環(huán)保低成本型高分子復(fù)合材料 人造草坪足球場(chǎng)地開發(fā)與實(shí)現(xiàn)

薛飛

摘 要：人造草坪足球場(chǎng)地是以非生命的高分子復(fù)合材料為原料，利用現(xiàn)代工業(yè)設(shè)計(jì)原則和人工鋪設(shè)方法制作的擬草坪足球場(chǎng)地。文章通過分析傳統(tǒng)人造草坪足球場(chǎng)地常用制備原材料，對(duì)其中不環(huán)?；虺杀据^高的部位進(jìn)行重新規(guī)劃與設(shè)計(jì)，開發(fā)出一種對(duì)環(huán)境友好、生產(chǎn)成本更為低廉的高分子復(fù)合材料人造草坪足球場(chǎng)地。該場(chǎng)地主要包括PE草絲層、PP底部層等部分，通過丁苯背膠層與基面實(shí)現(xiàn)固定，均為環(huán)保、可循環(huán)利用材料，避免了傳統(tǒng)人工草坪中對(duì)不可回收利用材料的使用所造成的浪費(fèi)與環(huán)境污染。

關(guān)鍵詞：人造草坪;PE;PP;丁苯;聚氨酯

中圖分類號(hào)：TB33;TS952 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1001-5922（2021）08-0072-04

Development and Realization of an Environmentally Friendly Low-cost Polymer Composite Artificial Turf Football Field

Xue Fei

（Sports Department of Shaanxi University of Chinese Medicine， Xianyang 712046， China）

Abstract：The artificial turf football field is made of non-living polymer composite materials， using modern industrial design principles and artificial laying methods. The paper analyzes the commonly used raw materials for traditional artificial turf football pitches， re-plans and designs the parts that are not environmentally friendly or has a higher cost， and develops a polymer composite artificial turf football pitch that is environmentally friendly and has a lower production cost. The site mainly includes PE grass silk layer， PP bottom layer and other parts， which are fixed by the styrene-butadiene adhesive layer and the base surface. They are all environmentally friendly and recyclable materials， avoiding waste and environmental pollution caused by the use of non-recyclable materials in traditional artificial lawns.

Key words：artificial turf; PE; PP; styrene-butadiene; polyurethane

0 引言

與純天然植物生命草坪足球場(chǎng)地相比，利用現(xiàn)代塑料化纖或其他材料制備的人工草坪具有顯著的優(yōu)點(diǎn)，如：可全天候使用，受外界自然環(huán)境及氣候變化影響較小;維護(hù)簡(jiǎn)單，長期養(yǎng)護(hù)方便且成本低廉;材質(zhì)環(huán)保，通?？苫厥绽玫萚1-3]。因此，人工草坪除部分職業(yè)足球競(jìng)技聯(lián)賽不考慮使用外，在其他如業(yè)余聯(lián)賽、學(xué)校或?qū)ν忾_放體育場(chǎng)館中的應(yīng)用程度越來越深。然而，傳統(tǒng)人工草坪的缺點(diǎn)同樣較為顯著，如采用化學(xué)纖維材料制備的草絲層環(huán)保性能較差，長期使用容易對(duì)運(yùn)動(dòng)員身體健康造成不可逆損傷;以瀝青或混凝土為基層的底部層緩沖性能較差，無法為運(yùn)動(dòng)員提供足夠的安全防護(hù);高溫條件下場(chǎng)地表面溫度變化較大，部分地區(qū)人造草坪在夏季時(shí)的最高環(huán)境溫度甚至可高達(dá)50℃以上等。因此，隨著現(xiàn)代材料科技的飛速發(fā)展，使用環(huán)保性能優(yōu)良、成本低廉的高分子復(fù)合材料代替?zhèn)鹘y(tǒng)的人工草坪用料，成為現(xiàn)代足球領(lǐng)域與材料領(lǐng)域融合發(fā)展的重要研究領(lǐng)域之一。

1 傳統(tǒng)人造草坪足球場(chǎng)地結(jié)構(gòu)與性能缺陷

1.1 結(jié)構(gòu)分析

圖1所示為一典型傳統(tǒng)人造草坪足球場(chǎng)地結(jié)構(gòu)及對(duì)應(yīng)各部分用料情況[4]。傳統(tǒng)的人造草坪通常由3層不同材料構(gòu)成。基礎(chǔ)層為素土層、碎石及有粉級(jí)配層、混凝土層（或?yàn)r青層）組成，該層為人造草坪提供最基礎(chǔ)的穩(wěn)固作用;緩沖層通常由橡膠減震墊或泡沫塑料材料構(gòu)成，為足球運(yùn)動(dòng)中的使用者提供機(jī)械緩沖;最上層為草皮層，主要由聚乙烯、橡膠、尼龍等材料支撐，草絲的形狀通常有絨毛型、擬草型、葉狀等。

