CN116761916A - 具有天然橡胶颗粒的人造草皮填充物 - Google Patents

Abstract

一种用于人造草皮的基于天然橡胶的填充物，该填充物包括生物可降解的颗粒19，其中颗粒包括通过添加一定量填料材料物理改性而非化学改性的天然橡胶，其中颗粒具有0.2mm至5mm的平均尺寸。

Description

具有天然橡胶颗粒的人造草皮填充物

技术领域

本发明涉及一种用于人造草皮系统的填充物，该填充物包括未硫化的天然橡胶。本发明还涉及一种制造用于人造草皮系统的填充物的方法以及一种包括所述填充物的人造草皮系统。

背景技术

人造草皮系统可用于取代天然草地，或作为体育、美学、环境和其他用途的替代绿化，并经过几代人的发展成为目前的形式。总的来说，尽管在某些领域，这些天然对应物已经被超越，但这种系统试图实现与其天然对应物相同的特征，至少在行为的可预测性方面。

典型的草皮系统包括具有上表面的背衬层和设置在纤维之间的软颗粒和/或硬颗粒的填充物层。背衬层可以由机织织物组成，其中人造草纤维被簇绒以提供定向在向上位置的绒头纤维，并通常通过乳胶或聚氨酯的涂层固定到机织织物上。替代地，例如用于机织地毯的背衬纤维和绒头纤维可以通过机织同时生产。这里，绒头纤维和背衬结构的位置具有相当大的自由度。

在许多情况下，草皮系统将包含散布在直立的绒头纤维之间的填充物微粒。这些提供了功能的组合，包括系统的稳定性和运动性能特征。这些性能特征将取决于预期用途，但对于大多数运动来说，将包括：旋转和线性抓地力(linear grip)；冲击衰减；垂直球反弹；以及诸如国际足联和世界橄榄球的相关体育机构规定的旋转摩擦。这种性能可以通过直接在背衬层下面施加冲击垫或导层(e-layer)得到进一步支持。在英国专利申请GB2429171中已经描述了这种类型的一种系统。

目前正在努力开发可用作填充物的新型弹性体颗粒。通过仔细调整组成这种填充物材料的颗粒的性质，可以进一步提高包括所述颗粒的人造草皮的性能特征。此外，开发更可持续的技术的需要也适用于人造草皮技术。鉴于此，需要开发使环境足迹最小化的新型填充物材料。提高填充物材料可持续性的一种有前景的途径是以适合用作性能和/或支撑填充物的方式回收或改进废物流。然而，由于提供用于回收的材料的可变性，这种过程可能难以精确控制。此外，需要完全可回收或可降解的材料，以防止将塑料引入环境中，这可能持续存在并造成污染。造成的污染可能是进入环境的微塑料激增的结果，这对人类和动物健康构成潜在的健康风险。

欧洲化学品管理局(ECHA)将微塑料定义为由含有固体聚合物的颗粒组成的材料，其中可能已经添加了添加剂或其他物质，并且其中≥1％w/w的颗粒具有(i)所有尺寸1nm≤x≤5mm，或(ii)对于纤维，长度为3nm≤x≤15mm，并且长径比为>3。这种微米级的塑料片在被丢弃或倾倒的较大塑料片被机械分解后可能仍留在环境中。微塑料已被证明会沿着食物链向上传播，并有可能导致严重的健康问题，因为它们往往会积聚在人或动物的内脏中。

需要提供一种改进的填充物，该填充物至少缓解了现有填充物材料固有的一些问题。

发明内容

根据本发明，提供了一种用于人造草皮的基于天然橡胶的填充物，包括生物可降解的颗粒，其中所述颗粒包括通过添加一定量的填充材料物理改性而非化学改性的天然橡胶，其中颗粒具有0.2mm至5mm的平均尺寸。

