混合料氣泡在氣壓作用下逐漸增大、膨脹，最終形成不同工藝參數(shù)的高強(qiáng)度XPE材料。利用擠出法進(jìn)行高強(qiáng)度XPE材料制備的主要工藝如圖3所示。

利用擠出法制備高強(qiáng)度XPE材料又可分為1，2-二氯四氟乙烷法、化學(xué)發(fā)泡劑法等，各加工方法主要加工工藝參數(shù)如表2所示。

除表2所列擠出法制備高強(qiáng)度XPE材料加工方法外，利用超臨界CO2法制備高強(qiáng)度XPE材料逐漸成為當(dāng)前化工領(lǐng)域制備相關(guān)材料的重要方法之一。該方法以線性低密度PE原材料為基體，以硫化劑DCP為交聯(lián)劑，以PULVISTALCI為成核劑，以EPS為誘導(dǎo)劑，經(jīng)混合后注入圖3所示擠出機(jī)，在擠出機(jī)螺桿與冷卻定型機(jī)頭之間的上側(cè)注入超臨界CO2氣體，使混合物在冷卻之前與CO2產(chǎn)生充分、均勻的溶解與混合，使加熱、加壓狀態(tài)下的XPE材料內(nèi)部形成不穩(wěn)定的過飽和狀態(tài)，最終冷卻成型。超臨界CO2法制備高強(qiáng)度XPE材料更加適合制備部分微孔材料，該工藝制備的高強(qiáng)度XPE材料泡孔尺寸微小、結(jié)構(gòu)均勻規(guī)則、材料比模量等力學(xué)性能極為優(yōu)越。

2.2 無壓工藝

無壓工藝主要為簡(jiǎn)化部分有壓工藝生產(chǎn)高強(qiáng)度XPE材料工藝及步驟，進(jìn)而降低化工企業(yè)生產(chǎn)同類型材料進(jìn)行的人物力資源投入所開發(fā)的制備工藝[10]。無壓工藝制備高強(qiáng)度XPE材料時(shí)，無需對(duì)混合物材料進(jìn)行加壓，常壓下即可完成。無壓工藝制備高強(qiáng)度XPE材料主要有發(fā)泡爐工藝、滾塑工藝以及輻射工藝等。

2.2.1 發(fā)泡爐工藝

利用發(fā)泡爐工藝制備高強(qiáng)度XPE材料主要可分為3個(gè)階段“預(yù)熱→交聯(lián)→發(fā)泡”：①將混合料攪拌均勻后放置于工業(yè)壓板機(jī)上進(jìn)行模壓成型，根據(jù)不同的產(chǎn)品需求制定不同的尺寸;②將模壓成型的混合料放入工業(yè)發(fā)泡爐中的預(yù)熱段進(jìn)行升溫加熱;③預(yù)熱至一定溫度后工業(yè)發(fā)泡爐將混合料經(jīng)傳送帶傳送至交聯(lián)段進(jìn)行化學(xué)反應(yīng);④反應(yīng)完成后迅速將材料傳送至發(fā)泡段進(jìn)行發(fā)泡后取出并至于冷水中進(jìn)行降溫、終止發(fā)泡。利用發(fā)泡爐工藝進(jìn)行高強(qiáng)度XPE材料制備，能夠獲得發(fā)泡率超過40倍且回彈性能優(yōu)異的高強(qiáng)度XPE材料。

2.2.2 滾塑工藝

滾塑工藝制備高強(qiáng)度XPE材料同時(shí)又被成為回轉(zhuǎn)成型工藝等，主要可分為一步法、多步法等。

一步法進(jìn)行高強(qiáng)度XPE材料制備流程如圖4所示。材料在模具中不斷旋轉(zhuǎn)經(jīng)過加熱、滾塑、冷卻等工藝進(jìn)行定型，得到某一特定外觀、尺寸的高強(qiáng)度XPE材料制件。該種制備工藝多用于滾塑成型制備高流動(dòng)性、高交聯(lián)度、高發(fā)泡率的XPE材料制件，但由于材料細(xì)節(jié)需要精準(zhǔn)的掌控，利用一步法進(jìn)行材料制備通常具有較低的材料成型率。

多步法制備高強(qiáng)度XPE材料，指的是在一步法滾塑工藝基礎(chǔ)上在滾塑模具內(nèi)事先預(yù)裝一內(nèi)含發(fā)泡材料的投入箱，在模具中注入的混合料中將不再含有發(fā)泡材料;發(fā)泡材料在滾塑工藝達(dá)到熔融步驟以后，由感應(yīng)模塊打開發(fā)泡材料投入箱，此時(shí)的發(fā)泡材料將會(huì)在不斷塑化過程中于混合料內(nèi)表面形成一層均勻的發(fā)泡層（即發(fā)泡內(nèi)芯）。利用多步法制備高強(qiáng)度XPE材料能夠彌補(bǔ)一步法發(fā)泡不均勻等缺陷，同時(shí)能夠根據(jù)發(fā)泡材料注入速率等控制XPE材料氣泡均勻度和致密度。

