復合型PVC塑膠跑道研究進展及其防滑耐磨高強度改性結構分析*

趙燕晶

（陜西鐵路工程職業技術學院，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、偶氮化合物等引發劑或在光、熱作用下按自由基聚合反應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、穩定劑等，再經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，利用新型復合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的必然發展方向。

1 復合型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服務。質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律。

1.2 對后蹬動作的影響

與普通材質跑道相比，復合型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生充分的蹬直動作，也能夠獲得足夠的蹬地力量。據文獻資料得知，利用復合型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節的角度，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

運動員在復合型PVC 塑膠跑道上的著地點較一般材質跑道更遠，該差值通常在0.05m 左右，這與PVC 材質能夠為運動員提供更小的著地角有關[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，通過適應與改良競技姿態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場地不平整、黃土裸露等現象。場地使用人員在進行跑跳等動作時，極易因為場地不規范等發生安全事故，嚴重時可威脅到運動員的生命安全[7]。而復合型PVC 材料由于自身質量輕、易鋪設、耐疲勞強度高等特點，具備了一般渣土材料和一般復合材料更高的安全等級，一般而言局部的破壞不會對復合型PVC 塑膠跑道的整體結構產生大的影響。同時，經過改性后的復合型PVC 材料熱穩定性較高，能夠保證戶外運動場地在嚴酷環境下的性能穩定，不會向大氣散發有害性氣體，進而從環保角度提升運動員進行訓練和競技時的安全性。

2 復合型PVC 塑膠跑道改性優化

2.1 離聚物在PVC 塑膠跑道中的應用

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稱[8]。胡濤等[9]在離聚物型自修復高分子材料中的相關研究中表示，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合型PVC 材料共混體系在塑膠跑道和運動場地鋪設中的改性機理，在一般復合型PVC 材料中加入適量的離聚物型成型劑，能夠顯著改善復合型PVC 材料在應用于塑膠跑道鋪設中的力學性能。將離聚物應用于復合型PVC 材料改性，能夠將PVC 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 改性紙塑復配料在PVC 塑膠跑道中的應用

改性紙塑復配料主要指將粉煤灰、廢舊紙塑復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，木質素的存在使復合材料能夠具備強極性、吸水性和極高的表面能。利用改性紙塑復配料對復合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合型PVC 材料的力學性能。張友新等[11]采用硅烷偶聯劑對粉煤灰/ 塑復配料混合物等進行表面活化處理，得到了可以用于復合型PVC 材料改性的塑膠跑道生產加工材料，隨著改性材料用量的增加，復合型PVC 材料的各項力學性能呈現出先上升后降低的趨勢，最佳配比條件下，復合型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 等的優異性能。

3 防滑耐磨高強度改性復合型PVC 塑膠跑道加工技術

3.1 跑道結構

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

圖1 防滑耐磨高強度改性復合型PVC 塑膠跑道結構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，由硅烷偶聯劑KH560 活化粉煤灰為改性劑對復合型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層表面設計中融合了防滑六棱凸臺設計。Ⅰ層厚度為1.2mm～1.3mm。

3.1.2 Ⅱ層

該層為塑膠跑道的加強層，材質主要有高強度樹脂纖維和玻璃纖維絲網等。為了進一步增強復合型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，將兩類型纖維網格布與復合型PVC 材料進行結合后，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定性如抗拉伸強度等，同時穩定場地尺寸、降低使用危險性。Ⅱ層纖維網格布的厚度為0.5mm～0.85mm。

3.1.3 Ⅲ層

該層主要采用高彈性封閉式PVC 材料利用發泡工藝和配方生產所得。實際生產過程中利用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過編織所得。該層為網格狀耐撕裂層，主要通過購買既有材料進行加工。采用PP 編織網格通過擠出、熱熔工藝將Ⅱ層與PP 編制網格層進行結合，形成塑膠跑道的中間抗撕裂層。由于PP 編織網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十萬次的擠壓、折迭而不發生損壞。然而，PP 編織網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，有效延長了產品的適用壽命。PP 編制網格布的厚度為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合型PVC 塑膠跑道具體工藝技術路線分兩步成型，如圖2 所示。

圖2 防滑耐磨高強度改性復合型PVC 塑膠跑道具體工藝技術路線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層聚丙烯編織網格層分別熱熔于該復合型PVC 材料的Ⅲ層上下面，然后將Ⅰ、Ⅴ面經涂敷結合共同形成。

3.3 力學性能

本文針對以上生產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合型PVC 塑膠跑道力學性能測定結果，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均達到了國標要求，部分性能極為優異。說明改性和混溶之后的復合型PVC 材料達到了設計目標，優化了跑道的配方和結構設計。

表1 塑膠跑道力學性能測試結果Table. 1 Test results of mechanical properties of plastic track

5 結語

復合型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，在應用于塑膠跑道開發和生產領域后得到了極為優異表現。文章主要針對復合型PVC 材料應用與塑膠跑道的優勢進行了分析，總結了相關研究成果；對復合型PVC 塑膠跑道改性優化方法相關研究進行了綜述；以某種防滑耐磨高強度改性復合型PVC 塑膠跑道加工技術為例，對復合型PVC 塑膠跑道的結構與性能進行了重點研究。與一般渣土、塑膠跑道相比，利用復合型PVC 材料加工而成的塑膠跑道，在安全性、環保性和力學性能上展示出了顯著優勢。