陳盼盼

摘 要：傳統(tǒng)的武術教育教學工作多在硬質地面上開展，武術運動中的跳、躍、摔等動作，較容易對練習者產生沖擊進而引發(fā)運動損傷。文章以當前運動墊加工制備領域應用較為廣泛的高強度XPE材料為例，對以該類型材料加工制備而成的武術地墊性能優(yōu)勢進行分析，總結了該類型武術地墊所應用材料的主要制備工藝，對影響武術地墊性能的主要因素進行總結，旨在為傳統(tǒng)武術體育發(fā)展提供一種可借鑒的運動輔助、防護器材應用思路，進而更好地開展武術教育、教學工作。

關鍵詞：交聯聚乙烯發(fā)泡材料;武術地墊;緩沖性能

中圖分類號：TL344 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：1001-5922（2021）07-0046-04

Study on Properties and Influencing Factors of High Strength XPE Martial Arts Mat

Chen Panpan

（Xi an Medical University， Xi an 710021， China）

Abstract：The traditional wushu education and teaching work is carried out on the hard ground. The jumps， eaping， falls and other movements in wushu are easy to iMPact the practitioners and then cause sports injuries. This article takes the high-strength XPE material that is widely used in the field of sports mat processing and preparation as an example， with this type of material preparation and processing of martial arts mat performance advantage analysis， summarizes the types of martial arts mat the main preparation technology of material application， the main factors of affecting the martial arts mat performance summarized， it aims to provide a reference to the application of sports aids and protective equipment for the development of traditional martial arts sports， so as to better carry out martial arts education and teaching.

Key words：crosslinked polyethylene foaming material; martial arts mat; Tcushioning performance

0 引言

作為我國傳統(tǒng)增強體質、培養(yǎng)意志、訓練格斗技能的民族形式體育運動，武術在我國各階段教育工作中的重要性越來越高。然而，隨著武術教育教學工作的開展，部分高校缺乏專有的配套武術器材、武術設備等問題逐漸凸顯。其中，缺乏專有的武術用地墊，成為影響高校順利開展武術教育、保障練習者身體健康、提高武術教育效率的重大阻礙。XPE材料通常又被稱為交聯聚乙烯發(fā)泡材料[1-2]。作為聚乙烯材料的主要衍生品之一，高強度交聯聚乙烯發(fā)泡材料是一種將聚乙烯與各種不同填料進行混合，再一定的環(huán)境下通過化學交聯劑、發(fā)泡劑進行處理，最終獲得的具有極其廣泛用途的復合材料。本文根據我國北華航天工業(yè)學院研發(fā)的專利號為ZL 201220513698.3的武術套路練習所用的地墊[3]，對該地墊中使用的交聯聚乙烯發(fā)泡材料性能及影響該材料的主要因素進行分析，旨在為武術運動領域體育設備、器材的發(fā)展以及更好地開展高校武術教育提供借鑒。

1 高強度XPE材料武術地墊

1.1 結構分析

圖1所示為本次研究所使用的武術套路練習專用地墊結構圖。該地墊主要由5層結構組成，其中最上層以及最下層為以EPDM（三元乙丙）材料和增強聚氨酯無紡布組成的防水層，其厚度約10～15㎜;第2層、第4層為高強度交聯聚乙烯發(fā)泡材料，為武術地墊提供充分的緩沖、減震、防護功能，其厚度約20～25㎜;最中間為特殊的傳感器層，能夠為練習者提供武術練習過程中的各類型數據。

1.2 性能分析

1.2.1 化學交聯聚乙烯發(fā)泡材料

化學交聯聚乙烯發(fā)泡材料XPE自身具備的性能優(yōu)勢主要有：XPE材料的環(huán)保性主要體現在材料中含有的主要氣體為性能穩(wěn)定、無害的氮氣，即便揮發(fā)溢出也不會對人體或大氣產生負面影響;XPE材料內部組織在發(fā)泡劑的作用下形成一個個閉合的孔結構，常溫下的導熱系數為0.03～0.04kcal/m.h.℃[5-7];XPE材料的防潮性則體現在材料既是隔熱層同時又能作為防潮結構，本身不具有吸水性，即時武術地墊表面的防水材料三元乙丙和增強聚氨酯無紡布出現破損，地墊本身的隔熱、防潮性能也不會受到影響;由于化學交聯聚乙烯發(fā)泡材料具有極為廣泛的材料族群，能夠根據用戶不同的需求制備厚度、彈性等不同的發(fā)泡材料武術地墊;其余性能優(yōu)勢詳如圖2所示。

