PVC运动地板减震的功能原理及重要性分析

室内运动地板是为适用于篮球、排球、室内足球、手球、乒乓球、羽毛球、健身房等运动场所的健身、训练和赛事需求而专门设计生产的铺地材料, 因而在产品质量上会格外注重对运动员的安全防护和运动效率的辅助提升。相应的, 该类产品的检测判据包括震动吸收、球体回弹、摩擦系数、滚动负载及抗冲击性能等检测指标均应达到较高的标准要求。在上述这些检测项中, 震动吸收是其*重要的安全性能判据之一, 即良好的缓冲和弹性可以有效降低运动员受到冲击伤害的几率。

长期以来, 实木运动地板一直被用于室内运动场馆的铺设。而近10多年来, PVC运动地板正在以低廉的生产成本、便捷的安装维护及更良好的缓冲和弹性恢复功能而获得了市场的认可并逐步成为该行业未来发展的主流趋势。针对PVC运动地板, 科研人员目前正从原料配方、产品结构设计及发泡工艺等不同角度开展深入研究, 以获得减震性能更加良好、运动安全性和舒适度更高的产品来进一步取代实木运动地板的市场份额。

从结构设计上看, PVC运动地板为多层叠压结构, 其中真正能起到减震缓冲作用的部分为软质弹性发泡层。根据动量定理原理, 软质弹性发泡层必须首先具有一定厚度, 而较厚的发泡层能通过增加运动员的触地时间来实现更好的减震缓冲效果。

除厚度因素外, 高质量的发泡层还必须呈现出闭环蜂窝状且形状均匀的微观结构, 即产品具有较高的闭孔率, 密度要尽可能低, 以保证闭孔内有足够的填充气体实现缓冲。此外, 发泡后的蜂窝孔壁部分还应具备足够的韧性以抵抗不断的强冲击力, 因为一旦孔壁因韧性不够而发生断裂则会造成发泡孔的大规模损伤, 气泡无法支撑缓冲而导致发泡层弹性系统的崩塌, *终运动地板将彻底失去应有的减震功能, 而这种发泡质量则与原料配方设计和工艺控制因素高度相关。

实践证明, 相比于实木运动地板的龙骨结构和橡胶减震垫, PVC运动地板软质弹性发泡层的厚度和所具备的均匀密闭蜂窝状结构能实现更加良好的缓冲效果, 从而成为了传统实木运动地板理想的替代产品, 而这从侧面也印证了市场对运动铺地材料减震性能的高度重视。从运动医学角度上看, 训练和赛事运动中的力量和速度会对人体形成不小的冲击, 这种冲击力一旦超过一定限度就会引起韧带扭伤、骨折、关节脱臼等急性运动伤害;而对于职业运动员而言, 长期的激烈运动还容易形成关节炎、滑液囊炎及疲劳性骨折等慢性运动伤害。因此, 对于运动地板的安全性要求, 如何尽可能降低冲击伤害成为市场*关注的焦点。

为进一步规范并提升室内运动地板的减震功能, 各国均在相应的产品标准中对震动吸收参数进行了明确规定。其中, 德国标准《运动大厅、体操、运动和多功能厅第2部分—体育活动用地板要求和试验》 (标准号:DIN V 18032-2-2001) 明确规定震动吸收率应达53%[3];欧洲标准《运动场地表面、室内多功能运动地板产品及使用规范》 (标准号:EN 14904-2006) 按照类别将达到安全性要求的地板的减震性能分成了约3个等级, 分别适用于不同的运动场合。相应的, 欧洲检测标准《运动场地表面吸震测试标准》 (标准号:EN 14808-2005) 则详细规定了该检测项具体的测试方法[5]。由于上述标准在全球运动地板行业中的权威性很强, 我国在相应的国标中则等同采用了德标和欧标规定的检测手段, 从而从标准角度体现出了运动地板减震性能的重要性。

PVC运动地板软质弹性发泡层的生产通常采用的是涂刮工艺, 即以离型纸为载体, 将PVC树脂糊、增塑剂、发泡剂、稳定剂等助剂原料按配方设计配比搅拌研磨后均匀涂敷在离型纸上并在常压条件下送入烘箱加热发泡定型。显然, 在整个工艺流程中, 软质PVC发泡质量的优劣与配方设计及温控设置因素高度相关, 而从成型机理的角度入手研究则十分有助于找出制备优异减震性能的泡沫结构材料的一些关键点。