2.2.3 輻射工藝

輻射工藝制備高強(qiáng)度XPE材料，主要通過伽馬射線或者其他能夠引發(fā)PE原材料中的大分子結(jié)構(gòu)產(chǎn)生C-C交聯(lián)鏈的制備方法。該方法制備高強(qiáng)度XPE材料主要可分為五步（圖5）。該工藝初步混合料中并不需要添加交聯(lián)劑，僅將PE原材料與發(fā)泡母粒進(jìn)行混合之后添加進(jìn)雙螺桿擠出機(jī)即可;制備最后步驟利用伽馬射線對(duì)已經(jīng)制備成型的材料進(jìn)行輻照，使材料中的C-C交聯(lián)鏈成型最終即可得到具有不同膨脹率的高強(qiáng)度XPE材料。

3 高強(qiáng)度XPE材料武術(shù)地墊性能影響因素

3.1 熔體流動(dòng)速率

高強(qiáng)度XPE不論采用有壓、無壓進(jìn)行制備，其熔融狀態(tài)均不可缺少。該材料熔融狀態(tài)下的流動(dòng)速率也被成為MER，熔體流動(dòng)速率過高則最終得到的XPE材料武術(shù)地墊能夠獲得更軟的使用觸感，但此時(shí)地墊本身的XPE層撓性膜量以及壓縮復(fù)合值均處于較低狀態(tài)。盡管此時(shí)的武術(shù)地墊XPE層拉伸模量未發(fā)生明顯變化，但材料過軟不利于使用者施展某些武術(shù)動(dòng)作，因而，通常選擇190℃條件下0.05～0.6g/min的熔體流動(dòng)速率制備軟硬度以及拉伸模量適中的武術(shù)地墊XPE層。

3.2 發(fā)泡劑種類

發(fā)泡劑種類是影響高強(qiáng)度XPE材料的另一主要因素。以超臨界氮?dú)鉃榘l(fā)泡劑時(shí)，XPE材料表面張力隨制備工藝中壓力的增大和加熱溫度的提升而下降;反之則提升，因而氮?dú)鉃榘l(fā)泡劑時(shí)應(yīng)格外注重材料加熱溫度與壓力配比，進(jìn)而獲得武術(shù)地墊中較為理想的表面張力材料。

3.3 擠出發(fā)泡工藝

擠出發(fā)泡工藝選擇對(duì)高強(qiáng)度XPE材料工藝參數(shù)影響極大。發(fā)泡劑用量、冷卻方式等能夠直接影響XPE材料氣泡大小、發(fā)泡率以及材料整體結(jié)構(gòu);當(dāng)擠出發(fā)泡工藝最終成型階段溫度較高時(shí)，材料往往無法充分定性，得到的材料發(fā)泡率也并不穩(wěn)定。因而多采用水冷形式進(jìn)行XPE材料最終定型。

4 結(jié)語

綜上所述，XPE材料是一種被廣泛認(rèn)可的環(huán)保泡面產(chǎn)品，具有密度小、質(zhì)輕、安全、美觀等優(yōu)勢(shì)，在汽車防沖擊材料、運(yùn)動(dòng)防護(hù)材料等領(lǐng)域的應(yīng)用極為廣泛。本文針對(duì)高強(qiáng)度XPE材料武術(shù)地墊性能、主要加工材料XPE材料制備工藝以及影響XPE材料性能的主要因素進(jìn)行分析。高強(qiáng)度XPE材料制備的武術(shù)地墊具有高彈性、高模量等力學(xué)優(yōu)勢(shì)，同時(shí)能夠?yàn)槭褂谜咛峁┹^好的支撐和保護(hù)功能。

參考文獻(xiàn)

[1]崔丙剛，宋曉芬.聚乙烯在體育器材領(lǐng)域的應(yīng)用研究進(jìn)展[J].合成樹脂及塑料，2019，36（4）：102-105.

[2]郭鵬，徐耀輝，張師軍，等.聚乙烯發(fā)泡材料研究進(jìn)展[J].石油化工，2015，44（2）：264-266.

[3]北華航天工業(yè)學(xué)院.武術(shù)套路練習(xí)所用的地墊：中國，201220513698.3[P].2012-10-9.

[4]張利玲，杜兆芳.聚氯乙烯復(fù)合地墊的塑化工藝及制備[J].現(xiàn)代紡織技術(shù)，2015（2）：17-19+23.

[5]夏碧華，徐文強(qiáng)，王珂，等.交聯(lián)聚乙烯發(fā)泡材料的研究進(jìn)展[J].中國塑料，2019，33（3）：128-135.

[6]高夢(mèng)蛟，劉偉，趙立偉，等.化學(xué)交聯(lián)聚乙烯醇降失水劑的交聯(lián)度與性能探究[J].化學(xué)研究與應(yīng)用2017，29（7）：986-991.

[7]王偉，劉秀川，龍國榮.發(fā)泡助劑和成核劑對(duì)聚乙烯發(fā)泡材料的影響[J].現(xiàn)代塑料加工應(yīng)用，2016，28（5）：38-40.

[8]郭鵬，徐耀輝，張師軍，等.聚乙烯發(fā)泡材料的研究進(jìn)展[J].石油化工，2015，44（2）：261-266.

[9]陳學(xué)連.功能型滾塑用聚乙烯材料的研究進(jìn)展[J].中國塑料，2015，29（12）：8-13.

[10]張利玲，杜兆芳.聚氯乙烯復(fù)合地墊的塑化工藝及制備[J].現(xiàn)代紡織技術(shù)，2015（2）：17-23.