環保低成本型高分子復合材料 人造草坪足球場地開發與實現

薛飛

摘 要：人造草坪足球場地是以非生命的高分子復合材料為原料，利用現代工業設計原則和人工鋪設方法制作的擬草坪足球場地。文章通過分析傳統人造草坪足球場地常用制備原材料，對其中不環保或成本較高的部位進行重新規劃與設計，開發出一種對環境友好、生產成本更為低廉的高分子復合材料人造草坪足球場地。該場地主要包括PE草絲層、PP底部層等部分，通過丁苯背膠層與基面實現固定，均為環保、可循環利用材料，避免了傳統人工草坪中對不可回收利用材料的使用所造成的浪費與環境污染。

關鍵詞：人造草坪;PE;PP;丁苯;聚氨酯

中圖分類號：TB33;TS952 文獻標識碼：A 文章編號：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地相比，利用現代塑料化纖或其他材料制備的人工草坪具有顯著的優點，如：可全天候使用，受外界自然環境及氣候變化影響較小;維護簡單，長期養護方便且成本低廉;材質環保，通常可回收利用等[1-3]。因此，人工草坪除部分職業足球競技聯賽不考慮使用外，在其他如業余聯賽、學校或對外開放體育場館中的應用程度越來越深。然而，傳統人工草坪的缺點同樣較為顯著，如采用化學纖維材料制備的草絲層環保性能較差，長期使用容易對運動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，無法為運動員提供足夠的安全防護;高溫條件下場地表面溫度變化較大，部分地區人造草坪在夏季時的最高環境溫度甚至可高達50℃以上等。因此，隨著現代材料科技的飛速發展，使用環保性能優良、成本低廉的高分子復合材料代替傳統的人工草坪用料，成為現代足球領域與材料領域融合發展的重要研究領域之一。

1 傳統人造草坪足球場地結構與性能缺陷

1.1 結構分析

圖1所示為一典型傳統人造草坪足球場地結構及對應各部分用料情況[4]。傳統的人造草坪通常由3層不同材料構成。基礎層為素土層、碎石及有粉級配層、混凝土層（或瀝青層）組成，該層為人造草坪提供最基礎的穩固作用;緩沖層通常由橡膠減震墊或泡沫塑料材料構成，為足球運動中的使用者提供機械緩沖;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 對人體危害

人造草坪足球場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、聚酰胺等材料進行制備，這些高分子復合材料本身并沒有任何對環境或人體污染成分[5]。但部分廠家為了使人造草坪的顏色、質感、性能達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，會對人體、自然環境等產生二次污染（如表1所示）。

除上述主要污染物外，傳統人造草坪足球場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，這些填料在足球運動不斷的踢、劃、鏟等動作下極易揮發通過空氣傳播進入人體，會對人體尤其嬰幼兒產生嚴重的健康威脅。

1.2.2 對足球競技影響

傳統的人造草坪以瀝青或混凝土為基層，通常在較長時間的使用后會出現硬度逐漸變大等變化趨勢，此時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，在足球運動員使用過程中極其容易導致運動員腳踝或膝關節手上。此外，草絲的高度也是影響運動員競技的重要因素。通常情況下較為職業化的足球競技環境，需要草絲的高度保持在25～32mm，些專業運動場的人造草坪高度通常選擇在50～55mm，這個高度通常也被認為是理想人造草坪的上限[6]。但是由于人造草坪高度越高，相應的成本也更加高昂，因此其造價也會在一定程度上影響球場整體水平，草絲高度較低會在一定程度上增加運動員受傷概率。

2 環保低成本型人造草坪足球場地設計

2.1 整體設計

圖2所示為本次為研發環保低成本型高分子復合材料人造草坪足球場地所設計的局部結構圖。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，通過加熱人造草絲使其處于熱熔狀態后使其同時粘結于PP底布和無紡布上，在鋪設時實現填充的填充層以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，開發出對人體、環境無負面影響的填充料。

2.2 各部分性能優勢

2.2.1 草絲層

天然草坪足球場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，為自然環境提供氧氣，同時還能夠使空氣產生電離具備了較強的環保性能和空氣凈化能力。人造草坪通常無法具備這一特性，傳統的人造草絲層也僅能做到不產生對環境、人體的有害物質。文章利用聚乙烯樹脂、負離子粉、相容劑等原材料制備了一種能夠向外界釋放負離子的人造草坪草絲層，并對負離子粉影響人造草絲層草絲纖維的力學性能規律進行總結[7]。表2所示為制備具有負離子功能人造草絲纖維的原材料及生產廠家。

