CN117693619A - 可回收人造草坪和用于可回收人造草坪的hdpe背层 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及用于人造草坪基底的聚乙烯背层，其基本上由形成经纱和纬纱的高度取向的高密度聚乙烯细丝组成，高密度聚乙烯细丝具有至少945kg/m3的密度和最大2g/10min的熔体流动指数。本发明还涉及用于制造这种背层的细丝，用于制造这种细丝的方法和包括这种背层的人造草坪基底。

Description

可回收人造草坪和用于可回收人造草坪的HDPE背层
技术领域
本发明涉及人造草坪(artificial turf)，特别是由高密度聚乙烯细丝制成的人造草坪的背层及其制造方法。
背景技术
人造草坪已从各种出版物中广为人知，并且经过几代的发展才达到目前的形式。一般来说，此类系统寻求实现与其自然对应系统相同的特征，尽管在某些领域这些系统可能已经被超越，至少在行为的可预测性方面。在此区分旨在用于运动和比赛的人造草坪；以及完全(或主要)用于景观美化的人造草。
第一代系统通常由绿色尼龙纱线制成。绒面(绒头、草丝，pile)非常短且致密，并且在运动应用中使用时并不舒适。第二代系统最初由尼龙纱线制成，最近转变为PP和PE，但是具有更长的绒面并且使用砂作为填充层以保持绒面直立。尽管第二代系统更适合于运动应用，但是它们仍然没有很好地类似于天然草。
典型的第三代草坪系统包括具有直立绒面纤维的地毯状层和设置在绒面纤维之间的填充层。地毯状物具有背层，该背层可以由适当材料的机织织物构成，人造草纤维被簇绒到机织织物中以提供定向在向上位置的绒面纤维。绒面纤维可包括适当聚合物材料或材料混合物的原纤化带或单细丝。绒面纤维可以通过乳胶或聚氨酯的涂层固定到机织织物上以减少纤维拉出。填充物提供了球场所需的弹性，并且可以包括合成橡胶等和/或天然材料例如沙子或软木的软颗粒。
在第四代草坪系统中，填充物的减震功能可以与地毯状物的纤维结构整合。这可以通过仔细选择不同的纤维来实现，以产生例如比绒面纤维延伸距离短的卷曲纤维的茅草状层。在第四代系统中，整个人造草坪地毯状物的编织通常作为簇绒的替代。因此，通过在织机上编织同时生产背层和绒面纤维。这里，绒面纤维和背部结构的位置具有相当大的自由度。
在第三和第四代系统中，使用多种不同种类的材料以在最终产品的各个层中实现正确的性能混合。这里使用术语“层”仅仅是为了方便。可以理解，给定的功能可以通过多层来实现，并且一层(和功能)可以与另一层部分重合，例如填充层可以延伸穿过绒面层。
我们可以至少区分与本讨论相关的以下层和功能(尽管当然还有其他功能)：
-背层，通常为编织织物，在水平方向上提供结构完整性并保持绒面纤维；
-绒面层，提供体育运动表现(球滚、球反弹、滑行表现等)
-锁定层，防止绒面从背层中拉出；
-回弹层，提供回弹性并使所述绒面层直立。
尽管专利出版物将指出许多不同选择的材料中的任何一种或多种可用于这些层或功能中的任何一种，但情况并非如此。实际上，有限数量的材料可以可接受地实现相应层的所需功能。特别地，应当理解，人造草坪主要预期在户外使用，其中它暴露于所有可能的环境条件。
因此，在现有的第三和第四代系统中，背层通常由编织聚丙烯纤维形成。典型的织物重量为80至400g/m2，纤维的线密度为300至1500dtex。聚丙烯显示出优异的室外稳定性，显示出高的抗蠕变性并具有优异的寿命。稳定性很重要，因为如果没有适当的冷却设施，暴露在阳光直射下，球场上的温度可能会在冰点以下到高达85℃之间变化。足够的抗蠕变性对于应用于排水坡度较小的运动场上的人造草坪尤其重要，否则静力会导致人造草坪随着时间的推移而变形。
绒面层通常由聚乙烯形成，尽管也可以偶尔使用聚丙烯和聚酰胺材料。已发现聚乙烯具有最佳性能，特别是回弹性，以实现绒面层所需的功能。已经尝试使用涂层和其它材料的混合物来进一步改善这些功能，但是目前PE占体育表面市场的约95％。
锁定层目前主要由背层背面上的乳胶涂层提供。然而，在北美，聚氨酯受到青睐。
填充层在材料选择方面目前可能是最多变化的层。许多现有的球场仍然使用来自回收汽车轮胎的碎橡胶。这种材料目前正在逐步淘汰，新的安装倾向于使用软木等天然材料。对于第四代草坪系统，填充层/功能可以由例如由聚烯烃制成的原纤化、卷曲、假编变形(KDK)或变形(TXT)纱线的茅草纤维提供。
尽管这种系统提供了优异的运动性能，但是在移除和处理时，多种材料的存在造成了相当大的额外困难和成本。本发明试图通过提供相当水平的功能性同时增强在寿命末期回收产品的能力来进一步改进这种人造草坪系统。
发明内容
因此，本文提供了一种用于人造草坪基底的聚乙烯背层，其基本上由形成经纱和纬纱的高度取向的高密度聚乙烯(HDPE)细丝组成，高密度聚乙烯细丝具有至少945kg/m3的密度和最大2g/10min的熔体流动指数。
在本文中，“基本上由…组成”是指背层的至少99wt.％由高度取向的HDPE细丝组成。在各HDPE细丝中，细丝总重量的至少90wt.％或甚至至少95wt.％可为高密度聚乙烯组合物。此外，HDPE细丝可包括添加剂如填料、颜料、UV稳定剂或加工助剂。术语“高度取向的细丝”用于表示在挤出工艺中形成的拉伸比大于4，优选大于5，更优选拉伸比为6至7的细丝。
如上所述，传统的人造草坪一方面使用不同种类的聚合物材料用于背部，另一方面使用不同种类的聚合物材料用于绒面纤维。根据本发明，聚乙烯用于两个层和/或功能。虽然这在理论上可能是无足轻重的，但实际上该解决方案不是这样。如上所述，直到现在，背层一直由聚丙烯(PP)制成，这正是由于其在使用期间对温度波动的稳定性和其良好的抗蠕变性。然而，聚丙烯不能有效地用作绒面纤维，因为它过于刚性并且还不能用该材料实现所需的运动性能。