1.2 性能缺陷

1.2.1 對(duì)人體危害

人造草坪足球場(chǎng)地中的草絲層多為聚乙烯（PE）和聚丙烯（PP）材料混合制備而成，此外也有使用聚氯乙烯、聚酰胺等材料進(jìn)行制備，這些高分子復(fù)合材料本身并沒有任何對(duì)環(huán)境或人體污染成分[5]。但部分廠家為了使人造草坪的顏色、質(zhì)感、性能達(dá)到純植物生命草坪的水平，而向制備材料中添加大量的如固化劑、增塑劑等成分;人造草坪與地基固定所使用的粘膠等，會(huì)對(duì)人體、自然環(huán)境等產(chǎn)生二次污染（如表1所示）。

除上述主要污染物外，傳統(tǒng)人造草坪足球場(chǎng)地的橡膠顆粒填充物中也存在人體污染危害。最常見的合成橡膠主要由C15H30×2或SBCs組成，其中通常需要添加硫化劑、填料等，這些填料在足球運(yùn)動(dòng)不斷的踢、劃、鏟等動(dòng)作下極易揮發(fā)通過空氣傳播進(jìn)入人體，會(huì)對(duì)人體尤其嬰幼兒產(chǎn)生嚴(yán)重的健康威脅。

1.2.2 對(duì)足球競(jìng)技影響

傳統(tǒng)的人造草坪以瀝青或混凝土為基層，通常在較長時(shí)間的使用后會(huì)出現(xiàn)硬度逐漸變大等變化趨勢(shì)，此時(shí)人造草坪的緩沖能力僅能靠一層橡膠層提供，緩沖性能將一直處于下滑狀態(tài)，在足球運(yùn)動(dòng)員使用過程中極其容易導(dǎo)致運(yùn)動(dòng)員腳踝或膝關(guān)節(jié)手上。此外，草絲的高度也是影響運(yùn)動(dòng)員競(jìng)技的重要因素。通常情況下較為職業(yè)化的足球競(jìng)技環(huán)境，需要草絲的高度保持在25～32mm，些專業(yè)運(yùn)動(dòng)場(chǎng)的人造草坪高度通常選擇在50～55mm，這個(gè)高度通常也被認(rèn)為是理想人造草坪的上限[6]。但是由于人造草坪高度越高，相應(yīng)的成本也更加高昂，因此其造價(jià)也會(huì)在一定程度上影響球場(chǎng)整體水平，草絲高度較低會(huì)在一定程度上增加運(yùn)動(dòng)員受傷概率。

2 環(huán)保低成本型人造草坪足球場(chǎng)地設(shè)計(jì)

2.1 整體設(shè)計(jì)

圖2所示為本次為研發(fā)環(huán)保低成本型高分子復(fù)合材料人造草坪足球場(chǎng)地所設(shè)計(jì)的局部結(jié)構(gòu)圖。圖中的人造草坪共包含填充層、彈性墊、無紡布、PP底布、人造草絲等部分。具體加工制備時(shí)，通過加熱人造草絲使其處于熱熔狀態(tài)后使其同時(shí)粘結(jié)于PP底布和無紡布上，在鋪設(shè)時(shí)實(shí)現(xiàn)填充的填充層以SBS等熱塑性彈性體為基體，加入填充料再配合各種抗老化劑等成分，開發(fā)出對(duì)人體、環(huán)境無負(fù)面影響的填充料。

2.2 各部分性能優(yōu)勢(shì)

2.2.1 草絲層

天然草坪足球場(chǎng)地除具備良好的緩沖性能外，還能夠利用天然草類具備的光合作用及其形成光電效應(yīng)，為自然環(huán)境提供氧氣，同時(shí)還能夠使空氣產(chǎn)生電離具備了較強(qiáng)的環(huán)保性能和空氣凈化能力。人造草坪通常無法具備這一特性，傳統(tǒng)的人造草絲層也僅能做到不產(chǎn)生對(duì)環(huán)境、人體的有害物質(zhì)。文章利用聚乙烯樹脂、負(fù)離子粉、相容劑等原材料制備了一種能夠向外界釋放負(fù)離子的人造草坪草絲層，并對(duì)負(fù)離子粉影響人造草絲層草絲纖維的力學(xué)性能規(guī)律進(jìn)行總結(jié)[7]。表2所示為制備具有負(fù)離子功能人造草絲纖維的原材料及生產(chǎn)廠家。

