摘 要：健美操在居家運動甚至高校課程中都被廣泛關(guān)注，各項性能均衡的健美操地墊也隨之被關(guān)注，人們生活工作中應(yīng)用材料的環(huán)保性越來越得到重視，新型環(huán)保材料XPE在綠色領(lǐng)域具有很大的發(fā)展前景，因其特殊的泡孔結(jié)構(gòu)和優(yōu)異的吸音性、隔熱性、緩沖性及耐化學(xué)腐蝕性等，被廣泛應(yīng)用于各個設(shè)施行業(yè)等領(lǐng)域，同時PE也是最早實現(xiàn)工業(yè)化批量生產(chǎn)和應(yīng)用的發(fā)泡材料之一。XPE材料是用聚乙烯樹脂加交聯(lián)劑和發(fā)泡劑經(jīng)過高溫連續(xù)發(fā)泡而成，材料的化學(xué)性相對穩(wěn)定，不容易發(fā)生分解，本文就健美操地墊的高強度XPE材料的性能優(yōu)勢及影響因素展開分析。

關(guān)鍵詞：高強度XPE材料；健美操地墊；交聯(lián)聚乙烯發(fā)泡材料；緩沖性能

中圖分類號：TQ328.4 文獻標(biāo)志碼：A 文章編號：1001-5922（2024）10-0013-04

Analysis of the characteristics of the new XPE calisthenicsmat and the influence of the preparation process

CHEN Panpan1，NIU Jianzhuang2

（1. Xi’an Medical College sports Health Research Center，Xi’an 710021，China；2. Xi’an University of Electronic Science and Technology，Xi’an 710068，China）

Abstract：Aerobics has been widely concerned in home sports and even college courses，and the aerobic floor matwith balanced performance has also been concerned. The environmental protection of applied materials in people’slife and work has been paid more and more attention. The new environmental protection material XPE has great de?velopment prospects in the green field，because of its special bubble structure and excellent sound absorption，heatinsulation，cushioning and chemical corrosion resistance，it is widely used in various facilities industries and otherfields，and PE is also one of the earliest industrial mass production and application of foam materials. XPE materialis made of polyethylene resin with crosslinking agent and foaming agent through high temperature continuous foam?ing，the chemical property of the material is relatively stable，not easy to decompose. This paper analyzes the perfor?mance advantages and influencing factors of high strength XPE material for aerobics floor mat.

Key words：high-strength XPE materials；aerobics floor mats；crosslinked polyethylene foam material；cushioning performance

健美操在我國各階段體育教育中越來越被重視，環(huán)保材料被要求在對環(huán)境沒有影響的前提下還要保證人們的身體健康。綠色環(huán)保材料一方面減少了資源的損耗，另一方面也為人們提供了優(yōu)良的環(huán)境，所以被廣泛的應(yīng)用在各個方面。高強度XPE材料又名交聯(lián)聚乙烯發(fā)泡材料[1]，是由發(fā)泡劑以及聚乙烯樹脂的膠劑結(jié)合通過高溫的條件下不斷發(fā)泡生成，其化學(xué)性能穩(wěn)定難以反應(yīng)分解，在使用過程中無味且彈性優(yōu)良。其具有特別的泡孔結(jié)構(gòu)，在吸收雜音、隔絕熱能、耐腐蝕、以及緩沖性能上表現(xiàn)優(yōu)異，具備成型性好、防震防潮、抗撞擊、吸水性好等優(yōu)點，克服了傳統(tǒng)材料的易破碎變形的缺點[2]，故被廣泛應(yīng)用在各種生活材料中。滿足人們循環(huán)節(jié)能環(huán)保的使用要求，也符合綠色發(fā)展新理念。