目前，聚乙烯(PE)是绒面纤维最受欢迎的材料。对于所需的纤维尺寸范围，这具有合适的物理性能(例如，柔韧性)以表现出可接受的运动性能。另一方面，由于当暴露于如在使用过程中发现的或甚至在生产中例如在涂覆层的应用过程中遇到的高温时，PE不是合适地温度稳定的事实，因此不认为可能将PE用于背层。此外，生产聚乙烯背部的尝试迄今失败，主要是由于与簇绒工艺有关的不足的抗蠕变性和尺寸稳定性。事实上，迄今为止，挤出聚乙烯背部细丝的能力相对有限，尤其是用作聚丙烯替代物的足够强度的细丝。
根据本发明，通过提供由高密度聚乙烯材料制成的背层来改善人造草坪的抗蠕变性。高密度聚乙烯(HDPE)材料具有至少945kg/m3的密度。密度可以例如根据ISO 1183-1或ISO 1183-2测量。与具有较高支化度的聚乙烯材料如LDPE相比，使用HDPE的优点是相对大的拉伸强度，良好的抗蠕变性和良好的耐热性。更确切地说，通过使用HDPE，可以形成在气候、强度和抗蠕变性方面具有至少类似于由PP制成的背层的尺寸稳定性的背层。
在一个实施方式中，细丝沿着其纵向方向具有一个或多个肋。这有利地增加了表面的粗糙度，使得细丝在使用中和在簇绒过程中更不易于歪斜。在一个实施方式中，细丝可以在一侧或两侧上设置有肋或凹槽。这些可以通过挤出模头赋予，挤出模头可以具有0.01mm至1mm，特别地0.1mm至0.6mm的范围内的轮廓特征。可以理解的是，这些特征将在拉细细丝期间成比例地减小，并且可以仅作为最终细丝中的光条纹或波纹存在。然而，它们可有助于为编织背部提供稳定性。
在一个实施方式中，聚乙烯具有至少950kg/m3的密度。尽管密度为945kg/m3的HDPE就足够了，但是对于较高密度，由于较低的支化度和较高的结晶速率，背层的机械性能如强度和尺寸稳定性，例如抗收缩性和抗蠕变性可以得到改进。
在实施方式中，密度为950kg/m3至970kg/m3。对于一些类型的HDPE，较低的密度可改善可用于形成细丝的挤出工艺中HDPE的可加工性。本领域技术人员还将理解，背部的细丝的强度高度取决于它们的取向度和它们所暴露的拉伸比。较高密度的聚乙烯可以更好地拉伸，尽管应当理解它也易于在使用期间收缩。因此建议在使用前对背部进行热稳定，如下文进一步详述。更高的密度也与更高的熔点有关，由于下面进一步讨论的原因，这是期望的。
在一个实施方式中，HDPE的分子量为200,000至500,000g/mol。类似于较高密度的效果，较大的分子量也有助于较高的熔点和改善的抗蠕变性。然而，太高的分子量可能导致挤出工艺中的差的可加工性。
在一个实施方式中，HDPE具有中等或中等宽度分子量分布(medium or medium-broad molecular weight distribution)(MWD)。分子量分布太窄的HDPE会降低HDPE在挤出工艺中的可加工性，因为它使加工窗口非常窄。然而，窄MWD可能与更明确的熔融温度有关，这可能是有利的，原因将在下面进一步给出。就其机械性能而言，分子量分布太宽的HDPE也可能不太优选。因此，优选HDPE具有尽可能窄的分子量分布(MWD)，同时在挤出工艺中保持HDPE的良好可加工性。优选地，HDPE具有单峰重量分布曲线。
细丝的HDPE的熔体流动指数(MFI)为至多2g/10min。根据ISO 1133-1测量MFI。这种相对低的MFI是有利的，因为对于较高的MFI，背层的抗蠕变性较低。本领域技术人员将理解，HDPE组合物还具有一定的最小熔体流动指数(MFI)。在实施方式中，MFI为至少0.7g/10min或至少1.2g/10mm。
在一个实施方式中，细丝的HDPE组合物的熔体流动指数(MFI)1.5g/10min至2g/10min，优选地在1.7g/10min至1.9g/10min。MFI在这些范围内的HDPE组合物在挤出工艺中具有良好的可加工性。较低的MFI可能导致挤出机中过高的模头压力和因此较低的生产量。相反，较高的MFI可能在拉伸细丝或挤出膜的过程中产生问题，导致不均匀拉伸。因此，在这些范围内的MFI对于HDPE组合物在挤出工艺中的可加工性以及对于背层的稳定性特性是有利的。
根据一个实施方式，HDPE具有至少125℃，优选地至少128℃，并且更优选地约130℃的熔点。当熔融人造草坪基底的绒面纤维以增强纤维粘结强度时，这对于随后在人造草坪基底中使用背层是有利的，如下面关于本发明的另一方面所讨论的。因为背层的熔点高于人造草坪基底中绒面纤维的熔点，所以绒面纤维可以彼此熔融，同时背层保持完整。优选地，选择具有尽可能高的熔点的HDPE。目前可获得的HDPE组合物具有约130℃的熔点。
本领域技术人员将意识到，对于聚合物材料，熔融实际上在一定温度范围内发生。在下文中，熔融温度是指通过差示扫描量热法(DSC)测量的峰值温度。这不同于起始温度，有时称为外推起始温度(根据DIN EN ISO 11357-1:2010-03)。这是外推基线与熔融或结晶峰开始处的反曲正切的计算交点。根据本发明的一个方面，可选择HDPE组合物的起始温度高于绒面纤维的熔融温度。
背层中的经向细丝和纬向细丝可以是单纤维丝(monofilament)或切膜。在一个实施方式中，至少一些细丝是带。术语“带”是指单向取向的聚合物产物，优选具有100dTex至2500dTex的线密度(或滴定度)。带可具有矩形或正方形横截面，并且优选通过切割挤出膜形成。带典型地具有50至120μm，优选70至100μm的厚度，和0.5至5mm，优选1至3mm的宽度。这些厚度和宽度是指在挤出过程中拉伸并准备编织的带的厚度和宽度。较宽的带可能导致编织背层中的缺陷，而较窄的带由于其不足的强度而不能有效。