天然未硫化橡胶是一种在自然界中聚合的聚合物。它有时也被称为天然乳胶，并且主要来源于巴西橡胶树(Hevea Brasilens)或橡胶树。自然界中存在的聚合物，只要其化学结构未经修饰，就被认为是自然界中固有生物可降解的。如本文使用的，术语“生物可降解”是指一旦降解，可以自然分解以重新进入生态系统的物质，只留下天然存在的物质。因此，该术语不包括在环境中持续存在并造成污染的石化塑料。本术语和下文提及的其他术语将在欧盟REACH法规(第1907/2006号法规：关于化学品注册、评估、授权和限制)的背景下进行解释。

在常规工艺中，天然橡胶通过添加合适的交联添加剂(如硫)而被硫化或以其他方式交联。所得的橡胶产品通常不被认为是生物可降解的，因为在正常环境条件下分解需要花费长达100年或更长时间。天然橡胶主要是聚异戊二烯，并且在硫化后被认为由于聚异戊二烯分子的相应聚合物链之间存在交联而被化学改性。未硫化的天然橡胶在天然存在的环境条件下可以在几年内相对容易地分解为微生物生物质。该过程可以通过额外的酶和其他微生物的存在以及在特定的温度和光照条件下加速。这使得目前要求保护的填充物特别适合在生物降解能力很重要的情况下使用。

在本上下文中，术语“物理改性而非化学改性”在REACH的上下文中得到理解，并且旨在表示天然橡胶产品既不是硫化的，也不是化学交联的。物理改性可以理解为包括将橡胶与其他材料混合，如下所示。它还包括通过成型、模制、造粒等对橡胶或所得混合物进行物理转化。

如本文中使用的，术语“颗粒”是指指定材料和体积的任何成形的单一元件。颗粒的平均尺寸是指给定颗粒的最大尺寸，平均值是算术平均值。优选地，颗粒的平均尺寸为0.5mm至5mm，并且优选地，没有颗粒具有大于10mm的尺寸。替代地，颗粒可以根据EN 933-1定义的网格尺寸进行定义。在一个实施方式中，按重量计至少90％的颗粒被0.5mm的筛网保留，同时至少90％的颗粒将通过5mm的筛网。

颗粒可以是任何形状，有定义的和未定义的、相似的、不同的或随机的。颗粒形状将取决于制造过程和预期的功能性能。在某些实施方式中，可以选择球形、立方形、圆柱形、菱形或透镜形中的一种或它们的任意组合。EN 14955:2005提供了形状分类的标准，并且在该标准内，颗粒可以在A1、A2、A3、B1、B2、B3、C1、C2&C3的范围内。作为圆度和不规则性之间的平衡，B2的值通常是优选的，提供了抗压实性，同时避免过度滑移。

颗粒在尺寸和/或形状以及在性质上可以单独相同或不同。换言之，填充物可以包括颗粒，所有形成的这些颗粒具有相同的物理性质或者例如由于不同材料的存在而具有不同的性质。因此，填充物可以是不同的生物可降解颗粒的混合物，所有这些颗粒都包括天然橡胶。

在一个实施方式中，颗粒可以进一步包括防粘剂。防粘剂提供抗粘的性质，防止单个颗粒在生产、储存和/或使用期间粘在一起。使用天然材料作为防粘剂进一步确保作为整体的填充物仅包括天然和/或生物可降解材料。防粘剂可以作为涂层或粉尘施加到颗粒的外部，或者替代地，在制造过程中，它可以混合并分散在整个颗粒中。

填料材料用于物理改性天然橡胶性质。根据填料材料与天然橡胶的相对量，可以调整诸如密度、弹性模量、泊松比(poisson ratio)、吸附、摩擦系数等性质。在填充物颗粒的生产期间，填料材料也可以对材料的可加工性具有显著影响。本领域技术人员将很清楚可以使用的不同填料及其对这些性质的影响。在某些情况下，填料也可以起到防粘剂的作用。防粘剂也可以部分地充当填料。