1 XPE結(jié)構(gòu)強度材料及性能

1. 1結(jié)構(gòu)分析

本文就高強度XPE材料的影響因素以及性能的研究展開討論，目前市場上的健美操地墊分為5層結(jié)構(gòu)。第1層與第5層是相同材質(zhì)的10～15 mm的防水層，是由增強聚氨酯無紡布和三元乙丙構(gòu)成。第2層與第4層材質(zhì)相同，均為20～25 mm的高強度XPE材料，中間為傳感器夾層。同時具有發(fā)泡材料與交聯(lián)材料雙重性能的交聯(lián)聚乙烯發(fā)泡材料跟傳統(tǒng)的材料相比，擁有力學(xué)性能、彈性以及孔結(jié)構(gòu)更均勻的優(yōu)勢。而且其環(huán)保安全。即使焚燒處理后，生成的水與二氧化碳也對環(huán)境影響小，不會造成污染，所以被廣泛應(yīng)用到各個領(lǐng)域，除了體育用品類還有建筑工程、包裝、醫(yī)療交通、農(nóng)業(yè)、大型家電，以及電線電纜等部分。關(guān)于高強度XPE材料在其他領(lǐng)域的拓展也有待開發(fā)。

1. 2性能分析

1. 2. 1 XPE化學(xué)高強度材料性能

（1）環(huán)保性能：由于XPE使用時間長，在批量生產(chǎn)時也不會對環(huán)境造成破壞，所以被大眾公認(rèn)為是無危害材料。不但在使用之后還能反復(fù)回收利用，即使是焚燒廢棄時也不會造成嚴(yán)重大氣污染，屬于環(huán)境危害影響小的材料；

（2）隔熱性能：材料在空氣對流中出現(xiàn)的能量交換會被制備時出現(xiàn)的特殊氣泡結(jié)構(gòu)預(yù)防，隔熱保溫的作用從而可以得到保證。在潮濕的環(huán)境中也能防止結(jié)露現(xiàn)象的產(chǎn)生，對空調(diào)與冰箱等家電也能當(dāng)作保溫材料使用；

（3）吸音性能：在發(fā)泡制備過程中出現(xiàn)腔體共振的多孔結(jié)構(gòu)，能夠使聲音的頻率改變，噪音得到降低的功能，被當(dāng)作隔音減震的材料使用在強噪的環(huán)境里，例如家庭影院、飛機、電動機、汽車、KTV等；

（4）成型性能：高強度XPE材料的密度均勻、耐熱性能強，延展性能好均是由于其在交聯(lián)反應(yīng)下形成了網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，故常被使用在汽車的內(nèi)飾中已經(jīng)鞋產(chǎn)業(yè)的材料中；

（5）緩沖性能：由于材料的半硬度發(fā)泡體的材料，使它本身的性能穩(wěn)定，即使在受到強烈的撞擊后也依然穩(wěn)固，因此它們常常被用在食品緩沖包裝墊、貴重物品的外包裝以及精密電子元器件中。

高強度XPE材料的材料優(yōu)勢：第一、材料中含有穩(wěn)定氣體氮氣，環(huán)保無害無污染。第二、內(nèi)部組織由于發(fā)泡劑反應(yīng)形成常溫導(dǎo)熱系數(shù)為0.034 89～0.046 52 W（/ mkk）

的閉合孔結(jié)構(gòu)[3]。第三、高強度XPE材料的中間隔層在隔熱的同時還能起到防潮的作用，即使第1、5層的防水材料出現(xiàn)破損，隔熱防潮的性能依然不變。第四、高強度XPE材料具有豐富多樣的材料種類，根據(jù)用戶的需求定制專屬厚度、彈性的產(chǎn)品。

1. 2. 2其他材料

（1）三元乙丙：關(guān)于三元乙丙的合成，是屬于丙烯、乙烯在溶液中合成的一種飽和高聚物，具有耐化學(xué)腐蝕、抗老化、優(yōu)異電絕緣性、耐天候性好、抗沖擊彈性好等優(yōu)點[4]。乙丙橡膠跟不飽和橡膠之間存在自粘并用難、相互粘連性能差，所以導(dǎo)致加工性能差。因此材料用于高強度XPE材料健美操地墊的最外層材料；

（2）增強聚氨酯無紡布：該材料具有防霉、耐磨、耐低溫、耐曲折、耐油、可回收降解等特點；較于傳統(tǒng)的PE無紡布的質(zhì)感與性能上都有所提高，常用的厚度在0.012～0.100 mm，幅寬在100～2 500 mm可調(diào)，根據(jù)薄膜沒有孔隙的特質(zhì)[5]，其防水性能優(yōu)良。