首先將所需原材料按照一定質(zhì)量配比加入BST-SHR高速混合機(jī)中進(jìn)行充分?jǐn)嚢?，?jīng)熱熔、擠出后形成拉絲狀原料;將成型后的拉絲原料經(jīng)過熱拉伸箱、熱處理箱進(jìn)行充分熱處理，最終得到拉深比例為1：3、回縮率為95%的負(fù)離子功能型人造草絲纖維料。

表3所示為負(fù)離子型人造草絲纖維料力學(xué)性能與負(fù)離子粉添加量之間的關(guān)系。由實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可知，隨著負(fù)離子型人造草絲纖維料中負(fù)離子添加量的提升，草絲纖維的單絲拉斷力呈先增強(qiáng)后減弱的變化趨勢(shì)，在負(fù)離子添加量為20%時(shí)達(dá)到最大值34.6N;草絲纖維的單絲伸長率則呈現(xiàn)出逐漸削弱趨勢(shì)，在負(fù)離子添加量為10%時(shí)位最大值31.6%;單絲收縮率同樣呈逐漸下降趨勢(shì)并在負(fù)離子添加量為10%時(shí)位最大值4.4%?？梢?，負(fù)離子型人造草絲纖維料力學(xué)性能隨負(fù)離子粉質(zhì)量占比的提升以及聚乙烯樹脂含量的下降呈現(xiàn)出一定的變化。

表4所示為不同類型草絲纖維靜態(tài)條件下負(fù)離子釋放量隨負(fù)離子粉添加量的變化情況。由實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可知，隨著負(fù)離子粉添加量的提升，人造草絲單位時(shí)間負(fù)離子釋放量呈逐漸上升趨勢(shì)，三組負(fù)離子草絲纖維在負(fù)離子粉質(zhì)量占比為30%時(shí)達(dá)到最大值2214.4、6223.8以及11410.8ions;40000ions種類的負(fù)離子粉增幅最大。

表5所示為草絲在動(dòng)態(tài)條件下的負(fù)離子釋放量主要受摩擦頻率以及摩擦?xí)r間的影響。由表中數(shù)據(jù)可知，隨著外界摩擦頻率的提升，草絲纖維單位時(shí)間釋放的負(fù)離子含量逐漸提升，且增速逐漸加快;而隨著摩擦?xí)r間的延長，草絲纖維單位時(shí)間釋放的負(fù)離子含量處于先提升后逐漸下降變化態(tài)勢(shì)，并于摩擦?xí)r間達(dá)到7分鐘時(shí)到達(dá)最高值5804.7個(gè)/cm3。

綜合分析，文章最終選擇負(fù)離子粉含量為10%，交聯(lián)劑用量為0.03%，相容劑含量為0.14%，聚乙烯樹脂含量為89.83%的配比方案制備環(huán)保低成本型高分子復(fù)合材料人造草坪絲。

2.2.2 彈性地墊

人造草坪正式投入使用以后，會(huì)在運(yùn)動(dòng)員高度激烈的對(duì)抗、踢、鏟等動(dòng)作下不斷流失填充顆粒、石英砂或橡膠等材料，一旦填充層流失量過大，能夠?yàn)檫\(yùn)動(dòng)員提供緩沖功能的部位則將會(huì)高度集中在彈性地墊層[8]。因此，彈性地墊的性能如化學(xué)性能、抗老化性能、彈性等至關(guān)重要。文章選擇EPP（即聚丙烯泡沫材料）作為本次設(shè)計(jì)使用的主要彈性地墊加工材料。該材料是由低密度聚乙烯樹脂在熔融狀態(tài)下加入交聯(lián)劑和發(fā)泡劑經(jīng)過連續(xù)發(fā)泡而成，與傳統(tǒng)的PE、非PE以及EPE材料相比，EPP具有抗拉強(qiáng)度更高、泡孔更細(xì)、耐用性更強(qiáng)、抗光照、抗物理撞擊等優(yōu)勢(shì)（如表6所示）。

利用該材料制備的彈性地墊能夠在運(yùn)動(dòng)員進(jìn)行熱身訓(xùn)練或其他練習(xí)時(shí)提供緩慢的彈性勢(shì)能釋放，進(jìn)而營造優(yōu)異、舒適的運(yùn)動(dòng)感受全面降低足球運(yùn)動(dòng)員訓(xùn)練時(shí)的身體負(fù)擔(dān)，降低運(yùn)動(dòng)風(fēng)向;當(dāng)場(chǎng)地進(jìn)行實(shí)際足球競(jìng)技時(shí)，運(yùn)動(dòng)員處于極速奔跑狀態(tài)對(duì)場(chǎng)地產(chǎn)生機(jī)械撞擊如鏟球或摔倒時(shí)，彈性地墊能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)機(jī)械撞擊的快速撞擊，迅速提供大量彈性勢(shì)能，降低運(yùn)動(dòng)員受傷風(fēng)險(xiǎn)。同時(shí)該材料能夠100%回收，大幅降低了草坪的維修、生產(chǎn)成本，提高了環(huán)保性能。

