CN103946452A - 用于人造草皮系统的减震垫 - Google Patents

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Abstract

一种减震垫，包含由热塑性弹性体聚合物、特别是热塑性聚酯弹性体聚合物或热塑性聚氨酯弹性体聚合物制成的挤出的丝的三维缠结垫，其在人造草皮系统中提供了改善的减震和能量恢复性。

Description

用于人造草皮系统的减震垫
本发明涉及用于人造草皮系统的减震垫。本发明还涉及包含所述减震垫的人造草皮系统。
人造草皮或合成草皮是由合成材料如聚乙烯、聚丙烯、聚酰胺等类似物制成的草地样的人造表面。它们常被用于原本或者通常在自然草地上进行的体育活动的场馆。人造草皮还被用于住宅草坪和园林应用。
20世纪60年代早期已经被开发和安装的用于进行体育活动的第一代人造草皮系统具有比天然草地更坚硬的表面，并很快被认为是不友好的运动表面，其容易造成更多的伤害。
21世纪初，使用沙和/或橡胶填充物的人造草皮运动表面被开发出来。这些人造草地表面从远处看常常与天然草地几乎无法区分，一般被认为在其上运动要比第一代人造运动场地安全得多。
许多体育俱乐部已经安装了新的人造草皮系统(最常见的是作为全天候训练能力的部分)，而维持天然草地运动表面的一些俱乐部现在在重新考虑安装人造草皮系统。
足球俱乐部希望减少其运动场地的养护费以及减少因为冰冻的球场而被取消的冬季赛事的数量，所述问题也已经被运动管理机构如UEFA和FIFA重新考虑。
人造草皮系统最常见的类型使用合成的“草茎(grass halm)”，例如由约5厘米长的聚乙烯、聚丙烯或聚酰胺制成，其被润滑并且被植入(tuft)至例如纺织织物或无纺织物或两者的组合的背衬织物中，背衬织物的背面涂布有聚氨酯或乳胶背衬介质来锁定植入的合成草茎在其位置上。植入和涂布的织物然后在植入的合成草茎之间根据客户的说明用沙和/或橡胶颗粒填充，这使合成草茎保持直立并且为进行体育运动如足球运动提供减震性和可变形性。填充层一般为15至30mm厚。大多数被FIFA认可的人造草皮系统的制造者使用了这种技术。
人造草皮系统的第二种类型具有置于植入和涂布的织物下方的聚合物泡沫材料的基部减震层。填充层中橡胶颗粒和沙的层的厚度由于泡沫材料的存在而减少。
人造草皮系统包含至少一种合成草茎、背衬织物、一般地包含锁定植入的合成草茎在其位置上的涂层，以及如果适用还包含填充材料和/或减震层。
足球俱乐部寻求使其运动场地，即完全人造草皮系统，获得FIFA的认证。2001年FIFA创造了人造草皮足球场的统一标准，所谓的FIFA品质概念(FIFA Quality Concept)。自FIFA品质概念在2001年实施后，根据运动员的反馈、医学研究、测试结果和来自行业的信息，又一种现有水平之外的更严格的质量标准被开发，即FIFA推荐二星评分系统。
人造草皮系统的质量由首先进行的测定其组成的实验室测试以及随后的针对耐久性、接合强度、耐气候性、运动员-表面交互作用和球-表面交互作用的测试确定。此外，在表面上滑动时草皮对运动员皮肤的反应是以FIFA推荐二星认证的皮肤磨损和摩擦的形式测算的。
在第二阶段，安装的人造草皮系统被现场测试。专门的场地测试设备根据球以一个角度撞击在表面上时的滚动、垂直回弹和如何行进来测算球在表面上如何反应。人造草皮系统还被测试其对运动员的行动如何反应，包括减震性、表面变形性、防滑性和阻力。