在一个实施方式中，填料材料包括无机天然材料。这些材料是自然界中天然存在但其本身不是生物可降解的材料。实例可包括矿物，例如石英或花岗岩，以及其他材料，例如沙子、白垩、滑石、砖粉(brick dust)、碳和/或木炭。这些材料可以以任何合适尺寸或等级的微粒或粉末形式提供，从尺寸略小于颗粒的夹杂物到纳米级或微米级的细粉末。本领域技术人员将清楚可考虑用于该功能的替代填料材料。为了本发明的目的，再次强调的是，颗粒中这种无机天然材料的存在不会改变作为整体的颗粒被认为是“生物可降解的”事实。

额外地或替代地，填料材料可以包括有机天然材料，例如椰壳纤维、木屑、软木、玉米、椰糠、麻或以粉末、颗粒或纤维形式的植物废料。这些材料的优点是可以通过从各种容易获得的废弃物回收或再生过程而获得。进一步的优点是在这种天然有机材料中不存在微塑料，从而作为整体的填充物可以在不担心微塑料进入环境的情况下使用。椰糠、软木、玉米和其他类似天然材料的其他优点是它们耐老化和耐撕裂，对恶劣天气条件有抵御力，并且足够致密以为填充物提供稳定的重量。此外，这些材料不像聚合填充物那样吸收热量，从而在使用中提供更凉爽的草皮系统。

根据另一个方面，颗粒还可以包括粘结剂，该粘结剂也是天然存在的材料。这可以优选是生物可降解的材料，例如植物淀粉。这再次提供了可从废弃物中获得并且不含微塑料的优点。天然橡胶本身是一种粘结剂，因为它用于粘结填料以形成稳定的颗粒。因此，在本上下文中，提及粘结剂是指除天然橡胶之外的粘结剂。本领域技术人员将熟悉其他可能的粘结剂，它可以包括树胶、油、蛋白质、淀粉、树脂、蜡等。

如上所示，颗粒可包括各种相对量的天然橡胶、填料材料和由所需性质确定的其他任选组分。在一个实施方式中，颗粒包含10至80wt％的填料和10至50wt％的天然橡胶，更优选20wt％至40wt％的天然橡胶。

在某些实施方式中，颗粒可以包括夹杂物，其尺寸在颗粒的10％至90％。在该上下文中，“夹杂物”用于表示与颗粒相比较大的微粒或本体，即小于颗粒但具有相似数量级。夹杂物可以由与填料材料相同的材料形成，并且它们的体积可以与填料材料的体积一起考虑。在一些实施方式中，每个颗粒可以精确地存在一个夹杂物。

特别地，夹杂物可以与颗粒的制造方法有关。它们可以例如通过挤出混合到形成颗粒的前体材料中。混合物可以通过传统的混合方法进行，例如使用螺杆和料斗来输送相应的组分，并且可以在挤出过程之前或期间进行。替代地，每个颗粒可以包括涂覆在夹杂物的一个或多个表面上的天然橡胶层，例如通过浸渍工艺等形成颗粒的核。

如上所述，防粘剂使颗粒具有抗粘性，防止单个颗粒在生产、储存和/或使用期间粘在一起。在优选的情况下，所得颗粒应在需要使用的所有温度下，特别是-10C至80C，都是松散且自由流动的，因为暴露在阳光下时温度升高，户外运动表面很容易达到该温度。然而，可以设想的是，用于室内或覆盖用途的可用填充物如果能够对50C的温度具有抗粘性，则可能具有充分抗粘性。

在该上下文中，抗粘性可定义为包括在低于50C、更优选低于60C、更优选低于70C且最优选低于80C的温度下没有粘性的颗粒。为此目的，粘着性通过在相关温度下在烘箱中将样品在培养皿(约5mm层厚)中加热过夜来评估。随后将样品冷却，并对颗粒进行评估。如果颗粒仍然是松散的颗粒，或者可以通过轻微搅拌释放，则判断样品没有粘性。另一方面，如果颗粒形成饼状，则判断为粘性或没有抗粘性。颗粒保持非粘性的最高温度表示为粘着性温度。