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

表3所示為負離子型人造草絲纖維料力學性能與負離子粉添加量之間的關系。由實驗數據可知，隨著負離子型人造草絲纖維料中負離子添加量的提升，草絲纖維的單絲拉斷力呈先增強后減弱的變化趨勢，在負離子添加量為20%時達到最大值34.6N;草絲纖維的單絲伸長率則呈現出逐漸削弱趨勢，在負離子添加量為10%時位最大值31.6%;單絲收縮率同樣呈逐漸下降趨勢并在負離子添加量為10%時位最大值4.4%。可見，負離子型人造草絲纖維料力學性能隨負離子粉質量占比的提升以及聚乙烯樹脂含量的下降呈現出一定的變化。

表4所示為不同類型草絲纖維靜態條件下負離子釋放量隨負離子粉添加量的變化情況。由實驗數據可知，隨著負離子粉添加量的提升，人造草絲單位時間負離子釋放量呈逐漸上升趨勢，三組負離子草絲纖維在負離子粉質量占比為30%時達到最大值2214.4、6223.8以及11410.8ions;40000ions種類的負離子粉增幅最大。

表5所示為草絲在動態條件下的負離子釋放量主要受摩擦頻率以及摩擦時間的影響。由表中數據可知，隨著外界摩擦頻率的提升，草絲纖維單位時間釋放的負離子含量逐漸提升，且增速逐漸加快;而隨著摩擦時間的延長，草絲纖維單位時間釋放的負離子含量處于先提升后逐漸下降變化態勢，并于摩擦時間達到7分鐘時到達最高值5804.7個/cm3。

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

2.2.2 彈性地墊

人造草坪正式投入使用以后，會在運動員高度激烈的對抗、踢、鏟等動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，能夠為運動員提供緩沖功能的部位則將會高度集中在彈性地墊層[8]。因此，彈性地墊的性能如化學性能、抗老化性能、彈性等至關重要。文章選擇EPP（即聚丙烯泡沫材料）作為本次設計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下加入交聯劑和發泡劑經過連續發泡而成，與傳統的PE、非PE以及EPE材料相比，EPP具有抗拉強度更高、泡孔更細、耐用性更強、抗光照、抗物理撞擊等優勢（如表6所示）。

利用該材料制備的彈性地墊能夠在運動員進行熱身訓練或其他練習時提供緩慢的彈性勢能釋放，進而營造優異、舒適的運動感受全面降低足球運動員訓練時的身體負擔，降低運動風向;當場地進行實際足球競技時，運動員處于極速奔跑狀態對場地產生機械撞擊如鏟球或摔倒時，彈性地墊能夠實現對機械撞擊的快速撞擊，迅速提供大量彈性勢能，降低運動員受傷風險。同時該材料能夠100%回收，大幅降低了草坪的維修、生產成本，提高了環保性能。

2.2.3 填充層

傳統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、芳香烴碳氫化合物或多環芳烴物質，對人體危害極大。為此，文章所設計的人造草坪足球場地的填充層使用了新型環保型的熱塑性橡膠填充顆粒，該環保顆粒克服了黑色廢舊輪胎顆粒含PAHs、致癌、有刺激性氣味、吸熱量高、難以回收利用、色彩單一、且與草坪系統相容性差等缺陷，更符合環保和可持續發展的要求。

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芳烴PAHs、環保、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特點和優勢，且其使用方法跟現有的填充顆粒完全相同，在替代現有黑色廢舊輪胎顆粒方面展現了廣闊的市場前景。以目前已經禁止使用廢舊輪胎顆粒的歐洲為例，每年有大約2500個足球場合計約2000萬m2的人造草坪需要新建或改造，一個足球場大約需要80t填充顆粒，年需求顆粒約20萬t，市場價值約5～10億元，即使有5%的新建草坪采用本環保型填充顆粒，僅歐洲市場，市場價值就達到了約5000萬元/年，全球至少在1億元/年以上，可實現利稅約2000萬元/年，且隨著環保要求的日益提高，其市場份額會逐漸增加，產業化前景非常可觀。

3 結語

綜上所述，文章系統性開發了一種環保低成本型高分子復合材料人造草坪足球場地。該人造草坪與傳統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離子的特性，具有高度環保性能;彈性地墊采用了聚丙烯泡沫材料，其物理性能優勢更為突出且具有更好的抗老化性能，長期使用不會發生破損或減震性能缺失問題，同時該材料為100%回收材料，自身環保性能和經濟性更佳;填充層利用新型環保型的熱塑性橡膠填充顆粒替代廢舊輪胎顆粒，兼具高度的環保性和低成本性。

參考文獻

[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.人造草坪的發展現狀[J].紡織科技進展，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].合成材料老化與應用，2018，47（6）：10-12+93.

[4]劉波.纖維增強樹脂復合材料在運動器材中的應用[J].塑料科技，2017，45（12）：66-69.

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

[6]楊小兵，龍國榮，李秀平.負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.高分子材料動態力學性能對體育器械的影響研究[J].合成材料老化與應用，2020，49（5）：120-122.