如果人造草皮系统通过了所有的实验室测试和现场测试，其将获得两个FIFA推荐标志之一。FIFA推荐一星认证允许市级和国家级的训练和比赛。FIFA推荐二星认证允许国际级的赛事。符合FIFA推荐标志的质量标准的人造草皮系统将天然草地运动特性的优势与对于运动员高水平的舒适性和安全性的优势进行了结合。
当一块运动场地获得了FIFA推荐二星认证，认证必须按年续展来确保运动场地在延长使用和暴露于环境后保持其高品质。已经证明在延长的时间段期间，例如由于人造草皮系统减震性性能的劣化，很难保持FIFA推荐二星认证。
具有基部泡沫层和具有橡胶颗粒填充层的人造草皮系统已经满足了FIFA推荐二星认证的条件。然而，泡沫层的减震性性能随着时间与大量使用而降低从而有FIFA推荐二星认证在每年的续展测试时被撤销的风险。
具有在植入和涂布的织物下方的用作基部减震层的泡沫层的人造草皮系统相比天然草皮具有相对高水平的能量恢复性(energy restitution)。高水平的能量恢复性对运动员的肌肉有劳累效应，这会增加受伤的风险。
用作在植入和涂布的织物下方的基部减震层的泡沫层具有将液体如水从运动场地排出的有限的能力。
尽管相比天然草地表面已经有优势，运动场地的整体减震性和能量恢复性的性能仍有待改进。
本发明的一个目的是提供一种为人造草皮系统提供了改进的减震性和/或能量恢复性性能的减震垫。本发明的另一个目的是提供(尤其在延长的时间段期间)具有改进的减震性和/或能量恢复性性能的人造草皮系统。
本发明的目的通过包含由热塑性弹性体聚合物制成的挤出的丝(filament)的三维缠结垫的减震垫来实现的。
令人惊讶的是，已经发现所述减震垫的减震性能使人造草皮系统获得FIFA推荐一星认证甚至FIFA推荐二星认证。更令人惊讶的是，已经发现在经受10000加载循环至人造草皮系统的FIFA推荐认证将被撤销的程度的大量使用之后，所述减震垫的减震性能不会恶化。本发明的减震垫因此保证了人造草皮系统在延长的时间段期间保持FIFA推荐认证。
挤出的丝的三维缠结垫的丝优选地在它们的交叉点热结合。
热塑性弹性体聚合物是共聚物，或由同时具备热塑性和弹性体性能的材料组成的聚合物共混物。所述共聚物可以是由硬的和软的链段组成的分段型嵌段共聚物或者可以是ABA型的三嵌段共聚物，例如苯乙烯-丁二烯-苯乙烯(SBS)共聚物。热塑性弹性体聚合物也可以由与弹性体聚合物共混的热塑性聚合物组成，如聚丙烯和EPDM橡胶的共混物。
所述热塑性弹性体聚合物(TPE)可以是任何类型的热塑性弹性体聚合物，例如：如热塑性聚丙烯弹性体聚合物的热塑性聚烯烃弹性体聚合物(TPO)、如在Arnitel和Pibiflex名称下出售的热塑性聚酯弹性体聚合物(TPC)、热塑性苯乙烯弹性体聚合物(TPS)，或者如在Elastollan和Desmopan名称下出售的热塑性聚氨酯弹性体聚合物(TPU)。
当减震垫由热塑性聚酯弹性体聚合物制成时，该减震垫对获得FIFA推荐一星认证的人造草皮系统是尤其有利的。优选地，所述热塑性聚酯弹性体聚合物包含抗水解的稳定剂。
当减震垫由热塑性聚氨酯弹性体聚合物制成时，该减震垫对于获得FIFA推荐一星认证的人造草皮系统和FIFA推荐二星认证的人造草皮系统是尤其有利的，其能在延长的时间段期间保持所述认证。
所述减震垫的热塑性聚氨酯弹性体聚合物可以是以聚酯为基础的热塑性聚氨酯弹性体聚合物或以聚醚为基础的热塑性聚氨酯弹性体聚合物。
包含以聚醚为基础的热塑性聚氨酯弹性体聚合物制成的挤出的丝的三维缠结垫的减震垫的一个优点是减震垫具有高的抗水解性，因此不需要用于改进抗水解性的稳定剂。