1.2.2 其他材料

（1）三元乙丙：三元乙丙橡膠是由乙烯、丙烯經溶液共聚合而成的一種飽和的高聚物，材料自身具有耐老化性能優(yōu)良、耐天候性好、電絕緣性能優(yōu)異、耐化學腐蝕性好、沖擊彈性較好等優(yōu)點[8]。乙丙橡膠最主要缺點在于材料自身的硫化速度慢，同時該材料與其它不飽和橡膠并用難，自粘和互粘性都很差，故加工性能不好。因此，該材料盡可用于高強度XPE材料武術地墊的最外層。

（2）增強聚氨酯無紡布：增強聚氨酯無紡布具有耐磨、耐曲折、耐低溫、耐油、耐酸、防霉、可回收降解等特性;在質感和性能上優(yōu)于傳統(tǒng)pe無紡布;常用厚度約0.012～0.1mm，幅寬100～2500mm可調，由于薄膜本身沒有孔隙，防水效果很好。

2 高強度XPE材料制備工藝

2.1 有壓工藝

有壓工藝是指在高強度XPE材料制備加工環(huán)節(jié)主要的化學交聯和發(fā)泡工藝中，采用有壓力環(huán)節(jié)進行，從而獲得最終的發(fā)泡材料的加工工藝。有壓工藝進行高強度XPE材料制備主要可分為模壓法、擠出法兩種[9]。

2.1.1 模壓法

模壓法是利用模具在加熱、加壓環(huán)境下開展高強度XPE材料制備的工藝種類。模壓法主要工藝可分為“一步法”“兩步法”等，工藝參數對比情況如表1所示。

一步法更加適合制造低發(fā)泡倍率的產品，發(fā)泡之后的XPE材料本身發(fā)泡倍率通常在30倍左右;而二步法則更加適合制造中、高倍發(fā)泡倍率的高強度XPE材料，發(fā)泡倍率一般超過40倍。

2.1.2 擠出法

擠出法是在材料制備過程中，首先在加工設備中將含有PE原材料、交聯劑、發(fā)泡劑等的混合物進行充分混合以后擠出，在擠出機等設備的高溫作業(yè)環(huán)境下使混合物中的交聯劑發(fā)生反應，引發(fā)PE原材料出現交聯效應，當PE原材料經過充分的交聯并由擠出機擠出到常壓環(huán)境后，由發(fā)泡劑產生作用后形成的混合料氣泡在氣壓作用下逐漸增大、膨脹，最終形成不同工藝參數的高強度XPE材料。利用擠出法進行高強度XPE材料制備的主要工藝如圖3所示。

利用擠出法制備高強度XPE材料又可分為1，2-二氯四氟乙烷法、化學發(fā)泡劑法等，各加工方法主要加工工藝參數如表2所示。

除表2所列擠出法制備高強度XPE材料加工方法外，利用超臨界CO2法制備高強度XPE材料逐漸成為當前化工領域制備相關材料的重要方法之一。該方法以線性低密度PE原材料為基體，以硫化劑DCP為交聯劑，以PULVISTALCI為成核劑，以EPS為誘導劑，經混合后注入圖3所示擠出機，在擠出機螺桿與冷卻定型機頭之間的上側注入超臨界CO2氣體，使混合物在冷卻之前與CO2產生充分、均勻的溶解與混合，使加熱、加壓狀態(tài)下的XPE材料內部形成不穩(wěn)定的過飽和狀態(tài)，最終冷卻成型。超臨界CO2法制備高強度XPE材料更加適合制備部分微孔材料，該工藝制備的高強度XPE材料泡孔尺寸微小、結構均勻規(guī)則、材料比模量等力學性能極為優(yōu)越。

2.2 無壓工藝

無壓工藝主要為簡化部分有壓工藝生產高強度XPE材料工藝及步驟，進而降低化工企業(yè)生產同類型材料進行的人物力資源投入所開發(fā)的制備工藝[10]。無壓工藝制備高強度XPE材料時，無需對混合物材料進行加壓，常壓下即可完成。無壓工藝制備高強度XPE材料主要有發(fā)泡爐工藝、滾塑工藝以及輻射工藝等。

