JP4049778B2

JP4049778B2 - 人工芝

Info

Publication number: JP4049778B2
Application number: JP2005026427A
Authority: JP
Inventors: 重幸深澤; 克夫翠川; 実河合
Original assignee: Kotobuki and Co Ltd
Current assignee: Kotobuki and Co Ltd
Priority date: 2005-02-02
Filing date: 2005-02-02
Publication date: 2008-02-20
Anticipated expiration: 2025-02-02
Also published as: JP2006214119A

Description

本発明は、屋外もしくは屋内のサッカー、ラグビー、野球、ホッケー等のスポーツを行うグラウンド、人工スキー場、学校等の体育施設、マスゲーム等を行うスタジアム、ビル・家屋等の屋上や壁面等に敷設する天然芝を代替する敷設物としての、天然芝に近い安全で快適な人工芝に関するものである。

従来、天然芝に代えてスポーツ用のグラウンド等に用いる材料や敷設物として様々な提案がなされ、実用化されている。例えばナイロン或いはポリプロピレンのパイルに目砂と細粒ゴムチップを充填することにより、衝撃吸収性の優れた天然芝に近い感触の人工芝が提案され実用化されている。或いはナイロンやポリエチレンのパイルを多段に設けたり、クッション性に優れるパッドを用いたりするなどして同様に天然芝に近い感触をもたらす工夫が行われている。しかし、これらはいずれも材料の特性上、競技者の転倒時に摩擦熱による火傷等の負傷の恐れが大きく、それを防ぐために適宜水を散布するなどの措置が採られているが、ボールが濡れたり競技者がスリップしたりする恐れが生じ、逆に競技にマイナスの影響を齎す場合も多い。

そこで、人工芝に水分を保持させて、転倒時の火傷を防ぐ方法や材料が提案されている。例えば、内部に潮解性物質を含有した多孔質膜もしくは多孔質中空糸をパイルに用いる方法（特許文献１参照）、天然もしくは合成繊維から成る親水性のパイル糸を用いる方法（特許文献２参照）、吸水性樹脂微粒子を人工芝に散布する方法（特許文献３参照）、塩化ビニル製マイクロカプセル内に水を包含させる方法（特許文献４）、吸水性ポリマーを一次基布に用いてタフテッドパイルとする方法（特許文献５参照）、親水性ポリマーを含む中空糸をパイル糸として用いる方法（特許文献６）等が知られている。しかし、これらの方法では、親水性の高分子材料に充分な含水率を持たせようとすると、その強度や感触に問題を生じるために、未だ天然芝と同等の機械的性質や感触を持つ材料や敷設物は得られていない。
特許第２８３７７６４号公報特開平６−０３３４１２号公報特許第３２４５９７４号公報特許第３４０１６５１号公報特開平７−３２４２７６号公報特開２０００−０２７１１３号公報

上記の如き問題点を解決するためには、充分な含水率を保有していても充分な機械的性質を有しており、剛性や表面の摩擦抵抗の自由度があり、また、人工芝を作製するのに通常用いられる繊維化、フィラメント化、フィルム化を始め、混紡、積層等の複合化やパイリング等の適用を可能とする加工の自由度に富み、紫外線吸収剤や着色剤添加等による改質の自由度も有し、更に重要なことは大量に使用可能なコストや製法の妥当性を有する材料を見出すことが重要な課題である。

さらに重要なことは、使用に際して材料の特性が急激な変化をもたらさないことであり、そのために充分な含水率を有していても、その変化が穏やかであるかあるいは含水率に応じての急激な物性の変化をもたらす変異点を有していないこと等が望まれる。

本願発明者らは、上記の従来技術の問題点やそれを克服するための課題の認識に基づいて、鋭意好適な材料を見出すべく調査・研究を重ねた結果、含水ゲルの中に特異的に、高度の含水状態でも、驚くべき強度や伸び等の機械的なタフさを有しており、また表面摩擦抵抗の可変性の自由度も大きい特殊な含水ゲルの存在を見出した（Jian Ping Gong et al., ADVANCED MATERIALS 2003.15, No. 14, 1155-1158（２００３年）、特開２００２−２１２４５２号公報参照）。

