趙燕晶

（陜西鐵路工程職業(yè)技術(shù)學(xué)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(fā)劑或在光、熱作用下按自由基聚合反應(yīng)機(jī)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(wěn)定劑等，再經(jīng)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(yùn)動(dòng)場(chǎng)地。隨著政府、社會(huì)對(duì)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(xiàn)，利用新型復(fù)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(yùn)動(dòng)場(chǎng)地建設(shè)的必然發(fā)展方向。

1 復(fù)合型PVC 塑膠跑道對(duì)運(yùn)動(dòng)成績的影響

1.1 對(duì)人體重心的影響

復(fù)合型PVC 材料具備較強(qiáng)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(yùn)動(dòng)場(chǎng)地提供針對(duì)性開發(fā)服務(wù)。質(zhì)地較硬的跑道能夠?yàn)檫\(yùn)動(dòng)員提供較短的支撐時(shí)間，該支撐時(shí)間差距通常在0.004s ～0.008s 之間，運(yùn)動(dòng)支撐時(shí)間的縮短能夠使運(yùn)動(dòng)員的身體重心在水平軸的運(yùn)動(dòng)幅度降低，該降低幅度約在0.03 ～0.06m 左右[2]，進(jìn)而一定程度上降低運(yùn)動(dòng)支撐階段所消耗的時(shí)間，改變運(yùn)動(dòng)員支撐階段的運(yùn)動(dòng)規(guī)律。

1.2 對(duì)后蹬動(dòng)作的影響

與普通材質(zhì)跑道相比，復(fù)合型PVC 材料能夠?yàn)檫\(yùn)動(dòng)員提供更大的摩擦力，從而幫助運(yùn)動(dòng)員有效避免蹬地時(shí)的滑動(dòng)。同時(shí)該類型材料能夠獲得遠(yuǎn)高于一般運(yùn)動(dòng)場(chǎng)地的表面平整度，對(duì)于運(yùn)動(dòng)員充分進(jìn)行蹬地動(dòng)作有較強(qiáng)的幫助，運(yùn)動(dòng)員的支撐腿即便不產(chǎn)生充分的蹬直動(dòng)作，也能夠獲得足夠的蹬地力量。據(jù)文獻(xiàn)資料得知，利用復(fù)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(yùn)動(dòng)員支撐腿膝關(guān)節(jié)的角度，與一般跑道相比該差值約在4.2°左右[3]。

1.3 對(duì)前擺動(dòng)作的影響

復(fù)合型PVC 塑膠跑道能夠?yàn)檫\(yùn)動(dòng)員提供更小的軀干前傾角度，與一般運(yùn)動(dòng)場(chǎng)地相比該差值約在2°左右[4]。運(yùn)動(dòng)員的軀干部分不發(fā)生過分傾斜，對(duì)于個(gè)體進(jìn)行髖部前送動(dòng)作有較大幫助，能夠顯著增加運(yùn)動(dòng)員蹬地腿的后伸幅度和擺動(dòng)腿的前擺幅度，從而增大運(yùn)動(dòng)員跑動(dòng)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(yùn)動(dòng)員的補(bǔ)償，同時(shí)較直的軀干還有利于膝蓋部位的高抬動(dòng)作、降低重心起伏，從整體而言加快運(yùn)動(dòng)員跑速。

1.4 對(duì)前、后蹬距離的影響

運(yùn)動(dòng)員在復(fù)合型PVC 塑膠跑道上的著地點(diǎn)較一般材質(zhì)跑道更遠(yuǎn)，該差值通常在0.05m 左右，這與PVC 材質(zhì)能夠?yàn)檫\(yùn)動(dòng)員提供更小的著地角有關(guān)[6]。前蹬距離與后蹬距離直接影響運(yùn)動(dòng)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(yùn)動(dòng)員前后蹬距離和角度的變化能夠顯著影響運(yùn)動(dòng)員競技姿態(tài)，通過適應(yīng)與改良競技姿態(tài)進(jìn)一步提升運(yùn)動(dòng)競技水平。