软质PVC的整个发泡过程通常要经过形成初始气泡核、气泡膨胀以及泡体定型3个阶段, 即发泡时应首先在整个聚合物熔体中初步形成大量均匀致密的微小气泡, 然后气体通过适度的膨胀使得熔体形成闭环且均匀的蜂窝状结构, *后随着熔体温度的下降使得聚合物的粘弹性上升, 泡体失去流动性而固化定型。

从上述整个的发泡反应过程可以看出, 每个阶段均有各自的反应机理, 而这些正是主导软质PVC*终发泡质量的几大关键控制点。其中, 初始气泡核形成的均匀与否以及气体能否适度膨胀与配方设计中发泡剂的选择和改性有很大关联;熔体的粘弹性是否能够适应气体的适度膨胀则与PVC树脂的改性相关;而在膨胀结束后固化程度的优劣则依赖于反应温度逐步下降的控制水平。由此可知, 配方设计中发泡剂的选用与改性、PVC树脂本身的改性以及整个反应过程中对温度的控制为影响PVC运动地板发泡层质量的主要因素, 进而也影响着*终成品的减震性能。

作为一种表面活性剂, 发泡剂的主要作用是通过释放气体产生膨胀效应而使对象物质形成泡孔, 而PVC运动地板的弹性发泡层结构正是通过这种方法实现的。出于成本因素的考虑, 目前在规模化生产中多采用的是偶氮二甲酰胺 (AC) 类发泡剂。实践表明, 这种发泡剂具有成本低廉、发气量大、分解物无毒且在PVC聚合物熔体中容易分散等优点, 其应用领域和产耗量也大。

AC发泡剂在正常状态下的分解温度高达210℃左右, 不仅远高于PVC树脂的熔融温度, 甚至还高于PVC树脂的分解温度。此外, DSC试验还表明AC在高温分解时还会瞬时放出大量的热量和气体, 其中大量热量会导致PVC熔体的粘弹性进一步下降, 而快速释放的气体则很容易造成初始气泡核的分布不均匀并导致部分气泡孔破裂, 使得整个发泡过程中泡体的结构和尺寸根本无法控制, *终造成制品减震性能的大幅降低。因此, 在工程化应用中应对AC发泡剂进行改性, 且重点应关注于如何降低分解温度、减少热量并实现气体的均匀释放。

由于AC类发泡剂在遇到铅、锌等金属化合物时很容易生成络合物, 而其分解温度也会适当降低。在生产实践中, 通常添加一定量硬脂酸钡、硬脂酸铅类稳定剂可有效降低AC的分解温度。有试验表明, 以100Phr的PVC树脂质量为基准, 在整个发泡体系中加入约4Phr AC和6.2Phr的铅锌类金属稳定剂后, AC的分解温度可降至约150℃, 略高于PVC树脂的熔融温度。由于反应的温度环境得到了极大改善, 熔融树脂较容易保证合适的粘弹性, 而发泡结构孔壁的韧性也会提升, 进而可改进成品的减震性能。

除温度这一制约因素外, AC分解时的强放热现象也会导致熔融树脂的粘弹性下降, 从而影响发泡结构孔壁的韧性。具体的改性办法是引入吸热型发泡剂平衡吸收一部分热量, 而Na HCO3正是一种有效的吸热型无机发泡剂。下图展示了Na H-CO3受热分解时的DSC曲线。

由DSC试验可知, Na HCO3从120℃左右开始发生分解, 其吸热量约847J/g;而未经改性的AC在发生分解反应时的放热量约412J/g, 其单位放热量要远远小于Na HCO3的吸热量。因此, 在原料配方设计中只需添加很少量的Na HCO3 (与AC的质量比约为1:5) 便能有效吸收AC分解时放出的多余热量, 达到工艺控制所需的放热平衡, 进而保证熔融树脂合适的粘弹性及发泡孔壁的韧性。

发泡剂在发生分解反应时, 气体能否均匀释放对软质PVC泡沫结构的质量也有相当大的影响。通过观察AC和Na HCO3的DSC分析曲线可知:AC的放热峰峰形尖而窄, 表明放热和气体分解速度均很快;而Na HCO3的吸热峰峰形较宽, 表明吸热和气体分解速度均较慢。在软质PVC发泡材料的生产过程中, 为保证工艺控制所需的放热平衡通常要将这两种发泡剂搭配使用, 从而带来了气体释放不均匀的问题, 导致无法在PVC聚合物熔体中形成闭环且均匀的蜂窝状结构, 从而影响了发泡层的减震性能。