所述减震垫当然也有利地被用作其他类型运动场地下的减震垫，例如网球场、曲棍球、橄榄球场、室内运动场例如篮球场或室内足球场或跑道。
本发明的减震垫进一步使得制造能量恢复性水平接近天然草地运动表面能量恢复性水平的人造草皮系统变得可能。
优选地，挤出的丝的三维缠结垫具备高的孔隙体积来提供所需水准的减震性、能量恢复性和/或排水能力。挤出的丝的三维缠结垫的孔隙体积可以是至少50体积％，优选地至少75体积％，更优选地至少85体积％，甚至更优选地至少90体积％，最优选地至少95体积％。缠结的挤出的丝的三维结构是已知的，例如由名称下出售的产品已知，但是这些三维结构是由聚合物材料如聚丙烯(PP)或聚酰胺-6(PA6)制成的，不适合被应用于本发明的减震垫。由聚丙烯制成的缠结的挤出的丝的三维结构太僵硬并且回弹不够而不能用作获得FIFA推荐认证的人造草皮系统的减震垫。由聚酰胺-6制成的缠结的挤出的丝的三维结构的机械性能依赖于环境湿度因而不适合被用作本发明的减震垫。
挤出的丝的三维缠结垫的厚度在2至30mm的范围内。优选地，挤出的丝的三维缠结垫的厚度在5至20mm的范围内，更优选地在10至20mm的范围内，来提供所需水准的减震性和/或能量恢复性。
挤出的丝的三维缠结垫中丝的厚度在0.1至2.5mm的范围内，优选地在0.2至2.0mm的范围内，更优选地在0.3至1.5mm的范围内，甚至更优选地在0.4至1.2mm的范围内，最优选地在0.5至0.8mm的范围内。
本发明减震垫由于其开放的三维结构进一步提供了将液体例如(雨)水从人造草坪运动场排出的高的能力。
所述减震垫可以包括一个或多个附加层。每个附加层可以是对液体渗透或不渗透的膜、如纺织物或无纺织物的纤维材料的层、二维网格或稀松织物(scrim)或挤出的丝的三维缠结垫。
每个附加层可以通过任何已知的方式如通过热结合、机械结合和/或粘合剂结合被物理地连接到减震垫的挤出的丝的三维缠结垫和/或另一个附加层上。或者，每个附加层可以以与挤出的丝的三维缠结垫共面(co-planar)的方式定位，而不被物理地连接到挤出的丝的三维缠结垫。
附加层可以例如提供保护层来防止来自挤出的丝的三维缠结垫的丝损坏人造草皮系统的背衬织物和/或防止来自填充层的沙经背衬织物中的孔洞流入减震垫。
附加层可以例如提供不渗透液体的层来收集和保留液体，例如(雨)水，而不是通过上面放置人造草皮系统的子表面(sub-surface)排出液体。
附加层可以例如为减震垫提供增强的强度和/或尺寸稳定性，这有助于减震垫在人造草皮系统的安装期间更容易的放置。
所述减震垫可以在挤出的丝的三维缠结垫中任选地包含填充颗粒来影响例如人造草皮系统的减震性、能量恢复性和/或可变形性。优选地，所述减震垫在挤出的丝的三维缠结垫中不包括填充颗粒。
减震性已经按照三A标准草案(Standard Draft Triple A)来测定，即用于测定力减小(force reduction)、垂直变形和能量恢复性的测试方法，2010年9月。该三A测试，也被称为高级人造运动员(Advanced Artificial Athlete)测试，是被称为人造运动员(Artificial Athlete)测试的FIFA测试方法04/05-01的改进方法。所述三A测试方法提供了同时测量力减小、垂直变形和能量恢复性的机会，这用FIFA测试方法04/05-01是不可能的。三A测试的减震性结果预期与FIFA测试方法04/05-01的减震性结果应相匹配。