2.2.3 填充層

傳統(tǒng)的人造草坪多以廢舊輪胎回收制備成直徑≤3mm的橡膠顆粒為主要填充層[9-10]。該類型橡膠顆粒通常含有烷烴、芳香烴碳?xì)浠衔锘蚨喹h(huán)芳烴物質(zhì)，對(duì)人體危害極大。為此，文章所設(shè)計(jì)的人造草坪足球場(chǎng)地的填充層使用了新型環(huán)保型的熱塑性橡膠填充顆粒，該環(huán)保顆?？朔撕谏珡U舊輪胎顆粒含PAHs、致癌、有刺激性氣味、吸熱量高、難以回收利用、色彩單一、且與草坪系統(tǒng)相容性差等缺陷，更符合環(huán)保和可持續(xù)發(fā)展的要求。

與目前人造草坪所廣泛采用的黑色廢舊輪胎填充顆粒相比，該作品具有不含致癌性的稠環(huán)芳烴PAHs、環(huán)保、耐磨、高彈、柔軟、抗老化、色彩豐富、熱塑性可回收等明顯的技術(shù)特點(diǎn)和優(yōu)勢(shì)，且其使用方法跟現(xiàn)有的填充顆粒完全相同，在替代現(xiàn)有黑色廢舊輪胎顆粒方面展現(xiàn)了廣闊的市場(chǎng)前景。以目前已經(jīng)禁止使用廢舊輪胎顆粒的歐洲為例，每年有大約2500個(gè)足球場(chǎng)合計(jì)約2000萬m2的人造草坪需要新建或改造，一個(gè)足球場(chǎng)大約需要80t填充顆粒，年需求顆粒約20萬t，市場(chǎng)價(jià)值約5～10億元，即使有5%的新建草坪采用本環(huán)保型填充顆粒，僅歐洲市場(chǎng)，市場(chǎng)價(jià)值就達(dá)到了約5000萬元/年，全球至少在1億元/年以上，可實(shí)現(xiàn)利稅約2000萬元/年，且隨著環(huán)保要求的日益提高，其市場(chǎng)份額會(huì)逐漸增加，產(chǎn)業(yè)化前景非常可觀。

3 結(jié)語

綜上所述，文章系統(tǒng)性開發(fā)了一種環(huán)保低成本型高分子復(fù)合材料人造草坪足球場(chǎng)地。該人造草坪與傳統(tǒng)人造草坪之間的差異主要集中在草絲層、彈性地墊以及填充層，其中草絲層具有一般人工草絲不具備的生成負(fù)離子的特性，具有高度環(huán)保性能;彈性地墊采用了聚丙烯泡沫材料，其物理性能優(yōu)勢(shì)更為突出且具有更好的抗老化性能，長期使用不會(huì)發(fā)生破損或減震性能缺失問題，同時(shí)該材料為100%回收材料，自身環(huán)保性能和經(jīng)濟(jì)性更佳;填充層利用新型環(huán)保型的熱塑性橡膠填充顆粒替代廢舊輪胎顆粒，兼具高度的環(huán)保性和低成本性。

參考文獻(xiàn)

[1]高煒斌，王自瑛，薛敘明.低溫固化人造草坪用背膠的性能研究[J].中國膠粘劑，2016，25（12）：14-17.

[2]趙紫昱，馬丕波.人造草坪的發(fā)展現(xiàn)狀[J].紡織科技進(jìn)展，2019（4）：8-11.

[3]陳燕，袁爽，馮志新，等.聚烯烴人造草坪絲耐候性能的研究[J].合成材料老化與應(yīng)用，2018，47（6）：10-12+93.

[4]劉波.纖維增強(qiáng)樹脂復(fù)合材料在運(yùn)動(dòng)器材中的應(yīng)用[J].塑料科技，2017，45（12）：66-69.

[5]張冰.聚氨酯在體育防護(hù)用品中的應(yīng)用研究[J].粘接，2019（10）：35-37.

[6]楊小兵，龍國榮，李秀平.負(fù)離子功能人造草絲纖維的研究[J].化工新型材料，2015，43（2）：136-137+163.

[7]季麗，趙春貴，陳金貴.一種超耐磨型人造草坪：205711623[P].2016-03-09.

[8]江俊，李怡俊，楊雙橋.固相剪切碾磨加工回收利用廢棄人工草坪[J].塑料，2020，49（6）：74-78+147.

[9]王小妮.高分子材料動(dòng)態(tài)力學(xué)性能對(duì)體育器械的影響研究[J].合成材料老化與應(yīng)用，2020，49（5）：120-122.