根据本发明的另一个方面，颗粒优选是有弹性的，肖氏A硬度为20至90，或30至70，优选40至60，任选地为约50。本领域技术人员将清楚地知道如何通过添加上述填料材料来实现所需的范围。在该上下文中，需要注意的是，天然橡胶的弹性不同于硫化橡胶的弹性，其中交联的性质可以显著影响橡胶性能。一般来说，没有任何填料材料的天然橡胶将保持液态或粘性，并且无法测量硬度。当加入填料材料时，硬度将增加。理想情况下，颗粒将具有接近用于填充物的现有合成橡胶颗粒的硬度。然而，由于使用未硫化橡胶的限制，需要更大量的填料材料，可以期望更高的硬度值。

在本上下文中，应当理解，弹性是指材料性质，即材料在施加外力时可以变形，并且当力被去除时将自发地恢复到其原始形状。这种行为可以是完全弹性的，这意味着当力被去除时材料迅速恢复到其原始形状，并且材料基本上返回使材料变形所需的所有能量。然而，优选地，它是粘弹性的，这意味着材料只是缓慢地恢复到其原始形状，并且它不会返回使材料变形所需的所有能量。在一个实施方式中，根据国际足联方法13(Handbook ofTest Methods October 2015 Edition–Version 3.1 16/03/2020)在设备草皮系统上测量的，颗粒表现出小于SBR的能量返还，优选小于40％。

本发明还涉及一种人造草皮系统，包括如上文或下文所述的一定量的填充物。可以理解的是，可以实践体育运动的所得系统不仅取决于填充物，还取决于其他因素，例如人造草皮本身和草皮下面的任何衬垫物、减震垫或基材。额外的填充物材料也可以与天然橡胶填充物组合和混合。

在一个实施方式中，人造草皮系统包括背衬层和从背衬层直立的人造草叶，填充物分布在人造草叶之间。

在另一个实施方式中，该系统还可以包括以一定量不包含天然橡胶的天然材料的微粒形式的额外填充物。额外填充物可以设置在天然橡胶填充物下方，或者可以与天然橡胶填充物紧密混合。微粒可以是无机天然材料，例如沙子、石头、石英、砾石等。额外地或替代地，微粒可以包括有机天然材料，例如椰壳纤维、木屑、软木、核(kernel)、玉米、椰糠、麻等。这些材料可以以任何合适的尺寸或等级提供，这取决于它们是旨在天然橡胶填充物下方形成层还是旨在与天然橡胶填充物混合。

本发明还涉及一种制造用于人造草皮的填充物颗粒的方法，包括：由包括天然橡胶和填料材料的组合物冷成形前体；将前体分割成颗粒；以及向颗粒提供防粘剂。

其中该方法在不通过交联或其他方式对天然橡胶进行化学改性的情况下进行。在本上下文中，冷成形旨在表示在室温下进行的工艺，而不需要加热天然橡胶(乳胶)，因为这通常是涉及硫化或交联橡胶的挤出工艺中的情况。

在一个实施方式中，在分开前体之前向颗粒提供防粘剂，这可以通过在冷成形过程期间将其作为膜、涂层或粉尘提供到前体上来实现。在该上下文中，防粘剂与填料的区别在于，它的主要功能是防止颗粒之间的粘附，而不是增强颗粒本身的结构。因此，防粘剂可以形成一层，而不会与天然橡胶混合或完全浸渍。在某些实施方式中，颗粒的组合物包含20％至60％的填料、20％至60％的天然橡胶和10％至30％的防粘剂。在一个优选的实施方式中，这些比率可为约40/40/20，变化幅度为+/-5％。

在另一个实施方式中，该方法包括用抗老化步骤处理颗粒，例如用抗氧化剂处理或暴露于UV光。

可以考虑各种冷成形工艺。在一个实施方式中，冷成形前体包括冷挤出成片材或丝。在另一个替代实施方式中，冷成形前体包括例如通过浸渍工艺涂覆核。核可以包括天然纤维绳，并且将前体分割成颗粒然后可以包括将涂覆的绳切成短段。绳将作为上述定义的夹杂物保留在颗粒内。天然纤维绳可以是椰棕绳、剑麻绳或黄麻绳。在该上下文中，绳旨在包括线或丝(纺、合股、编织或其他形式)。替代的冷成形工艺是造粒，从而混合的成分递送到造粒机。本领域技术人员熟悉动物饲料等的背景中的造粒工艺。