在另一个实施方式中，背层是适合簇绒的初级背层。初级背层被定义为在簇绒之后绒面纤维所穿过的层。优选地，初级背层的细丝由带形成。或者，背层可以是三维编织人造草坪基底的一部分。整个人造草坪地毯状物的编织通常作为簇绒的替代。编织人造草坪包括通过在织机上编织而同时生产的背层和绒面纤维。编织人造草坪基底包括经纱和纬纱。最优选地，编织人造草坪在面对面编织工艺中生产，绒面纤维也存在于经向中。
在一个实施方式中，背层使用平纹编织进行编织。平纹编织非常适合簇绒。
在一个实施方式中，每单位长度的经向细丝和每单位长度的纬向细丝的数目是不同的。这对于背层的可簇绒性是有利的。在人造草坪的生产中，关键目标是避免不自然的外观，例如过度规则的图案。经向和纬向之间的变化减少了簇绒中所谓的莫尔效应，从而也减少了美学缺陷。
在一个实施方式中，经向细丝的数量与纬向细丝的数量的比率基本上与经向细丝的线密度与纬向细丝的线密度的比率的倒数相同。这里“基本上相同”是指比率之间的最大差值为15％。这导致背层在经向和纬向具有良好的可簇绒性和类似的强度。当每单位长度的经向细丝和每单位长度的纬向细丝的数量基本相同，并且经向细丝和纬向细丝具有基本相同的线密度时，在强度方面的效果类似。这种所谓的方形构造(其中经向细丝和纬向细丝的布置基本上相同)有助于背层的尺寸稳定性(参见例如美国专利6897170B2)，并确保单个条带平放在织物中而不会扭曲。这导致低的织物收缩率和因此具有更好的尺寸稳定性的背层。另外，背层可以在经向和纬向具有相似的强度。一种织物，其中经向细丝的数量与纬向细丝的数量之比基本上与经向细丝的线密度与纬向细丝的线密度之比的倒数相同，织物结合了具有良好可簇绒性的正方形结构和非正方形结构的有利效果。这种布置被称为“偏置方形构造”。或者，在实施方式中，可以使用全方位结构，其中每单位长度的经向细丝和每单位长度的纬向细丝的数量基本相同，并且经向细丝和纬向细丝具有基本相同的线密度。
在一个实施方式中，背层可以包括多个子层。多个子层可彼此堆叠或彼此缝合或粘结在一起，以实现背层在水平方向上提供结构完整性并保持绒面纤维的功能。多个子层一起形成适于簇绒的初级背层。连接这些层的优选方法是经编针织。在一个实施方式中，背层由两个彼此相同的子层组成。
在另一个实施方式中，背层的细丝具有100至2500dtex，优选200至1700dtex的线密度。检查值可以为600dtex至1200dtex。
细丝应尽可能地强以经受其它限制。在一个实施方式中，细丝具有至少20cN/Tex的韧度，优选其中细丝具有至少25cN/Tex的韧度。更重要地，细丝在5％伸长率下可具有大于10cN/Tex或甚至在5％伸长率下大于12cN/Tex的韧度。
在一个实施方式中，背层的织物重量为80至400g/m2，优选100至300g/m2。这种重量允许背层在大多数运动应用中以及在主要用于景观美化的人造草中的适用性。
在一个实施方式中，细丝还可包括一种或多种添加剂，添加剂优选选自由抗氧化剂、UV稳定剂、颜料、加工助剂、除酸剂、润滑剂、抗静电剂、填料、成核剂和澄清剂组成的组。这些添加剂可以优选作为母料在挤出之前加入熔体中。在实施方式中，细丝包括3至6wt.％的颜料和UV稳定剂和/或0至2wt.％的加工助剂。填料的量通常为2wt.％至6wt.％，并且对于在经向和纬向使用的细丝可以不同，这取决于所需的特性。
在一个实施方式中，细丝的断裂应变为10至40％，优选20至35％。本领域技术人员应当理解，单根细丝的低应变值通常对应于背层的高抗蠕变性，因此有利地用于人造草坪的背层中。然而，需要一些弹性来防止细丝在编织过程中折断。或者，可以测量背层本身的蠕变。根据一个实施方式，背层在5小时后具有至多1.0％/h，优选至多0.5％/h，更优选至多0.1％/h的蠕变应变速率。蠕变应变速率可以在Zwick拉伸测试仪上通过在50℃下在5小时期间施加恒定负载来测定。5小时后，蠕变应变速率可以作为第4小时和第5小时的标距差除以第4小时的标距。
在一个实施方式中，通过将背层加热到HDPE的起始温度以上来使背层热稳定。热稳定使编织过程中细丝中产生的应变松弛。应当理解，编织通常在细丝具有给定模量的环境温度下进行。编织动作在细丝中产生弯曲和扭曲，其在工艺完成后保持不变。如果背层的温度升高，诱导的应变可以通过细丝弯曲的松弛和拉直而恢复。在一个实施方式中，热稳定可以与绒面纤维的锁定相结合地进行，例如在下面将进一步详细描述的熔融过程中。这在三维编织人造草坪的情况下特别重要。
根据本发明的第二方面并根据上文所述的优点，提供了一种制造背层的方法。方法包括提供具有至少945kg/m3的密度和最大2g/10min的熔体流动指数的多根高度取向的高密度聚乙烯细丝；以及编织背层，其中高密度聚乙烯细丝用作经纱和纬纱。优选地，获得如上所述的根据本发明的背层。
在一个实施方式中，方法还包括热稳定背层。热稳定可以使用各种不同的方法来进行。
在一个实施方式中，通过沿具有加热表面的主体供给基底来进行热稳定，背层的第一表面布置成接触加热表面。加热表面可以是本领域公知的辊或压延机。
在另一个实施方式中，通过引导背层穿过一个或多个烘箱而不与加热表面直接接触来进行热稳定。例如，拉幅机可用于引导背层穿过烘箱。在一个实施方式中，引导背层通过温度为135至155℃，停留时间为10至120秒的烘箱。
