室內運動地板是為適用于籃球、排球、室內足球、手球、乒乓球、羽毛球、健身房等運動場所的健身、訓練和賽事需求而專門設計生產的鋪地材料, 因而在產品質量上會格外注重對運動員的安全防護和運動效率的輔助提升。相應的, 該類產品的檢測判據包括震動吸收、球體回彈、摩擦系數、滾動負載及抗沖擊性能等檢測指標均應達到較高的標準要求。在上述這些檢測項中, 震動吸收是其*重要的安全性能判據之一, 即良好的緩沖和彈性可以有效降低運動員受到沖擊傷害的幾率。

長期以來, 實木運動地板一直被用于室內運動場館的鋪設。而近10多年來, PVC運動地板正在以低廉的生產成本、便捷的安裝維護及更良好的緩沖和彈性恢復功能而獲得了市場的認可并逐步成為該行業未來發展的主流趨勢。針對PVC運動地板, 科研人員目前正從原料配方、產品結構設計及發泡工藝等不同角度開展深入研究, 以獲得減震性能更加良好、運動安全性和舒適度更高的產品來進一步取代實木運動地板的市場份額。

從結構設計上看, PVC運動地板為多層疊壓結構, 其中真正能起到減震緩沖作用的部分為軟質彈性發泡層。根據動量定理原理, 軟質彈性發泡層必須首先具有一定厚度, 而較厚的發泡層能通過增加運動員的觸地時間來實現更好的減震緩沖效果。

除厚度因素外, 高質量的發泡層還必須呈現出閉環蜂窩狀且形狀均勻的微觀結構, 即產品具有較高的閉孔率, 密度要盡可能低, 以保證閉孔內有足夠的填充氣體實現緩沖。此外, 發泡后的蜂窩孔壁部分還應具備足夠的韌性以抵抗不斷的強沖擊力, 因為一旦孔壁因韌性不夠而發生斷裂則會造成發泡孔的大規模損傷, 氣泡無法支撐緩沖而導致發泡層彈性系統的崩塌, *終運動地板將徹底失去應有的減震功能, 而這種發泡質量則與原料配方設計和工藝控制因素高度相關。

實踐證明, 相比于實木運動地板的龍骨結構和橡膠減震墊, PVC運動地板軟質彈性發泡層的厚度和所具備的均勻密閉蜂窩狀結構能實現更加良好的緩沖效果, 從而成為了傳統實木運動地板理想的替代產品, 而這從側面也印證了市場對運動鋪地材料減震性能的高度重視。從運動醫學角度上看, 訓練和賽事運動中的力量和速度會對人體形成不小的沖擊, 這種沖擊力一旦超過一定限度就會引起韌帶扭傷、骨折、關節脫臼等急性運動傷害;而對于職業運動員而言, 長期的激烈運動還容易形成關節炎、滑液囊炎及疲勞性骨折等慢性運動傷害。因此, 對于運動地板的安全性要求, 如何盡可能降低沖擊傷害成為市場*關注的焦點。

為進一步規范并提升室內運動地板的減震功能, 各國均在相應的產品標準中對震動吸收參數進行了明確規定。其中, 德國標準《運動大廳、體操、運動和多功能廳第2部分—體育活動用地板要求和試驗》 (標準號:DIN V 18032-2-2001) 明確規定震動吸收率應達53%[3];歐洲標準《運動場地表面、室內多功能運動地板產品及使用規范》 (標準號:EN 14904-2006) 按照類別將達到安全性要求的地板的減震性能分成了約3個等級, 分別適用于不同的運動場合。相應的, 歐洲檢測標準《運動場地表面吸震測試標準》 (標準號:EN 14808-2005) 則詳細規定了該檢測項具體的測試方法[5]。由于上述標準在全球運動地板行業中的權威性很強, 我國在相應的國標中則等同采用了德標和歐標規定的檢測手段, 從而從標準角度體現出了運動地板減震性能的重要性。

PVC運動地板軟質彈性發泡層的生產通常采用的是涂刮工藝, 即以離型紙為載體, 將PVC樹脂糊、增塑劑、發泡劑、穩定劑等助劑原料按配方設計配比攪拌研磨后均勻涂敷在離型紙上并在常壓條件下送入烘箱加熱發泡定型。顯然, 在整個工藝流程中, 軟質PVC發泡質量的優劣與配方設計及溫控設置因素高度相關, 而從成型機理的角度入手研究則十分有助于找出制備優異減震性能的泡沫結構材料的一些關鍵點。