可以考虑各种热成形工艺。在一个实施方式中，前体的热成形包括热挤出成片材或丝。

本发明的其他方面在所附的独立权利要求和从属权利要求中阐述。从属权利要求和独立权利要求的特征的组合可以以任何适当的组合进行组合，而不仅仅如权利要求中明确阐述的那样。

附图说明

参考示出了示例性实施方式的附图将更好地理解本发明的特征和优点。

图1示出了根据本发明的实施方式的人造草皮系统10的横截面；

图2示出了根据本发明的颗粒的示意性横截面。

具体实施方式

如图1所示，人造草皮系统10包括稳定的底基层12、弹性层13、具有直立绒头纤维16的机织人造草皮基材14、沙子的稳定填充物层17以及微粒18和基于天然橡胶的颗粒19的性能填充物层15。在所示的实施方式中，微粒18和颗粒19具有相同的尺寸和形状，平均尺寸为4mm。微粒18是光滑级的河砾石，而颗粒19是根据下面给出的实施例1的方法制造的天然橡胶和填料材料的混合物。

图2示出了通过图1的颗粒19的示意性的横截面。颗粒19根据EN 14955:2005在C2(C1至C3)范围内是圆形的，平均尺寸为3mm。它包含按重量计约30％的乳胶橡胶22，其在椰壳纤维24和木粉26周围形成基材。颗粒19的外表面30覆盖有白垩粉尘28。在颗粒19的中心是1.5mm级的石头的夹杂物32，橡胶涂覆在夹杂物32上。

应当理解，以上仅仅是示例性的，并且颗粒19可以具有根据本文公开的本发明的任何实施方式的配方和结构。

此外，本文中使用的组分的术语应具有广泛的解释(也包括等效的功能和特征)。描述性术语也应得到尽可能最广泛的解释；例如，本说明书中使用的术语“包含(comprising)”是指“至少部分地由...组成”，使得在解释本说明书中包括术语“包含(comprising)”的每个陈述时，也可能存在除该术语以外的特征或以该术语开头的特征。诸如“包含(comprise)”和“包含(comprises)”的相关术语应以相同的方式解释。本说明书涉及具有特征的特定组合的实施方式，然而，设想实施方式之间的相容特征的进一步组合和交叉组合将是可能的。

实施例1

一种示例性的基于天然橡胶的填充物如下生产和测试：

将按重量计等量的生液体乳胶、椰壳纤维(粉碎成直径<0.2mm的粉末)和木材(粉碎成直径<0.2mm的粉末)混配在一起。生乳胶含有约30％的水。在混合约3小时后，通过加入甲酸(以1:20的比例稀释)开始凝结。使用压机将混合物形成为约3mm厚度的片材。将片材去除多余的水，随后在环境中干燥2天。

然后通过添加白垩防粘剂对片材进行机械切碎，以产生尺寸在0.5mm至5mm范围内且形状在A2和A3范围内的颗粒。该颗粒表现出优异的弹性，具有与现有聚合填充物相似的感觉。注：发现低温切碎也有效。

使用25mm深的颗粒分布在50mm绒头高的人造草皮基材和10mm的稳定的沙层，来制备人造草皮的测试区域。根据FIFA Handbook of Test Methods October 2015 Edition–Version 3.1 16/03/2020测试人造草皮，结果如下。

进一步的测试表明肖氏A硬度为54，并且在延长的时间内具有抗冻性和抗水性。

实施例2

在第二个预示的实施例中，将天然乳胶(10％)、椰壳纤维(粉碎成直径<0.2mm的粉末)(20％)、木材(粉碎成直径<0.2mm的粉末)(20％)和碳酸钙粉末(50％)混合在一起。混合后，将材料造粒以形成直径为2mm且长度为约8mm(进一步切至2mm)的粒料(圆柱形颗粒)。