1.5 對(duì)安全性的影響

一般渣土跑道在長時(shí)間使用過程中會(huì)出現(xiàn)場(chǎng)地不平整、黃土裸露等現(xiàn)象。場(chǎng)地使用人員在進(jìn)行跑跳等動(dòng)作時(shí)，極易因?yàn)閳?chǎng)地不規(guī)范等發(fā)生安全事故，嚴(yán)重時(shí)可威脅到運(yùn)動(dòng)員的生命安全[7]。而復(fù)合型PVC 材料由于自身質(zhì)量輕、易鋪設(shè)、耐疲勞強(qiáng)度高等特點(diǎn)，具備了一般渣土材料和一般復(fù)合材料更高的安全等級(jí)，一般而言局部的破壞不會(huì)對(duì)復(fù)合型PVC 塑膠跑道的整體結(jié)構(gòu)產(chǎn)生大的影響。同時(shí)，經(jīng)過改性后的復(fù)合型PVC 材料熱穩(wěn)定性較高，能夠保證戶外運(yùn)動(dòng)場(chǎng)地在嚴(yán)酷環(huán)境下的性能穩(wěn)定，不會(huì)向大氣散發(fā)有害性氣體，進(jìn)而從環(huán)保角度提升運(yùn)動(dòng)員進(jìn)行訓(xùn)練和競技時(shí)的安全性。

2 復(fù)合型PVC 塑膠跑道改性優(yōu)化

2.1 離聚物在PVC 塑膠跑道中的應(yīng)用

離聚物（Ionomer）是一類C-H 分子鏈中含有少量離子基團(tuán)的聚合物的統(tǒng)稱[8]。胡濤等[9]在離聚物型自修復(fù)高分子材料中的相關(guān)研究中表示，一般的離聚物中離子基團(tuán)的摩爾含量不會(huì)超過15%。張友新等[10]探討了離聚物改性復(fù)合型PVC 材料共混體系在塑膠跑道和運(yùn)動(dòng)場(chǎng)地鋪設(shè)中的改性機(jī)理，在一般復(fù)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(fù)合型PVC 材料在應(yīng)用于塑膠跑道鋪設(shè)中的力學(xué)性能。將離聚物應(yīng)用于復(fù)合型PVC 材料改性，能夠?qū)VC 材料與一般塑膠跑道中的無機(jī)填料進(jìn)行緊密銜接，進(jìn)而大幅增強(qiáng)復(fù)合型PVC材料中無機(jī)填料的分散性和相容性。

2.2 改性紙塑復(fù)配料在PVC 塑膠跑道中的應(yīng)用

改性紙塑復(fù)配料主要指將粉煤灰、廢舊紙塑復(fù)合材料等進(jìn)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(zhì)素的存在使復(fù)合材料能夠具備強(qiáng)極性、吸水性和極高的表面能。利用改性紙塑復(fù)配料對(duì)復(fù)合PVC材料進(jìn)行改性，能夠影響材料中各組分間的相容性進(jìn)而影響復(fù)合型PVC 材料的力學(xué)性能。張友新等[11]采用硅烷偶聯(lián)劑對(duì)粉煤灰/ 塑復(fù)配料混合物等進(jìn)行表面活化處理，得到了可以用于復(fù)合型PVC 材料改性的塑膠跑道生產(chǎn)加工材料，隨著改性材料用量的增加，復(fù)合型PVC 材料的各項(xiàng)力學(xué)性能呈現(xiàn)出先上升后降低的趨勢(shì)，最佳配比條件下，復(fù)合型PVC 塑膠跑道能獲得沖擊吸收47%、垂直形變2.8 ㎜、拉伸強(qiáng)度5.2MPa、斷裂伸長率96%、抗滑值（20℃）107BPN 等的優(yōu)異性能。

3 防滑耐磨高強(qiáng)度改性復(fù)合型PVC 塑膠跑道加工技術(shù)

3.1 跑道結(jié)構(gòu)

張友新等[12]對(duì)一般復(fù)合型PVC 塑膠跑道進(jìn)行改性后，獲得了圖1 所示的包含5 層結(jié)構(gòu)的防滑耐磨高強(qiáng)度改性復(fù)合型PVC 塑膠跑道。

圖1 防滑耐磨高強(qiáng)度改性復(fù)合型PVC 塑膠跑道結(jié)構(gòu)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(shè)計(jì)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(lián)劑KH560 活化粉煤灰為改性劑對(duì)復(fù)合型PVC材料進(jìn)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?yàn)檫\(yùn)動(dòng)員提供更加艱澀的腳感，從而有效避免運(yùn)動(dòng)員的滑倒。同時(shí)，為進(jìn)一步提高面層的防滑耐磨性能，在Ⅰ層表面設(shè)計(jì)中融合了防滑六棱凸臺(tái)設(shè)計(jì)。Ⅰ層厚度為1.2mm～1.3mm。