为评价减震性，重量20kg、下部附着有直径70mm弹簧的砝码从55mm的高度坠落到放置在混凝土基础层的人造草皮系统上。记录整个碰撞事件期间砝码的减速度。测定人造草皮系统的最大砝码减速度并与直接坠落在混凝土基础层上的最大砝码减速度比较。该砝码减速度需要的最大的力的减少被称为力减小，并以百分数表示。力减小的百分数越高，表面越软，即，表面更具有减震性。
理想条件下的天然草皮产生在60％和70％之间的力减小值。对于人造草皮系统，对于FIFA推荐一星认证，减震性试验测试中的力减小必须在55％至70％的范围内，而为获得FIFA推荐二星认证，应当在60％至70％的范围内。
然而，具备人造草皮系统FIFA推荐二星认证的人造草皮系统必须进行每年的复检来保持FIFA推荐二星认证。
所述减震垫的减震性能的耐久性是通过将用来测定人造草皮系统的初始减震性的减震垫放置在拉伸测试机器中，以0.7MPa的压力挤压减震垫并释放压力10000连续加载循环。0.7MPa的挤压压力在1秒内施加。达到0.7MPa的挤压压力之后，压力被立即释放。2秒钟后，开始下一个加载循环。随后，按照三A法再次测定人造草皮系统减震垫的减震性。
垂直回弹或能量恢复性表示由(人工)草皮系统返回的能量，并由三A测试的减速度曲线来计算。天然草皮一般具有约20％至25％的能量恢复性。
实施例
热塑性聚氨酯材料(BASF Elastollan1174D11)通过具有100个直径为0.35mm的孔洞的喷丝头挤出。挤出的熔融的丝在旋转辊上用具有15mm高的金字塔形突起的异型表面收集。旋转辊在垂直于辊的旋转方向、即沿所述旋转辊的轴震荡。单个的熔融的丝熔合在一起成为重量为900g/m2且宽为25cm的三维的丝结构。在三维的丝结构的两侧，Colback S90无纺物被热结合到结构。
由此得到的减震垫在具有由直径为0.2至1.0mm的22.5kg/m2沙粒和7.5kg/m2TPE颗粒(Forgrin HT Verde)组成的填充物的位于草地毯之下的系统中被测试。所使用的测试被描述在欧洲工作组WG11(TC217)准备的三A标准草案(2010年9月)中。
所述系统与原始的减震垫和承受在0.7MPa的10000加载循环的减震垫被测定。给出结果如表1所示。
减震垫 力减小(％) 垂直变形(mm) 能量恢复(％)
原始减震垫 65.4 8.4 30.2
10000加载循环后的减震垫 63.9 9.0 32.8

Claims (7)

1.一种由热塑性弹性体聚合物制成的挤出的丝的三维缠结垫。
2.根据权利要求1的挤出的丝的三维缠结垫，其特征在于所述热塑性弹性体聚合物是热塑性聚氨酯弹性体聚合物。
3.根据权利要求2的挤出的丝的三维缠结垫，其特征在于所述热塑性聚氨酯弹性体聚合物是以聚醚为基础的热塑性聚氨酯弹性体聚合物。
4.根据权利要求1的挤出的丝的三维缠结垫，其特征在于所述热塑性弹性体聚合物是热塑性聚酯弹性体聚合物。
5.用于人造草皮系统的减震垫，其包含根据前述权利要求中任意一项的挤出的丝的三维缠结垫。
6.根据权利要求5的减震垫，其特征在于所述减震垫包括一个或多个附加层，每个附加层是膜、如纺织物或无纺织物的纤维材料的层、二维网格或稀松织物或挤出的丝的三维缠结垫。
7.一种人造草皮系统，包括背衬织物以及减震层，所述背衬织物用至少一种类型的合成草茎植入并且被涂布来锁定植入的合成草茎在其位置上，其特征在于所述减震层是根据权利要求5至6中任意一项的减震垫。
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