应当理解，热稳定方法的精确细节通常适用于所制造的特定人造草坪产品，所使用的特定类型的HDPE和热稳定方法。通常，方法可确保将背层加热至高于聚乙烯起始温度的温度。
根据本发明的另一方面并且根据上述优点，提供了一种制造聚乙烯热稳定人造草坪基底的方法，该方法包括提供根据本发明的高密度聚乙烯背层，该背层具有上表面和下表面；将绒面纤维整合到背层中以从上表面直立，其中绒面纤维包括聚乙烯；以及将绒面纤维粘合到背层上以防止纤维拉出。
绒面纤维优选通过簇绒整合到背层中。绒面纤维可以作为环穿过背层伸出，或者环可以被切开。或者，可以形成全编织人造草坪基底，其中背层与绒面纤维的整合同时形成。
在本文中，绒面纤维的粘合是指除将绒面纤维整合到背层中的步骤之外的机械、物理或化学粘合。因此，与在由于单独的簇绒或编织步骤而整合绒面纤维之后的情况相比，它产生更大的拉出强度。其可包括熔融、熔合、粘附、包封、涂覆等，限制条件是其不引入不同的材料并且所得基底保持为单一聚合物人造草坪基底。
在下文中，术语“熔合”用于指两种组分或纤维完全熔融在一起，即形成整体组分的情况。熔融可以仅使一个部件围绕另一个部件模制，而不发生实际的粘合或熔合。在这种情况下，一旦冷却，可能仅存在两个部件(例如绒面纤维和编织背层)的机械粘合。
在一个实施方式中，通过沿着具有加热表面的主体供给基底来实现绒面纤维的粘合，背层的下表面布置成接触加热表面。这可以使用如上所述的传统机器来实现。然而，可以注意到，实现当前描述的结果的过程的调整是期望的。特别地，实现绒面粘合所需的时间和温度可以不同于实现热稳定背层所需的时间和温度。为了粘合，必须超过绒面纤维的材料的熔点。优选地，这是在瞬间和局部进行的，以避免对基底结构和纤维特性的显著损害。在特定实施方式中，加热表面仅接触绒面纤维而不与背部材料本身直接接触。在热稳定的情况下，需要较低的温度，以更普遍地渗透到基底结构中存在应变的区域。
在一个实施方式中，加热表面为135℃至155℃，并且接触时间为20秒至35秒，优选地为25秒至30秒。时间段足够长以将绒面纤维粘结在一起，而不损坏背层。加热表面优选为约145℃。
在一个实施方式中，辊被布置成与加热表面相对以对背层加压，优选其中施加2至8巴(Bar)的压力。辊，优选层压辊，确保在背层下侧的所有绒面纤维束与加热表面良好接触。当没有施加压力或压力不足时，不是所有的绒面纤维都会熔融。
可替换地或另外地，粘合可包括将热熔体或粉末熔体施加到背层的下表面上或通过用聚乙烯薄膜层压背层的下表面，由此通过熔融薄膜进行层压。此外，在所有这些情况下都要求附加层包括聚乙烯。唯一的例外是如果附加层在再循环过程中或之前可容易地除去。附加层可以进一步加强绒面纤维和背部之间的结合，使人造草坪适用于对纤维拉出强度提出高要求的应用。
在一个实施方式中，方法包括主动冷却基底，从而将绒面纤维固定到背层上。在热粘合或热稳定之后，可通过移除热源(例如加热表面、红外光束或热空气鼓风机)来冷却基底。或者，例如通过沿冷表面运送地毯状物或通过沿背层的下表面供应冷空气，可主动冷却基底。
根据本发明的另一方面并且根据上文所述的优点和效果，提供了一种基本上由聚乙烯材料组成的人造草坪基底，人造草坪基底包括背层，背层包括背部细丝和从背层直立的绒面纤维，其中背部细丝包括具有第一密度的聚乙烯并且绒面纤维包括具有第二密度的聚乙烯，其中第一和第二密度的比率为至少1.01，优选地至少1.02。背层通常具有至少945kg/m3的密度，而绒面纤维的密度优选显著小于945kg/m3，例如为915至935kg/m3。密度的差异通常转化为熔融温度的差异。
根据本发明的又一方面并根据上文所述的优点和效果，提供了一种基本上由聚乙烯材料组成的人造草坪基底，人造草坪基底包括背层，背层包括背部细丝和从背层直立的绒面纤维，其中背部细丝包括具有第一熔融温度的聚乙烯，绒面纤维包括具有第二熔融温度的聚乙烯。其中第一和第二熔融温度的差值为至少2℃，优选至少3℃并且可以大于5℃。背层优选具有至少130℃的熔融温度，而绒面纤维的熔融温度通常小于127℃。不同的熔融温度使得绒面纤维能够通过绒面纤维的熔融而不熔融或甚至不软化背层的细丝而固定在背层中。
本领域技术人员将理解，在挤出过程中赋予细丝和纤维的性能可在熔融时被否定。特别地，以这种方式，如果后续处理保持远离细丝的熔融温度，则可以保持背部的细丝材料的分子取向。在一个实施方式中，绒面纤维的粘合可在不超过背部细丝的起始温度下进行。这可能是绒面纤维的熔融温度低于背部细丝的起始温度的情况。
在一个实施方式中，背层是根据本发明的背层。
在一个实施方式中，背层具有上表面和下表面，并且聚乙烯绒面纤维从上表面直立，绒面纤维簇绒在编织背层中，并且在下表面处彼此粘合或粘合到背层上。如上所述，聚乙烯由于其弹性而成为绒面纤维的优选材料，并且由如上所述的相同材料形成背层和绒面纤维易于回收。
在一个实施方式中，人造草坪基底包括至少90wt.％或至少95wt％或至少98wt.％的聚乙烯，优选至少99wt.％的聚乙烯。应当理解，为了再循环目的，聚合物材料的重量百分比尽可能接近100wt.％。然而，应当理解，可以存在各种添加剂并且可能发生其它污染。至少重要的是重量百分比足够高以在再循环过程中不导致显著的缺点。
在一个实施方式中，绒面纤维包括单纤维丝的束，优选具有不同的特性，更优选其中束为10000dtex至15000dtex。单细丝本身可为每根丝1000至3000dtex。在优选实施方式中，至少单细丝之间的横截面形状是变化的，但是颜色，硬度和绒面高度也可以变化以模仿天然草。横截面形状例如可以是平的、V形的、透镜状的、弯曲的、波浪形的、三角形的、中空的等。或者，或另外，绒面纤维可包括原纤化带。
