环保低成本型高分子复合材料 人造草坪足球场地开发与实现

薛飞

摘 要：人造草坪足球场地是以非生命的高分子复合材料为原料，利用现代工业设计原则和人工铺设方法制作的拟草坪足球场地。文章通过分析传统人造草坪足球场地常用制备原材料，对其中不环保或成本较高的部位进行重新规划与设计，开发出一种对环境友好、生产成本更为低廉的高分子复合材料人造草坪足球场地。该场地主要包括PE草丝层、PP底部层等部分，通过丁苯背胶层与基面实现固定，均为环保、可循环利用材料，避免了传统人工草坪中对不可回收利用材料的使用所造成的浪费与环境污染。

关键词：人造草坪;PE;PP;丁苯;聚氨酯

中图分类号：TB33;TS952 文献标识码：A 文章编号：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

與纯天然植物生命草坪足球场地相比，利用现代塑料化纤或其他材料制备的人工草坪具有显著的优点，如：可全天候使用，受外界自然环境及气候变化影响较小;维护简单，长期养护方便且成本低廉;材质环保，通常可回收利用等[1-3]。因此，人工草坪除部分职业足球竞技联赛不考虑使用外，在其他如业余联赛、学校或对外开放体育场馆中的应用程度越来越深。然而，传统人工草坪的缺点同样较为显著，如采用化学纤维材料制备的草丝层环保性能较差，长期使用容易对运动员身体健康造成不可逆损伤;以沥青或混凝土为基层的底部层缓冲性能较差，无法为运动员提供足够的安全防护;高温条件下场地表面温度变化较大，部分地区人造草坪在夏季时的最高环境温度甚至可高达50℃以上等。因此，随着现代材料科技的飞速发展，使用环保性能优良、成本低廉的高分子复合材料代替传统的人工草坪用料，成为现代足球领域与材料领域融合发展的重要研究领域之一。

1 传统人造草坪足球场地结构与性能缺陷

1.1 结构分析

图1所示为一典型传统人造草坪足球场地结构及对应各部分用料情况[4]。传统的人造草坪通常由3层不同材料构成。基础层为素土层、碎石及有粉级配层、混凝土层（或沥青层）组成，该层为人造草坪提供最基础的稳固作用;缓冲层通常由橡胶减震垫或泡沫塑料材料构成，为足球运动中的使用者提供机械缓冲;最上层为草皮层，主要由聚乙烯、橡胶、尼龙等材料支撑，草丝的形状通常有绒毛型、拟草型、叶状等。

1.2 性能缺陷

1.2.1 对人体危害

人造草坪足球场地中的草丝层多为聚乙烯（PE）和聚丙烯（PP）材料混合制备而成，此外也有使用聚氯乙烯、聚酰胺等材料进行制备，这些高分子复合材料本身并没有任何对环境或人体污染成分[5]。但部分厂家为了使人造草坪的颜色、质感、性能达到纯植物生命草坪的水平，而向制备材料中添加大量的如固化剂、增塑剂等成分;人造草坪与地基固定所使用的粘胶等，会对人体、自然环境等产生二次污染（如表1所示）。

除上述主要污染物外，传统人造草坪足球场地的橡胶颗粒填充物中也存在人体污染危害。最常见的合成橡胶主要由C15H30×2或SBCs组成，其中通常需要添加硫化剂、填料等，这些填料在足球运动不断的踢、划、铲等动作下极易挥发通过空气传播进入人体，会对人体尤其婴幼儿产生严重的健康威胁。

1.2.2 对足球竞技影响

传统的人造草坪以沥青或混凝土为基层，通常在较长时间的使用后会出现硬度逐渐变大等变化趋势，此时人造草坪的缓冲能力仅能靠一层橡胶层提供，缓冲性能将一直处于下滑状态，在足球运动员使用过程中极其容易导致运动员脚踝或膝关节手上。此外，草丝的高度也是影响运动员竞技的重要因素。通常情况下较为职业化的足球竞技环境，需要草丝的高度保持在25～32mm，些专业运动场的人造草坪高度通常选择在50～55mm，这个高度通常也被认为是理想人造草坪的上限[6]。但是由于人造草坪高度越高，相应的成本也更加高昂，因此其造价也会在一定程度上影响球场整体水平，草丝高度较低会在一定程度上增加运动员受伤概率。

2 环保低成本型人造草坪足球场地设计

2.1 整体设计

图2所示为本次为研发环保低成本型高分子复合材料人造草坪足球场地所设计的局部结构图。图中的人造草坪共包含填充层、弹性垫、无纺布、PP底布、人造草丝等部分。具体加工制备时，通过加热人造草丝使其处于热熔状态后使其同时粘结于PP底布和无纺布上，在铺设时实现填充的填充层以SBS等热塑性弹性体为基体，加入填充料再配合各种抗老化剂等成分，开发出对人体、环境无负面影响的填充料。

2.2 各部分性能优势

2.2.1 草丝层

天然草坪足球场地除具备良好的缓冲性能外，还能够利用天然草类具备的光合作用及其形成光电效应，为自然环境提供氧气，同时还能够使空气产生电离具备了较强的环保性能和空气净化能力。人造草坪通常无法具备这一特性，传统的人造草丝层也仅能做到不产生对环境、人体的有害物质。文章利用聚乙烯树脂、负离子粉、相容剂等原材料制备了一种能够向外界释放负离子的人造草坪草丝层，并对负离子粉影响人造草丝层草丝纤维的力学性能规律进行总结[7]。表2所示为制备具有负离子功能人造草丝纤维的原材料及生产厂家。