为了能使上述两类发泡剂的分解反应速度相互靠近, 需在原有改性的基础上分别对AC和Na HCO3发泡剂进行进一步改性, 即在降低AC分解速度的同时提升Na HCO3的分解速度。由于Na HCO3本身属于弱酸强碱盐类的物质, 除自身容易发生分解外, 在与酸性物质发生反应时还会加速分解并生成CO2气体, 因此添加适量弱酸性化合物可加速Na HCO3发泡剂的分解。其中, 柠檬酸可以用于对Na HCO3的改性。与此相反, AC的分解速度则需要适当降低, 因而需要添加适量的延缓型发泡助剂。试验表明, 在100Phr的PVC树脂发泡体系中综合添加约0.6Phr的柠檬酸和1Phr的柠檬酸钠可有效促使两类发泡剂分解速度的相互靠近, 进而均匀释放气体并改善PVC发泡层的泡孔结构。

为获得具有良好震动吸收且高回弹性的软质PVC发泡层材料, 在配方设计中需要添加大量的DOP类增塑剂以降低PVC树脂糊的粘度并利于发泡。然而, 随着配方中增塑剂用量的增大, PVC树脂的玻璃化转化温度及熔融粘度均会急剧下降。由于熔体强度低, 因而不足以包裹住气泡的形成和膨胀, 很容易导致气泡孔被冲破或合并成大泡, 从而降低了发泡层的质量, 影响产品的减震性能。

可以认为, 高温环境条件以及仅经过增塑改性的PVC树脂很难制备出高发泡倍率且减震性能优异的PVC运动地板, 因而需要对PVC树脂进行进一步改性以提高其加工时的粘弹性并降低发泡层的密度。通常的办法是对原料进行交联处理, 即在配方设计中添加适量的交联剂, 使得PVC树脂由原来的直链型分子结构转变成网络状结构。在生产实践中, 通常会选用过氧化二异丙苯 (DCP) 或三烯丙基异三聚氰酸酯 (TAIC) 作为软质PVC的交联剂。有试验表明, 以100Phr的PVC树脂质量为基准并保持发泡剂和稳定剂的添加比例不变, 当在树脂系统中加入约0.5Phr的DCP后, 发泡体系的交联速率与气体分解速率可达到*佳的匹配度, 即发泡层的密度*低 (0.345g/cm3) , 力学性能较好 (拉伸强度约6Mpa) 。而随着DCP用量的继续增大, PVC树脂系统的凝胶率则会随之上升[7]。由于熔体强度进一步增大, 发泡剂的分解气体无法实现在熔融树脂中均匀分散, 气泡核也不能得到均匀膨胀, *终使得发泡层表观密度增高, 而减震和回弹性则降低。

(1) 与普通的商用铺地材料不同, 室内运动地板对其安全防护性能有着更高的要求, 而震动吸收检测项则是标识运动铺地材料安全性能的重要判据之一。现代运动医学理论、经典物理学中的动量定理理论以及与运动地板产品相关的一系列国内外**产品标准等均从不同角度论述了室内运动地板减震性能的重要性。可以认为, 震动吸收要求在运动地板产品中带有相当强的广谱性, 即无论何种材质的运动地板, 只有达到相应的减震效果才能算作是质量合格的产品。

(2) 众多实践应用表明, PVC运动地板在生产成本、安装维护及减震缓冲性等方面均有着很强的替代优势。目前, PVC运动地板已在近两届的奥运会场馆中获得了大规模应用, 从而标志着该类产品已逐步得到了市场的认可, 预计未来也将成为运动铺地材料行业新的发展方向。

(3) 软质弹性发泡层是PVC运动地板实现良好减震缓冲作用的主要结构部分, 而要获得高质量的发泡层结构则需对树脂、发泡剂等原料本身进行改性, 还要考虑配方设计及成型过程中的温度控制等诸多因素。发泡技术是影响PVC运动地板减震性能的核心要素, 同时也是研究人员进一步提升PVC运动地板产品质量主要的技术攻克方向。