在一个实施方式中，单纤维丝的束至少部分地彼此熔融。这防止了单独地拉出绒面纤维并将绒面纤维锚固在背层中。例如，如关于制造人造草坪基底的方法所述，这种熔融可以通过沿着具有加热表面的主体供给衬底来实现，加热表面的温度超过绒面纤维中聚乙烯的熔点，背层的下表面布置成接触加热表面以引起绒面纤维的熔融或软化。
根据本发明的另一方面并根据上述的优点和效果，提供了一种适于制造根据本发明的背层的高度取向的高密度聚乙烯细丝。由于用于制造背层的HDPE细丝不容易获得，因此它们已经被专门设计用于此目的。任意HDPE组合物不能容易地在挤出工艺中通过切开挤出膜来加工以形成带。因此，本发明的另一个目的是提供一种HDPE组合物，组合物具有良好的可加工性，以及如其在人造草坪中的应用所要求的所需强度、稳定性和抗蠕变性。
根据本发明的另一方面并根据上文所述的优点和效果，提供一种制造用于人造草坪基底的背层的高密度聚乙烯细丝的方法，该方法包括向挤出机提供密度为至少945kg/m3且熔体流动指数为1.5至2g/10min的高密度聚乙烯组合物；形成细丝；和在机器方向上拉伸细丝以获得具有100至2500dTex的线密度的细丝。优选地，HDPE具有中等或中宽的分子量分布。
根据一个实施方式，细丝为带，并且形成细丝的步骤包括将聚乙烯组合物挤出成挤出膜并将膜切割成带。将HDPE组合物提供至挤出机，挤出机将HDPE挤出成膜。这样的膜可以通过任何常规的膜形成方法制备，包括挤出过程，例如流延膜挤出。在形成膜之后，随后将其切成带并拉伸。可以在将膜切割成条带之前拉伸膜，可以首先切割膜并且之后拉伸膜，或者可以同时进行切割和拉伸。优选地，首先将膜切割成带，随后在机器方向上以所需拉伸比拉伸带以形成最终带。在一个实施方式中，膜通过具有至少一个肋状表面的成型模头挤出。
在一个实施方式中，纵向拉伸比为至少4，优选至少5，更优选至少6。例如，拉伸比可以为6至7。拉伸比表示与其原始长度相比带在机器方向上拉伸的次数。
附图说明
下面将参照附图更详细地讨论本发明，其中：
图1A示意性地示出了根据第一实施方式的热稳定的人造草坪基底的一部分的透视图。
图1B示意性地示出了沿方向I-B截取的图1A中的人造草坪基底的侧视图。
图2示意性地示出了制造根据第一实施方式的热稳定的人造草坪基底的方法。
图3示出了可用于根据图2所示方法的绒面纤维粘合步骤的装置的第一实施方式。
图4示出了穿过用于形成根据本发明的细丝的挤出模头的一部分的横截面。
图5示出了细丝材料的典型差示扫描量热曲线。
附图仅用于说明的目的，并不作为对权利要求所限定的范围或保护的限制。
具体实施方式
以下是本发明的某些实施方式的描述，仅作为示例并参考附图给出。
图1A示意性地示出了仅由聚乙烯制成的根据本发明的热稳定人造草坪基底1的透视图。图1B示出了图1A中的人造草坪基底的侧视图。人造草坪基底1包括具有上表面3和下表面4的背层2。背层2是机织织物，具有经向带21和纬向带22，它们各自形成为HDPE挤出带。聚乙烯绒面纤维5和茅草纱线(thatch yarn)7从上表面3直立。绒面纤维5被提供为单纤维丝的束6，每个单纤维丝具有不同的特性，例如横截面形状、绿色色调、硬度和/或绒面高度，以尽可能地模仿天然草。绒面纤维5被簇绒到背层2中，并且在背层2的下表面4处绒面纤维5的束6被熔合在一起，从而在背层2下方形成熔融的绒面纤维束8。聚乙烯涂层9设置在下表面4上以提供额外的强度。
绒面纤维5沿经向簇绒到地毯状物中，使得绒面纤维5的熔融束8沿经向在背层2处的下表面4下方延伸。熔融束8具有几毫米的宽度，因此在多个经向带21的宽度上延伸。这使得纤维粘结相当牢固，并且绒面纤维在被拉出之前断裂。熔融的绒面纤维束8以Z字形图案布置在背层2下方，在大约5mm的总宽度上Z字形弯曲。经向带的宽度约为1mm，纬向带的宽度约为2mm。因此，绒面纤维熔融束跨越至少两个或三个带的宽度。
人造草坪基底1具有与用PP背层制成的常规人造草坪基底类似的机械性能，并且同样良好地保持绒面纤维。有利地，由于产物仅包括PE，产物可以在产物的寿命结束时容易地再循环。
图2示意性地示出了用于制造这种人造草坪基底1的方法。首先，在带形成步骤10中由HDPE组合物制造多个带21，22，其随后在步骤11中用于形成背层2。之后，绒面纤维5在整合步骤12中整合到背层2中，优选通过簇绒。或者，编织背部2和绒面纤维5可以通过使用用于制造三维人造草坪结构1的编织技术将绒面纤维5编织到编织背部2中而一体地形成。具有整合绒面纤维5的背层2被称为中间产品17，其通常看起来与图1所示的人造草坪基底1相当类似，但是绒面纤维5没有锚固在背层2中，因此与最终的人造草坪基底1相比，中间产品17具有较差的机械性能。为了增强纤维粘合强度并防止纤维拉出，对中间产品17进行粘结步骤13，其中将背层2的下表面4加热到绒面纤维中PE的熔点以上的温度，以将纤维束6中的绒面纤维5彼此热粘结和/或热粘结到背层2上，并增强纤维粘结。在粘合步骤13期间，将背层2加热到足以将背层2稳定到使用中遇到的温度的温度和时间。在粘合步骤13之后，在冷却步骤14中将产品冷却至室温。
图1中的人造草坪基底1由不同聚乙烯组合物的混合物制成。这里，术语“聚乙烯组合物”用于表示挤出形成背层2的带和形成绒面层的绒面纤维5的粗聚乙烯的组合物。
背层2中的条带由HDPE组合物制成。如上所述，与具有较高支化度的聚乙烯材料如LDPE相比，HDPE具有良好的拉伸强度、良好的抗蠕变性和良好的耐热性。
背部细丝-实施例1