3.1.2 Ⅱ?qū)?/p>

該層為塑膠跑道的加強(qiáng)層，材質(zhì)主要有高強(qiáng)度樹脂纖維和玻璃纖維絲網(wǎng)等。為了進(jìn)一步增強(qiáng)復(fù)合型PVC 塑膠跑道的整體物理強(qiáng)度，采用高強(qiáng)度樹脂纖維和玻璃纖維網(wǎng)格布作為塑膠跑道的整體加強(qiáng)材料。通過熱熔工藝，將兩類型纖維網(wǎng)格布與復(fù)合型PVC 材料進(jìn)行結(jié)合后，塑膠跑道能夠通過強(qiáng)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(wěn)定性如抗拉伸強(qiáng)度等，同時(shí)穩(wěn)定場(chǎng)地尺寸、降低使用危險(xiǎn)性。Ⅱ?qū)永w維網(wǎng)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(fā)泡工藝和配方生產(chǎn)所得。實(shí)際生產(chǎn)過程中利用JH-205 型膨脹劑和改性劑對(duì)材料進(jìn)行共混改性，所得改性后的復(fù)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(jīng)過編織所得。該層為網(wǎng)格狀耐撕裂層，主要通過購買既有材料進(jìn)行加工。采用PP 編織網(wǎng)格通過擠出、熱熔工藝將Ⅱ?qū)优cPP 編制網(wǎng)格層進(jìn)行結(jié)合，形成塑膠跑道的中間抗撕裂層。由于PP 編織網(wǎng)格材料具有極強(qiáng)的耐彎曲疲勞性和抗撕裂性能，能夠保證塑膠跑道在面對(duì)數(shù)十萬次的擠壓、折迭而不發(fā)生損壞。然而，PP 編織網(wǎng)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(shè)計(jì)時(shí)將該材料作為塑膠跑道的第Ⅳ層進(jìn)行使用，有效延長了產(chǎn)品的適用壽命。PP 編制網(wǎng)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(qiáng)度改性復(fù)合型PVC 塑膠跑道具體工藝技術(shù)路線分兩步成型，如圖2 所示。

圖2 防滑耐磨高強(qiáng)度改性復(fù)合型PVC 塑膠跑道具體工藝技術(shù)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(fù)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(fù)合型PVC 塑膠跑道的增強(qiáng)層；二是將高強(qiáng)度樹脂纖維和玻璃纖維以及第Ⅳ層聚丙烯編織網(wǎng)格層分別熱熔于該復(fù)合型PVC 材料的Ⅲ層上下面，然后將Ⅰ、Ⅴ面經(jīng)涂敷結(jié)合共同形成。

3.3 力學(xué)性能

本文針對(duì)以上生產(chǎn)工藝加工所得各面層材料進(jìn)行性能分析，按照GB 36246-2018 進(jìn)行檢測(cè)得到該防滑耐磨高強(qiáng)度改性復(fù)合型PVC 塑膠跑道力學(xué)性能測(cè)定結(jié)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(qiáng)度以及斷裂伸長率等參數(shù)均達(dá)到了國標(biāo)要求，部分性能極為優(yōu)異。說明改性和混溶之后的復(fù)合型PVC 材料達(dá)到了設(shè)計(jì)目標(biāo)，優(yōu)化了跑道的配方和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。

表1 塑膠跑道力學(xué)性能測(cè)試結(jié)果Table. 1 Test results of mechanical properties of plastic track

5 結(jié)語

復(fù)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(yīng)用于塑膠跑道開發(fā)和生產(chǎn)領(lǐng)域后得到了極為優(yōu)異表現(xiàn)。文章主要針對(duì)復(fù)合型PVC 材料應(yīng)用與塑膠跑道的優(yōu)勢(shì)進(jìn)行了分析，總結(jié)了相關(guān)研究成果；對(duì)復(fù)合型PVC 塑膠跑道改性優(yōu)化方法相關(guān)研究進(jìn)行了綜述；以某種防滑耐磨高強(qiáng)度改性復(fù)合型PVC 塑膠跑道加工技術(shù)為例，對(duì)復(fù)合型PVC 塑膠跑道的結(jié)構(gòu)與性能進(jìn)行了重點(diǎn)研究。與一般渣土、塑膠跑道相比，利用復(fù)合型PVC 材料加工而成的塑膠跑道，在安全性、環(huán)保性和力學(xué)性能上展示出了顯著優(yōu)勢(shì)。