軟質PVC的整個發泡過程通常要經過形成初始氣泡核、氣泡膨脹以及泡體定型3個階段, 即發泡時應首先在整個聚合物熔體中初步形成大量均勻致密的微小氣泡, 然后氣體通過適度的膨脹使得熔體形成閉環且均勻的蜂窩狀結構, *后隨著熔體溫度的下降使得聚合物的粘彈性上升, 泡體失去流動性而固化定型。

從上述整個的發泡反應過程可以看出, 每個階段均有各自的反應機理, 而這些正是主導軟質PVC*終發泡質量的幾大關鍵控制點。其中, 初始氣泡核形成的均勻與否以及氣體能否適度膨脹與配方設計中發泡劑的選擇和改性有很大關聯;熔體的粘彈性是否能夠適應氣體的適度膨脹則與PVC樹脂的改性相關;而在膨脹結束后固化程度的優劣則依賴于反應溫度逐步下降的控制水平。由此可知, 配方設計中發泡劑的選用與改性、PVC樹脂本身的改性以及整個反應過程中對溫度的控制為影響PVC運動地板發泡層質量的主要因素, 進而也影響著*終成品的減震性能。

作為一種表面活性劑, 發泡劑的主要作用是通過釋放氣體產生膨脹效應而使對象物質形成泡孔, 而PVC運動地板的彈性發泡層結構正是通過這種方法實現的。出于成本因素的考慮, 目前在規模化生產中多采用的是偶氮二甲酰胺 (AC) 類發泡劑。實踐表明, 這種發泡劑具有成本低廉、發氣量大、分解物無毒且在PVC聚合物熔體中容易分散等優點, 其應用領域和產耗量也大。

AC發泡劑在正常狀態下的分解溫度高達210℃左右, 不僅遠高于PVC樹脂的熔融溫度, 甚至還高于PVC樹脂的分解溫度。此外, DSC試驗還表明AC在高溫分解時還會瞬時放出大量的熱量和氣體, 其中大量熱量會導致PVC熔體的粘彈性進一步下降, 而快速釋放的氣體則很容易造成初始氣泡核的分布不均勻并導致部分氣泡孔破裂, 使得整個發泡過程中泡體的結構和尺寸根本無法控制, *終造成制品減震性能的大幅降低。因此, 在工程化應用中應對AC發泡劑進行改性, 且重點應關注于如何降低分解溫度、減少熱量并實現氣體的均勻釋放。

由于AC類發泡劑在遇到鉛、鋅等金屬化合物時很容易生成絡合物, 而其分解溫度也會適當降低。在生產實踐中, 通常添加一定量硬脂酸鋇、硬脂酸鉛類穩定劑可有效降低AC的分解溫度。有試驗表明, 以100Phr的PVC樹脂質量為基準, 在整個發泡體系中加入約4Phr AC和6.2Phr的鉛鋅類金屬穩定劑后, AC的分解溫度可降至約150℃, 略高于PVC樹脂的熔融溫度。由于反應的溫度環境得到了極大改善, 熔融樹脂較容易保證合適的粘彈性, 而發泡結構孔壁的韌性也會提升, 進而可改進成品的減震性能。

除溫度這一制約因素外, AC分解時的強放熱現象也會導致熔融樹脂的粘彈性下降, 從而影響發泡結構孔壁的韌性。具體的改性辦法是引入吸熱型發泡劑平衡吸收一部分熱量, 而Na HCO3正是一種有效的吸熱型無機發泡劑。下圖展示了Na H-CO3受熱分解時的DSC曲線。

由DSC試驗可知, Na HCO3從120℃左右開始發生分解, 其吸熱量約847J/g;而未經改性的AC在發生分解反應時的放熱量約412J/g, 其單位放熱量要遠遠小于Na HCO3的吸熱量。因此, 在原料配方設計中只需添加很少量的Na HCO3 (與AC的質量比約為1:5) 便能有效吸收AC分解時放出的多余熱量, 達到工藝控制所需的放熱平衡, 進而保證熔融樹脂合適的粘彈性及發泡孔壁的韌性。

發泡劑在發生分解反應時, 氣體能否均勻釋放對軟質PVC泡沫結構的質量也有相當大的影響。通過觀察AC和Na HCO3的DSC分析曲線可知:AC的放熱峰峰形尖而窄, 表明放熱和氣體分解速度均很快;而Na HCO3的吸熱峰峰形較寬, 表明吸熱和氣體分解速度均較慢。在軟質PVC發泡材料的生產過程中, 為保證工藝控制所需的放熱平衡通常要將這兩種發泡劑搭配使用, 從而帶來了氣體釋放不均勻的問題, 導致無法在PVC聚合物熔體中形成閉環且均勻的蜂窩狀結構, 從而影響了發泡層的減震性能。