2.2.1 發(fā)泡爐工藝

利用發(fā)泡爐工藝制備高強度XPE材料主要可分為3個階段“預熱→交聯→發(fā)泡”：①將混合料攪拌均勻后放置于工業(yè)壓板機上進行模壓成型，根據不同的產品需求制定不同的尺寸;②將模壓成型的混合料放入工業(yè)發(fā)泡爐中的預熱段進行升溫加熱;③預熱至一定溫度后工業(yè)發(fā)泡爐將混合料經傳送帶傳送至交聯段進行化學反應;④反應完成后迅速將材料傳送至發(fā)泡段進行發(fā)泡后取出并至于冷水中進行降溫、終止發(fā)泡。利用發(fā)泡爐工藝進行高強度XPE材料制備，能夠獲得發(fā)泡率超過40倍且回彈性能優(yōu)異的高強度XPE材料。

2.2.2 滾塑工藝

滾塑工藝制備高強度XPE材料同時又被成為回轉成型工藝等，主要可分為一步法、多步法等。

一步法進行高強度XPE材料制備流程如圖4所示。材料在模具中不斷旋轉經過加熱、滾塑、冷卻等工藝進行定型，得到某一特定外觀、尺寸的高強度XPE材料制件。該種制備工藝多用于滾塑成型制備高流動性、高交聯度、高發(fā)泡率的XPE材料制件，但由于材料細節(jié)需要精準的掌控，利用一步法進行材料制備通常具有較低的材料成型率。

多步法制備高強度XPE材料，指的是在一步法滾塑工藝基礎上在滾塑模具內事先預裝一內含發(fā)泡材料的投入箱，在模具中注入的混合料中將不再含有發(fā)泡材料;發(fā)泡材料在滾塑工藝達到熔融步驟以后，由感應模塊打開發(fā)泡材料投入箱，此時的發(fā)泡材料將會在不斷塑化過程中于混合料內表面形成一層均勻的發(fā)泡層（即發(fā)泡內芯）。利用多步法制備高強度XPE材料能夠彌補一步法發(fā)泡不均勻等缺陷，同時能夠根據發(fā)泡材料注入速率等控制XPE材料氣泡均勻度和致密度。

2.2.3 輻射工藝

輻射工藝制備高強度XPE材料，主要通過伽馬射線或者其他能夠引發(fā)PE原材料中的大分子結構產生C-C交聯鏈的制備方法。該方法制備高強度XPE材料主要可分為五步（圖5）。該工藝初步混合料中并不需要添加交聯劑，僅將PE原材料與發(fā)泡母粒進行混合之后添加進雙螺桿擠出機即可;制備最后步驟利用伽馬射線對已經制備成型的材料進行輻照，使材料中的C-C交聯鏈成型最終即可得到具有不同膨脹率的高強度XPE材料。

3 高強度XPE材料武術地墊性能影響因素

3.1 熔體流動速率

高強度XPE不論采用有壓、無壓進行制備，其熔融狀態(tài)均不可缺少。該材料熔融狀態(tài)下的流動速率也被成為MER，熔體流動速率過高則最終得到的XPE材料武術地墊能夠獲得更軟的使用觸感，但此時地墊本身的XPE層撓性膜量以及壓縮復合值均處于較低狀態(tài)。盡管此時的武術地墊XPE層拉伸模量未發(fā)生明顯變化，但材料過軟不利于使用者施展某些武術動作，因而，通常選擇190℃條件下0.05～0.6g/min的熔體流動速率制備軟硬度以及拉伸模量適中的武術地墊XPE層。

3.2 發(fā)泡劑種類

發(fā)泡劑種類是影響高強度XPE材料的另一主要因素。以超臨界氮氣為發(fā)泡劑時，XPE材料表面張力隨制備工藝中壓力的增大和加熱溫度的提升而下降;反之則提升，因而氮氣為發(fā)泡劑時應格外注重材料加熱溫度與壓力配比，進而獲得武術地墊中較為理想的表面張力材料。

3.3 擠出發(fā)泡工藝

擠出發(fā)泡工藝選擇對高強度XPE材料工藝參數影響極大。發(fā)泡劑用量、冷卻方式等能夠直接影響XPE材料氣泡大小、發(fā)泡率以及材料整體結構;當擠出發(fā)泡工藝最終成型階段溫度較高時，材料往往無法充分定性，得到的材料發(fā)泡率也并不穩(wěn)定。因而多采用水冷形式進行XPE材料最終定型。

4 結語

綜上所述，XPE材料是一種被廣泛認可的環(huán)保泡面產品，具有密度小、質輕、安全、美觀等優(yōu)勢，在汽車防沖擊材料、運動防護材料等領域的應用極為廣泛。本文針對高強度XPE材料武術地墊性能、主要加工材料XPE材料制備工藝以及影響XPE材料性能的主要因素進行分析。高強度XPE材料制備的武術地墊具有高彈性、高模量等力學優(yōu)勢，同時能夠為使用者提供較好的支撐和保護功能。

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