根据第一实施方式，HDPE是ELTEX B4020N1332，由INEOS Olefins&PolymersEurope制造的高密度聚乙烯共聚物，并且具有根据ISO 1183-1测量的952kg/m3的密度。HDPE具有单峰重量分布曲线和分子量分布(MWD)，其足够宽以使得HDPE在挤出过程中具有良好的加工性能。
HDPE组合物具有1.9g/10min的熔体流动指数(MFI)。优选地，MFI选自1.5至2g/10min。较低的MFI可能导致挤出机中过高的模头压力和因此较低的生产量。相反，较高的MFI会在拉伸过程中产生问题，导致拉伸不均匀。因此，1.5至2g/10min的MFI对于HDPE通过挤出机的可加工性是有利的。此外，较高的MFI降低了抗蠕变性。
将HDPE组合物提供至挤出机，其将HDPE挤出成膜。这样的膜可以通过任何常规的膜形成方法制备，包括挤出过程，例如流延膜或吹塑膜挤出。在形成膜之后，将其在水中骤冷，随后切成带并拉伸。可以在将膜切割成条带之前拉伸膜，可以首先切割膜并且之后拉伸膜，或者可以同时进行切割和拉伸。优选地，首先将膜切割成带，随后在机器方向上以所需拉伸比拉伸带以形成最终带。使用6的拉伸比，这表明与其原始长度相比，带在纵向上拉伸六倍。然后将带松弛并在辊上退火。
图4示出了挤出机模头50的一部分，其具有大约1米的总宽度。模头开口52具有0.6mm的标称开口，但在其下侧具有深度为0.15mm且宽度为0.5mm的矩形肋54和凹槽56的图案。离开模头50的膜具有对应于模头开口52的横截面轮廓。一旦被拉伸，膜的横截面将相应地减小，并且轮廓特征将减小拉伸比的平方根。此外，挤出物的流动将倾向于软化所有特征，由此最终的带将在其下侧以约0.2mm的间距具有浅波纹状表面。所形成的带具有约25cN/Tex的韧度。
所形成的带用于编织人造草坪的背层。优选地，背层中的经向带和纬向带以平纹编织进行编织并布置成类似于所谓的偏置“方形结构”。这通常意味着带的平均数量、带的宽度、带的厚度和带的线密度在经向和纬向方向上相似，对背层的尺寸稳定性具有有利的影响。然而，也可以使用非方形编织图案。
背层-实施例1
根据第一实施例，背层2是单层机织织物，例如如图1A和图1B所示。背层2具有如第一实施例中的使用带的平纹编织图案。经向带的线密度为670dtex，纬向带的线密度为1200dtex。平均每米提供约860个经向带和610个纬向带。经向带的宽度为1.2mm，纬向带的宽度约为2.2mm，经向带和纬向带的厚度均为58μm。这导致织物重量约为129g/m2。
背层-实施例2
根据第二实施例，背层也由第一实施例中的带形成。背层包括两个基本上相同的子层，它们彼此叠置并例如通过将第一子层和第二子层经编针织在一起而彼此结合。因此，编织背层包括两层经向带和纬向带，它们一起形成一个用作绒面承载层的背层。每个子层中的经向带21具有1.2mm的带宽度，670dtex的线密度和约840线/米。纬向带22各自具有2.2mm的带宽度，1200dtex的线密度和约420根纬纱/米。经纱的厚度约为59μm，纬纱的厚度约为57μm。
在两个实施例中，背层2在经向和纬向具有不同数量的带。发现这对于背层2的可簇绒性是有利的。为了平衡带数量的变化，同时仍然获得具有方形结构的优选尺寸稳定性的背层2，纬向带22的线密度和带宽度大约是经向带21的线密度和带宽度的两倍。更准确地说，每米宽度，经向的线密度为670*840＝562800dTexlm，纬向的线密度为1200*420＝504000dTexlm。因此，偏差小于15％，并且因此在根据第二实施例的背层中获得近似偏置的方形构造。
在第二个实施例中，经向带的数量与经向带的线密度的乘积略大于纬向带的数量与经向带的线密度的乘积。这是有利的，因为它可以补偿由于编织过程中细丝的损坏而导致的经向强度的降低。
根据第一和第二实施例的织物具有足够的强度和尺寸稳定性以用作人造草坪中的背层。第一和第二实施例的机械性能总结在表1中。任选地，背层可以在簇绒之前热稳定以改善其稳定性。表1显示了实施例1在热定形之前和之后的结果。
表1
Fmax下的强度是指分别在机器方向(MD，经向)或横机器方向(CD，纬向)上断裂或撕裂5cm厚的条带所需的力[N]。在Fmax下的伸长率是指在进行测试时发生的相应应变。通常，更强的织物更稳定并具有更高的抗蠕变性。
90℃下的收缩率是指当人造草坪暴露于直接的阳光时在田间预期的收缩率。通过标记具有指定长度的样品并暴露于90℃ 15min的时间来测量。冷却后，再次测量标记长度并测定收缩率。由于编织背部的制造方法，在编织背层的纤维中产生固有应力。在暴露于热时，纤维松弛并且编织结构“展开”。这种现象具有不同的名称，但是可以被称为蠕变，拉伸或扩展。它不是热膨胀的简单问题，因为它在冷却时不必反转。铺开会导致仔细铺置的人造草坪球场不可接受地起皱或折皱。因此，收缩率优选尽可能低。
为了形成人造草，绒面纤维5整合到根据本发明的背层中，以形成中间产品17。用于绒面纤维的PE组合物具有比施加在背层中的HDPE组合物更低的密度和更低的熔点。优选地，绒面纤维5的熔点低于115℃。绒面纤维5的纤维束6和背层2之间的熔点差允许纤维束6在粘合步骤12期间彼此熔融，而背层2不熔融。
在一个具体实施方式中，绒面纤维5由熔融温度为110℃的PE制成。已经簇绒到HDPE背层14中的束6具有不同的单细丝，每个单细丝具有900dtex的线密度，并且导致12600dtex的总线密度。这些绒面纤维5在4.3cm的高度上延伸，并且可以具有不同的特性以模仿天然草的外观。
此外，纹理化的(texturized)或卷曲(curled)的茅草纱线7整合在背层2中，延伸得不太远。茅草纱线7排列成总线密度为5000dtex的束，每个束包括8根纱。茅草纱线7由熔融温度为125℃的PE制成。