2 XPE材料制備方法

高強度XPE材料制備過程是通過發(fā)泡工藝與化學(xué)交聯(lián)，經(jīng)過壓力環(huán)節(jié)后取得最后的發(fā)泡XPE材料。高強度XPE材料通過有壓工藝制備分為擠出法與模壓法這2種[6]。

2. 1模壓法

模壓法是在條件為加大壓力和加高溫度利用模具制備高強度XPE材料的工藝類別[7]。主要的工藝類別分成一步法與兩步法等，其中工藝的對比數(shù)據(jù)如表1。

一步法的工藝往往在制備低倍率發(fā)泡產(chǎn)品中運用更廣泛，XPE材料發(fā)泡倍率通常在本身體積的30倍左右；當(dāng)制造中高倍發(fā)泡倍率的高強度XPE材料時使用二步法更恰當(dāng)，發(fā)泡倍率要40倍以上。

2. 2擠出法

擠出法是在制備材料加工設(shè)備中將PE原材料、發(fā)泡劑、交聯(lián)劑等充分混合攪拌然后擠出，混合物中的交聯(lián)劑在擠出機設(shè)備的高溫運行下反應(yīng)，交聯(lián)效應(yīng)出現(xiàn)在PE原材料被反應(yīng)之后。PE原材料在反應(yīng)中充分交聯(lián)后會被擠出機擠到常壓環(huán)境，發(fā)泡劑反應(yīng)后形成的混合料氣在氣壓環(huán)境下慢慢膨脹擴大，形成不同參數(shù)不同工藝的強度XPE材料?；瘜W(xué)發(fā)泡劑法以及其他的方法例如1，2-二氯四氟乙烷法等擠出法制造高強度XPE材料如表2。

目前研究前沿中發(fā)現(xiàn)通過超臨界二氧化碳法制造高強度XPE材料[8]。具體操作步驟如下：基礎(chǔ)材料為低密度線性PE原材料、交聯(lián)劑是硫化劑DCP、成核劑為PUL?VISTALCI、誘導(dǎo)劑為EPS，以上材料混合加入擠出機。把超臨界CO2氣體加入在冷卻定型機頭跟擠出機螺桿間上側(cè)面，CO2與混合物在冷卻前混合溶解，XPE材料在加熱、加壓狀態(tài)下的物質(zhì)內(nèi)部過飽和狀態(tài)還不太穩(wěn)定，最終會冷卻固定形態(tài)。部分微孔材料可以使用臨界CO2法制作[9]，可以滿足結(jié)構(gòu)規(guī)則均勻、材料比模量以及尺寸微小泡孔的力學(xué)性能極為優(yōu)越的高強度XPE材料。

3 XPE材料制備工藝

3. 1無壓工藝

將有壓工藝部分簡化來生產(chǎn)高強度XPE材料的步驟與工藝為無壓工藝，化工企業(yè)在同種類型材料制備開發(fā)工藝投入的物人力資源會得到降低[10]。在正常壓力下工藝者們就能通過無壓工藝制備高強度XPE材料。3. 2發(fā)泡爐工藝

通過第一步預(yù)熱、第二步交聯(lián)、第三步發(fā)泡，這3個階段制備高強度XPE材料被稱為發(fā)泡爐工藝[11]。具體步驟為：①根據(jù)不同的產(chǎn)品需要定制不一樣的尺寸，通過把混合料均勻攪拌之后放到工業(yè)壓板機上壓力成型；②在工業(yè)發(fā)泡爐中把處理后的混合料預(yù)熱調(diào)溫度加熱；③把混合料放置傳送帶到達預(yù)熱到設(shè)定溫度的工業(yè)發(fā)泡爐中進行交聯(lián)化學(xué)反應(yīng)；④將反應(yīng)完成后的材料通過傳輸帶快速到達發(fā)泡段反應(yīng)，發(fā)泡完成后冷水降溫，停止反應(yīng)；發(fā)泡爐制作的高強度XPE材料可以達到回彈效果優(yōu)秀且發(fā)泡率超過四十倍的高質(zhì)量高強度XPE材料。