首先将所需原材料按照一定质量配比加入BST-SHR高速混合机中进行充分搅拌，经热熔、挤出后形成拉丝状原料;将成型后的拉丝原料经过热拉伸箱、热处理箱进行充分热处理，最终得到拉深比例为1：3、回缩率为95%的负离子功能型人造草丝纤维料。

表3所示为负离子型人造草丝纤维料力学性能与负离子粉添加量之间的关系。由实验数据可知，随着负离子型人造草丝纤维料中负离子添加量的提升，草丝纤维的单丝拉断力呈先增强后减弱的变化趋势，在负离子添加量为20%时达到最大值34.6N;草丝纤维的单丝伸长率则呈现出逐渐削弱趋势，在负离子添加量为10%时位最大值31.6%;单丝收缩率同样呈逐渐下降趋势并在负离子添加量为10%时位最大值4.4%。可见，负离子型人造草丝纤维料力学性能随负离子粉质量占比的提升以及聚乙烯树脂含量的下降呈现出一定的变化。

表4所示为不同类型草丝纤维静态条件下负离子释放量随负离子粉添加量的变化情况。由实验数据可知，随着负离子粉添加量的提升，人造草丝单位时间负离子释放量呈逐渐上升趋势，三组负离子草丝纤维在负离子粉质量占比为30%时达到最大值2214.4、6223.8以及11410.8ions;40000ions种类的负离子粉增幅最大。

表5所示为草丝在动态条件下的负离子释放量主要受摩擦频率以及摩擦时间的影响。由表中数据可知，随着外界摩擦频率的提升，草丝纤维单位时间释放的负离子含量逐渐提升，且增速逐渐加快;而随着摩擦时间的延长，草丝纤维单位时间释放的负离子含量处于先提升后逐渐下降变化态势，并于摩擦时间达到7分钟时到达最高值5804.7个/cm3。

综合分析，文章最终选择负离子粉含量为10%，交联剂用量为0.03%，相容剂含量为0.14%，聚乙烯树脂含量为89.83%的配比方案制备环保低成本型高分子复合材料人造草坪丝。

2.2.2 弹性地垫

人造草坪正式投入使用以后，会在运动员高度激烈的对抗、踢、铲等动作下不断流失填充颗粒、石英砂或橡胶等材料，一旦填充层流失量过大，能够为运动员提供缓冲功能的部位则将会高度集中在弹性地垫层[8]。因此，弹性地垫的性能如化学性能、抗老化性能、弹性等至关重要。文章选择EPP（即聚丙烯泡沫材料）作为本次设计使用的主要弹性地垫加工材料。该材料是由低密度聚乙烯树脂在熔融状态下加入交联剂和发泡剂经过连续发泡而成，与传统的PE、非PE以及EPE材料相比，EPP具有抗拉强度更高、泡孔更细、耐用性更强、抗光照、抗物理撞击等优势（如表6所示）。

利用该材料制备的弹性地垫能够在运动员进行热身训练或其他练习时提供缓慢的弹性势能释放，进而营造优异、舒适的运动感受全面降低足球运动员训练时的身体负担，降低运动风向;当场地进行实际足球竞技时，运动员处于极速奔跑状态对场地产生机械撞击如铲球或摔倒时，弹性地垫能够实现对机械撞击的快速撞击，迅速提供大量弹性势能，降低运动员受伤风险。同时该材料能够100%回收，大幅降低了草坪的维修、生产成本，提高了环保性能。

2.2.3 填充层

传统的人造草坪多以废旧轮胎回收制备成直径≤3mm的橡胶颗粒为主要填充层[9-10]。该类型橡胶颗粒通常含有烷烃、芳香烃碳氢化合物或多环芳烃物质，对人体危害极大。为此，文章所设计的人造草坪足球场地的填充层使用了新型环保型的热塑性橡胶填充颗粒，该环保颗粒克服了黑色废旧轮胎颗粒含PAHs、致癌、有刺激性气味、吸热量高、难以回收利用、色彩单一、且与草坪系统相容性差等缺陷，更符合环保和可持续发展的要求。

与目前人造草坪所广泛采用的黑色废旧轮胎填充颗粒相比，该作品具有不含致癌性的稠环芳烃PAHs、环保、耐磨、高弹、柔软、抗老化、色彩丰富、热塑性可回收等明显的技术特点和优势，且其使用方法跟现有的填充颗粒完全相同，在替代现有黑色废旧轮胎颗粒方面展现了广阔的市场前景。以目前已经禁止使用废旧轮胎颗粒的欧洲为例，每年有大约2500个足球场合计约2000万m2的人造草坪需要新建或改造，一个足球场大约需要80t填充颗粒，年需求颗粒约20万t，市场价值约5～10亿元，即使有5%的新建草坪采用本环保型填充颗粒，仅欧洲市场，市场价值就达到了约5000万元/年，全球至少在1亿元/年以上，可实现利税约2000万元/年，且随着环保要求的日益提高，其市场份额会逐渐增加，产业化前景非常可观。

3 结语

综上所述，文章系统性开发了一种环保低成本型高分子复合材料人造草坪足球场地。该人造草坪与传统人造草坪之间的差异主要集中在草丝层、弹性地垫以及填充层，其中草丝层具有一般人工草丝不具备的生成负离子的特性，具有高度环保性能;弹性地垫采用了聚丙烯泡沫材料，其物理性能优势更为突出且具有更好的抗老化性能，长期使用不会发生破损或减震性能缺失问题，同时该材料为100%回收材料，自身环保性能和经济性更佳;填充层利用新型环保型的热塑性橡胶填充颗粒替代废旧轮胎颗粒，兼具高度的环保性和低成本性。

参考文献

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[3]陈燕，袁爽，冯志新，等.聚烯烃人造草坪丝耐候性能的研究[J].合成材料老化与应用，2018，47（6）：10-12+93.

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