该颗粒表现出优异的弹性，具有与现有聚合填充物相似的感觉。

Claims (24)

1.一种用于人造草皮的基于天然橡胶的填充物，包括生物可降解的颗粒，其中所述颗粒包括通过添加一定量的填料材料物理改性而非化学改性的天然橡胶，其中所述颗粒具有0.2mm至5mm的平均尺寸。

2.根据权利要求1所述的填充物，其中所述填料材料包括无机天然材料，例如沙子、白垩、石英、砖粉和/或木炭中的至少一种。

3.根据权利要求1或2所述的填充物，其中所述填料材料包括有机天然材料，诸如椰壳纤维、木屑、软木、玉米、椰糠、麻、淀粉或植物废料。

4.根据权利要求1至3中任一项所述的填充物，其中所述颗粒还包括粘结剂，所述粘结剂优选包括生物可降解和/或天然材料，如植物淀粉。

5.根据前述权利要求中任一项所述的填充物，其中所述颗粒包括10至80wt％的填料和10至40wt％的橡胶。

6.根据前述权利要求中任一项所述的填充物，其中所述颗粒包括夹杂物，所述夹杂物具有所述颗粒的10％至90％的尺寸。

7.根据权利要求6所述的填充物，其中每个颗粒包括涂覆在夹杂物的一个或多个表面上的天然橡胶层。

8.根据前述权利要求中任一项所述的填充物，其中提供任选地混合并分散在所述颗粒中的防粘剂。

9.根据前述权利要求中任一项所述的填充物，其中所述颗粒在-10C至80C的温度下是松散的且自由流动的。

10.根据前述权利要求中任一项所述的填充物，其中所述颗粒具有20至90，优选40至60，并且任选地约50的肖氏A硬度。

11.一种人造草皮系统，包括一定量的根据前述权利要求中任一项所述的填充物。

12.根据权利要求10所述的人造草皮系统，还包括背衬层和从所述背衬层直立的人造草叶。

13.根据权利要求11或权利要求12所述的人造草皮系统，其中所述填充物还包括一定量的不包含天然橡胶的天然材料的微粒。

14.一种制造用于人造草皮的填充物颗粒的方法，包括：

由包括天然橡胶和填料材料的组合物冷成形前体；

将所述前体分割成颗粒；以及

为所述颗粒提供防粘剂，

其中所述方法在不通过交联或其他方式对所述天然橡胶进行化学改性的情况下进行。

15.根据权利要求14所述的方法，其中在将所述前体分割成颗粒之前，向所述前体提供所述防粘剂。

16.根据权利要求14或权利要求15所述的方法，其中所述颗粒包括混合到所述前体中的所述防粘剂。

17.根据权利要求14至16中任一项所述的方法，其中所述防粘剂为天然吸附性粉末，例如沙子、白垩、石英、砖粉、木炭或玉米淀粉。

18.根据权利要求14至16中任一项所述的方法，包括用抗老化步骤处理所述颗粒，例如用抗氧化剂处理或暴露于UV光。

19.根据权利要求13至18中任一项所述的方法，其中所述组合物包括20％至60％的填料、20％至60％的天然橡胶和10％至30％的防粘剂，优选地，以约40/40/20的比例。

20.根据权利要求14至19中任一项所述的方法，其中所述冷成形前体包括冷挤出成片材或丝。

21.根据权利要求14至20中任一项所述的方法，其中所述冷成形前体包括对核进行涂覆。

22.根据权利要求21所述的方法，其中所述核包括天然纤维绳，并且分割所述前体包括将涂覆的绳切割成短段。

23.根据权利要求22所述的方法，其中所述天然纤维绳为椰棕绳、剑麻绳或黄麻绳。

24.根据权利要求20所述的方法，其中所述冷成形包括挤出通过造粒机以形成圆柱形粒料。