為了能使上述兩類發泡劑的分解反應速度相互靠近, 需在原有改性的基礎上分別對AC和Na HCO3發泡劑進行進一步改性, 即在降低AC分解速度的同時提升Na HCO3的分解速度。由于Na HCO3本身屬于弱酸強堿鹽類的物質, 除自身容易發生分解外, 在與酸性物質發生反應時還會加速分解并生成CO2氣體, 因此添加適量弱酸性化合物可加速Na HCO3發泡劑的分解。其中, 檸檬酸可以用于對Na HCO3的改性。與此相反, AC的分解速度則需要適當降低, 因而需要添加適量的延緩型發泡助劑。試驗表明, 在100Phr的PVC樹脂發泡體系中綜合添加約0.6Phr的檸檬酸和1Phr的檸檬酸鈉可有效促使兩類發泡劑分解速度的相互靠近, 進而均勻釋放氣體并改善PVC發泡層的泡孔結構。

為獲得具有良好震動吸收且高回彈性的軟質PVC發泡層材料, 在配方設計中需要添加大量的DOP類增塑劑以降低PVC樹脂糊的粘度并利于發泡。然而, 隨著配方中增塑劑用量的增大, PVC樹脂的玻璃化轉化溫度及熔融粘度均會急劇下降。由于熔體強度低, 因而不足以包裹住氣泡的形成和膨脹, 很容易導致氣泡孔被沖破或合并成大泡, 從而降低了發泡層的質量, 影響產品的減震性能。

可以認為, 高溫環境條件以及僅經過增塑改性的PVC樹脂很難制備出高發泡倍率且減震性能優異的PVC運動地板, 因而需要對PVC樹脂進行進一步改性以提高其加工時的粘彈性并降低發泡層的密度。通常的辦法是對原料進行交聯處理, 即在配方設計中添加適量的交聯劑, 使得PVC樹脂由原來的直鏈型分子結構轉變成網絡狀結構。在生產實踐中, 通常會選用過氧化二異丙苯 (DCP) 或三烯丙基異三聚氰酸酯 (TAIC) 作為軟質PVC的交聯劑。有試驗表明, 以100Phr的PVC樹脂質量為基準并保持發泡劑和穩定劑的添加比例不變, 當在樹脂系統中加入約0.5Phr的DCP后, 發泡體系的交聯速率與氣體分解速率可達到*佳的匹配度, 即發泡層的密度*低 (0.345g/cm3) , 力學性能較好 (拉伸強度約6Mpa) 。而隨著DCP用量的繼續增大, PVC樹脂系統的凝膠率則會隨之上升[7]。由于熔體強度進一步增大, 發泡劑的分解氣體無法實現在熔融樹脂中均勻分散, 氣泡核也不能得到均勻膨脹, *終使得發泡層表觀密度增高, 而減震和回彈性則降低。

(1) 與普通的商用鋪地材料不同, 室內運動地板對其安全防護性能有著更高的要求, 而震動吸收檢測項則是標識運動鋪地材料安全性能的重要判據之一。現代運動醫學理論、經典物理學中的動量定理理論以及與運動地板產品相關的一系列國內外**產品標準等均從不同角度論述了室內運動地板減震性能的重要性。可以認為, 震動吸收要求在運動地板產品中帶有相當強的廣譜性, 即無論何種材質的運動地板, 只有達到相應的減震效果才能算作是質量合格的產品。

(2) 眾多實踐應用表明, PVC運動地板在生產成本、安裝維護及減震緩沖性等方面均有著很強的替代優勢。目前, PVC運動地板已在近兩屆的奧運會場館中獲得了大規模應用, 從而標志著該類產品已逐步得到了市場的認可, 預計未來也將成為運動鋪地材料行業新的發展方向。

(3) 軟質彈性發泡層是PVC運動地板實現良好減震緩沖作用的主要結構部分, 而要獲得高質量的發泡層結構則需對樹脂、發泡劑等原料本身進行改性, 還要考慮配方設計及成型過程中的溫度控制等諸多因素。發泡技術是影響PVC運動地板減震性能的核心要素, 同時也是研究人員進一步提升PVC運動地板產品質量主要的技術攻克方向。