通常，中间产品17的纤维结合强度不足，因此在现有技术的人造草坪系统中，通常施加锁定层，例如乳胶涂层。由于这将损害人造草坪基底的可再循环性，根据本发明的中间产品17经受粘合步骤12，其中加热背层2的下表面4以使纤维束6中的绒面纤维5彼此熔融和/或熔融到背层2以加强纤维粘合。在粘合步骤期间，背层2被同时热定形，以在使用期间减少人造草坪基底的扩展并改善尺寸稳定性。这种类型的粘合在此称为“热固化”步骤。
图3示出了可用于执行纤维粘合步骤12的装置20的示例性实施方式。由具有整合绒面纤维5的HDPE背层2组成的中间产品17由进料辊21提供并使用多个导向辊22引导通过装置20。中间产品17以1至30m/min的速度供给通过机器并沿辊24的加热表面25引导。加热辊24熔融纤维束6中的各个绒面纤维5，从而也增加绒面纤维5和背层2之间的结合。重要的是，背层2本身不与辊24接合，并且通过绒面纤维5保持与辊24间隔开。
任选地，可以施加热熔粘合剂或粉末熔体以进一步增加纤维粘合强度。装置23，例如是喷洒装置，可以布置在设备20中。在沿着加热辊24运送中间产品17之前，装置23可以将热熔粘合剂粉末喷洒在下表面4上。热熔体或粉末熔体可基本上由聚乙烯组成，使得人造草坪基底的可循环性不受损害。或者，不使用热熔性粘合剂或粉末熔体，这使得生产过程较不复杂，因而较便宜且较不易出错。
为了用如上描述的HDPE组合物处理背层2，将加热表面25加热到135至155℃的温度。加热表面25通常是由非粘性材料制成的鼓，以防止中间产品17粘在表面25上。导向辊22布置成将中间产品17置于张力下并控制中间产品17在加热表面25处的停留时间。通常，辊22、24相对于彼此布置以允许10至40秒的停留时间。优选地，停留时间为22和35秒，例如25秒。接触周期允许背层2和/或绒面纤维5充分熔融并彼此部分熔合，以提供足够高的纤维结合强度。部分熔融的中间产品17随后由导向辊22带走并输送出设备用于进一步处理。这种进一步的处理可以包括人造草坪基底的加速冷却或层合背层的下表面。在实施方式中，冷却后的产物是最终产物。
导向辊22可以仅引导中间产品17穿过装置20，还可以邻近加热辊24放置并用作压辊，压辊可以增加背层2的下表面4上的压力，以更好地将熔融聚合物材料散布在背层2的经向和纬向纤维与绒面纤维5之间。本领域技术人员应该理解，加热辊25的温度和施加到这种压力辊上的压力应该根据彼此和根据中间产品17的特性和纹理进行优化，以获得良好的结果。
纤维粘结方法-实施例1
根据方法的第一实施例，辊的温度被设定为145℃，如在加热的圆筒上测量的，并且停留时间为25秒。施加5巴的压力。在第一示例性背层经过热稳定步骤之后，对方法进行测试。
纤维粘结方法-实施例2
根据方法的第二实施例，辊的温度被安排为在加热的圆筒上测量的145℃并且停留时间为30秒。施加5巴的压力。在第二示例性背层上测试方法。
根据第一和第二实施例的人造草坪基底的机械性能总结在表2中。
表2
第二背层在施加热固化步骤之前未被热稳定。这降低了制造的成本和复杂性。然而，应当理解，不排除其中背层在热固化步骤之前首先热稳定的实施方式。
图5说明典型的差示扫描量热法(DSC)迹线。材料的熔点被确定为热流的峰值。点D处的起始温度定义为外推基线与熔融或结晶峰开始处的反曲正切的交点。B点和D点之间表示拐点切线。A点和C点之间表示外推基线。
根据第一实施例的HDPE细丝具有约125℃的起始温度和约130℃的熔点。
在不脱离本发明的精神或基本特征的情况下，本发明可以以其它特定形式实施。所描述的实施方式在所有方面仅被认为是说明性的而非限制性的。因此，本发明的范围由所附权利要求而不是由前面的描述来指示。对于本领域技术人员显而易见的是，本发明的替代和等效实施例可以被构思并简化为实践。在权利要求书的等效含义和范围内的所有变化都包括在其范围内。

Claims (42)

1.一种用于人造草坪基底的聚乙烯背层，所述聚乙烯背层基本上由形成经纱和纬纱的高度取向的高密度聚乙烯细丝组成，所述高密度聚乙烯细丝具有至少945kg/m3的密度和最大2g/10min的熔体流动指数。
2.根据权利要求1所述的背层，其中，所述高密度聚乙烯细丝具有至少950kg/m3的密度，优选950kg/m3至970kg/m3的密度。
3.根据权利要求1或2所述的背层，其中，所述高密度聚乙烯细丝具有在1.5与2g/10min之间、优选在1.7与1.9g/10min之间的熔体流动指数。
4.根据前述权利要求中任一项所述的背层，其中，所述高密度聚乙烯具有中等或中等宽度分子量分布。
5.根据前述权利要求中任一项所述的背层，其中，所述高密度聚乙烯具有至少125℃、优选至少130℃的熔点。
6.根据前述权利要求中任一项所述的背层，其中，至少一些所述细丝为带。
7.根据权利要求6所述的背层，其中，所述背层是适于簇绒的初级背层。
8.根据权利要求7所述的背层，其中，所述背层使用平纹编织进行编织。
9.根据权利要求7或8所述的背层，其中，每单位长度的经向细丝和每单位长度的纬向细丝的数目是不同的。
10.根据权利要求9所述的背层，其中，经向细丝的数目与纬向细丝的数目的比例是经向细丝的线密度与纬向细丝的线密度的比例的倒数。
11.根据权利要求6至10中任一项所述的背层，其中，所述背层包括多个子层，优选地其中所述背层由彼此相同的两个子层组成。
12.根据前述权利要求中任一项所述的背层，其中，所述细丝具有在100dtex与2500dtex之间、优选在200dtex与1700dtex之间、任选地在600dtex至1200dtex范围内的线密度。