3. 3滾塑工藝

制備高強度XPE材料的滾塑工藝還被稱為回轉(zhuǎn)成型工藝。具體分類為多步法以及一步法等。通過一步法制作高強度XPE材料的具體流程如圖1。

通過不斷的旋轉(zhuǎn)同時進行加熱、滾動塑形、冷卻等工藝進行產(chǎn)品定型，定制出尺寸外觀的高強度XPE材料。高發(fā)泡率、高交聯(lián)度以及高流動性的XPE材料多由此種制備工藝滾塑成型制成[12]。但一步法制備出的材料難以掌握精準(zhǔn)的細(xì)節(jié)而造成低效率的材料成型。

把含有發(fā)泡材料的內(nèi)投箱放入滾塑磨具內(nèi)，在一步法滾塑工藝基礎(chǔ)上的延伸就是多步法的制作高強度XPE材料。首先把滾塑工藝中的發(fā)泡材料到達熔融步驟，然后發(fā)泡材料投入箱被感應(yīng)模塊打開，一層均勻的發(fā)泡內(nèi)芯此時也在不斷塑化的過程中形成在混合料的表面[13]，制備高強度XPE材料時出現(xiàn)的發(fā)泡不均勻等缺點也會被多步法彌補，高強度XPE材料的致密度與氣泡均勻度也可以根據(jù)發(fā)泡材料的進入速度決定。

3. 4輻射工藝

輻射工藝主要是PE原材料的大分子結(jié)構(gòu)被伽馬射線或其他因素改變產(chǎn)生了C—C交聯(lián)鏈的制備高強度XPE材料的方法[14]。此方法一共分為5個步驟。初步操作時只需要將混合好的發(fā)泡母粒與PE原材料添入至雙螺桿擠出機，并不需要添加另外的交聯(lián)劑；在最后的制備步驟里只需要將完成制備已經(jīng)定型的材料放到伽馬射線下繼續(xù)照射，不同膨脹率的高強度XPE材料將會由于材料里的C-C交聯(lián)鏈成型隨之生成[15]。

4 XPE材料健美操地墊特性影響

4. 1熔體的流動速率

高強度XPE材料的熔融狀態(tài)是無論在有壓還是無壓狀態(tài)下都不能缺少的。在材料熔融狀態(tài)下的流動速率又名MER。高強度XPE材料健美操地墊的柔軟使用觸感是跟熔體流動速率過高有關(guān)，然而此時的健美操地墊的壓縮復(fù)合值與XPE層撓性膜量都保持在很低的狀態(tài)[16]。綜上所述，熔體流動速率為0.05～0.60 g/min，溫度在190℃下可以制備出拉伸模量與軟硬度都適中的健美操地墊XPE層[17]。

4. 2發(fā)泡劑種類

還有一種主要影響高強度XPE材料的因素就是發(fā)泡劑的種類。當(dāng)發(fā)泡劑為超臨界氮氣時，制備工藝中的加熱溫度與壓力升高會導(dǎo)致XPE材料表面張力下降[18]；條件相反會隨之提升，當(dāng)發(fā)泡劑為氮氣時材料的壓力與加熱溫度的配比應(yīng)該受到關(guān)注，將直接影響具有理想表面張力材料的健美操地墊。

5結(jié)語

在人們的日常生活之中，由于一次性塑料制品的快捷方便使其被廣泛應(yīng)用，而我國環(huán)保問題中的廢棄塑料的回收利用依然有待解決。高強度XPE材料在市面上已經(jīng)被廣泛肯定，此類產(chǎn)品具有質(zhì)量輕、密度小、美觀安全以及環(huán)保等優(yōu)點。也被廣泛的運用在運動防護以及汽車的防沖擊材料之中。本文討論了高強度XPE材料中主要加工材料XPE的制備工藝、性能優(yōu)勢及影響因素研究[19]。發(fā)現(xiàn)高模量、高彈性的高強度XPE材料制備的健美操地墊能夠為每位用戶都提供好的保護與支撐。隨著時代技術(shù)的不斷進步與發(fā)展，高強度XPE材料未來的發(fā)展前景必將更加遼闊。

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