13.根据前述权利要求中任一项所述的背层，其中，所述细丝具有至少20cN/Tex的韧度，优选地其中所述细丝具有至少25cN/Tex的韧度。
14.根据前述权利要求中任一项所述的背层，所述背层具有在80与400g/m2之间、优选在100与300g/m2之间的织物重量。
15.根据前述权利要求中任一项所述的背层，其中，单根细丝具有在10％与40％之间、优选在20％与35％之间的断裂应变。
16.根据前述权利要求中任一项所述的背层，其中，所述细丝还可包括一种或多种添加剂，所述添加剂优选地选自由抗氧化剂、UV稳定剂、颜料、加工助剂、除酸剂、润滑剂、抗静电剂、填料、成核剂和澄清剂组成的组。
17.根据前述权利要求中任一项所述的背层，其中，所述背层是热稳定的。
18.根据前述权利要求中任一项所述的背层，其中，所述细丝具有一个或多个沿着其纵向方向的细长凹槽肋。
19.一种制造高密度聚乙烯背层的方法，所述方法包括：
-提供多个具有至少945kg/m3的密度和最大2g/10min的熔体流动指数的高度取向的高密度聚乙烯细丝；
-编织所述背层，其中，所述高密度聚乙烯细丝用作经纱和纬纱。
20.根据权利要求19所述的方法，其中，所述背层是根据权利要求1至18中任一项所述的背层。
21.根据权利要求19或20所述的方法，还包括通过将所述背层加热至高于所述高密度聚乙烯的熔融温度来热稳定所述背层。
22.根据权利要求21所述的方法，其中，通过沿具有加热表面的主体供给所述背层来进行所述热稳定，所述背层的第一表面布置成接触所述加热表面。
23.根据权利要求21所述的方法，其中，通过引导所述背层穿过烘箱来进行所述热稳定，优选地其中所述烘箱具有在135℃与155℃之间的温度，并且其中优选地所述背层具有在10与120秒之间的停留时间。
24.一种制造聚乙烯热稳定人造草坪基底的方法，所述方法包括：
提供根据权利要求1至18中任一项所述的高密度聚乙烯背层或形成根据权利要求21至23中任一项所述的背层，所述背层具有上表面和下表面；
将绒面纤维整合到所述背层中以从所述上表面直立，其中所述绒面纤维包括聚乙烯；以及
将所述绒面纤维粘合到所述背层上以防止纤维拉出。
25.根据权利要求24所述的方法，其中，通过沿具有加热表面的主体供给所述基底来进行粘合，所述背层的下表面布置成接触所述加热表面。
26.根据权利要求25所述的方法，其中，所述加热表面在135℃与155℃之间，接触时间在20与35秒之间、优选在25至30秒之间。
27.根据权利要求25或26所述的方法，其中，辊布置成与所述加热表面相对以对所述背层加压，优选地其中施加在2与8巴之间的压力。
28.根据权利要求24至27中任一项所述的方法，还包括将热熔体或粉末熔体施加到包括相同聚合物材料的所述背层的下表面。
29.根据权利要求24至28中任一项所述的方法，还包括用聚乙烯膜层压所述背层的下表面，其中通过熔融所述膜进行层压。
30.一种基本上由聚乙烯材料组成的人造草坪基底，所述人造草坪基底包括背层，所述背层包括背部细丝和从所述背层直立的绒面纤维，其中所述背部细丝包括具有第一密度的聚乙烯，并且所述绒面纤维包括具有第二密度的聚乙烯，其中所述第一密度与所述第二密度的比值至少为1.01。
31.一种基本上由聚乙烯材料组成的人造草坪基底，所述人造草坪基底包括背层，所述背层包括背部细丝和从所述背层直立的绒面纤维，其中所述背部细丝包括具有第一熔融温度的聚乙烯，所述绒面纤维包括具有第二熔融温度的聚乙烯，并且所述第一熔融温度比所述第二熔融温度高至少2℃、优选至少3℃。
32.根据权利要求30或31所述的人造草坪基底，其中，所述背层是根据权利要求1至18中任一项所述的背层。
33.根据权利要求30至32中任一项所述的人造草坪基底，其中，所述背层具有上表面和下表面，所述绒面纤维簇绒到所述背层中，并且在所述下表面处彼此粘合或粘合到所述背层上。
34.根据权利要求30至33中任一项所述的人造草坪基底，其中，所述人造草坪基底包括至少98wt.％的聚乙烯、优选至少99wt.％的聚乙烯。
35.根据权利要求30至34中任一项所述的人造草坪基底，其中，所述绒面纤维布置成单纤维丝的束，每个束具有在10000dtex与15000dtex之间的线密度。
36.根据权利要求30至35中任一项所述的人造草坪基底，其中，所述单纤维丝的束至少部分地彼此熔融。
37.一种适合在根据权利要求1至18中任一项所述的背层中使用的高度取向的高密度聚乙烯细丝。
38.一种制造用于人造草坪基底的背层的高密度聚乙烯细丝的方法，所述方法包括
-向挤出机提供具有至少945kg/m3的密度和在1.5与2g/10min之间的熔体流动指数的高密度聚乙烯组合物；
-形成细丝；
-在机器方向上拉伸所述细丝以获得具有在100与2500dTex之间的线密度的带。
39.根据权利要求38所述的方法，其中，拉伸步骤中的拉伸比为至少4、优选至少5、更优选至少6。
40.根据权利要求38或39所述的方法，其中，所述细丝为带，并且其中形成所述细丝的步骤包括：
-将所述聚乙烯组合物挤出成挤出膜；
-将所述膜切成带。
41.根据权利要求40所述的方法，其中，所述膜挤出穿过具有至少一个肋状表面的成型模头。
42.根据权利要求38至41中任一项所述的方法，其中，所述高密度聚乙烯细丝适用于根据权利要求1至18中任一项所述的背层或根据权利要求30至36中任一项所述的人造草坪基底。
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