本発明は、上記の特異な含水ゲルの特性を活かした人工芝を形成することにより、天然芝に近い性質を人工芝に付与し得て、上記の既存・公知の技術の問題点を解決できることに想到してなされたもので、本発明の人工芝は、パイルと、そのパイルを植設されるパイル基材とを具えてなり、前記パイルおよびパイル基材の少なくとも一方が、引張り破断強度０．３MPa以上、破断伸度２０％以上、圧縮破断応力５Mpa以上、圧縮破断一軸変形５０％以上、含水率３０重量％以上１００重量％以下であって、２５℃相対湿度１０％以上の開放環境下での乾燥速度が1時間あたり含水重量の５０％以下である含水ゲルを含んでいるものである。

上記含水ゲルは、炭素数２以上１０以下のアルキル基を含むカルボン酸、スルホン酸及びリン酸のいずれかの有機酸のアクリルアミドもしくはメタクリルアミド系高分子からなる架橋構造と、カルボン酸、スルホン酸及びリン酸のいずれをも含まないアクリルアミドもしくはメタクリルアミド系高分子からなる架橋構造との二重架橋構造を有するようにすることで構成することができる。

この含水ゲルは、転倒時等摩擦による怪我・火傷を防ぐために必要な充分な水分を保有している状態で、高い破断強度や破断伸び等の機械的性質を有しており、それゆえ人工芝の材料として必要かつ重要な特性を有しているので、その利用により従来技術の欠点や問題点は大幅に改善される。

さらに、この含水ゲルを他の非含水ゲル高分子材料と複合化しても良く、このようにすれば、従来解決困難とされていた天然芝に近い機械的性質と感触ならびに安全性が満たされるので、有用である。

さらに詳しく述べると、かかる含水ゲルを、その平均組成、表面近傍の組成および架橋度を調節することに加えて、ナイロンやポリオレフィン等の非含水ゲル高分子材料と適度の割合で複合化してなるパイルをパイル基材に植設（パイリング）することにより、天然芝に近い感触、弾力性、含水率、その乾燥速度等が実現でき、また、パイル基材内部やパイル基材の下から適当に水分を補給することにより、パイルに常時一定した含水率、感触や物性を維持させることができる。

天然芝に近い物性や感触を得るための上記の如き含水ゲルと非含水ゲル高分子材料との複合化のための方法は、特に限定されず、混紡あるいは、ゲル高分子を合成する際の非含水ゲル高分子の混合等各種の方法が考えられるが、含水ゲルを内部に包含するようにフィルム状の非含水ゲル高分子の皮膜を含水ゲルに被せたパイルや、含水ゲルを間にサンドイッチ状に挟んで非含水ゲル高分子材料のフィルムと積層化したパイルは、多量の水を含んだ含水ゲルをパイル表面に出さずに、天然芝に近い状態を実現する有効な手段である。

また、その複合化の際に、表面を覆う非含水ゲル高分子材料に適度の湿り気を持たせたり、安全性を一層高めるために、連続多孔性の非含水ゲル高分子材料を用いたりすることも有用である。

さらに、含水ゲルをパイル基材の少なくとも一部として用い、そのパイル基材に上記の複合化された材料や非含水ゲル高分子材料から構成されるパイルを植え込む方法も有効である。

また、上記人工芝を実際の天然芝に代わるものとして用いるためには、長期の屋外暴露に供する場合に耐候劣化を防ぐための紫外線吸収剤の添加や、天然芝と同様の緑色化加工等を適用することも有用である。

以上述べたように、本発明によれば、転倒による摩擦熱の発生で怪我をする恐れが軽減され、耐久性に優れ、しかも表面の状態を天然芝に近い状態に容易に制御できる人工芝を得ることができる。

以下に本発明の実施の形態を示すが、本発明の範囲はこれらの実施の形態に制限されるものではないことは言うまでもない。

本発明の実施の形態としては、先ず、数モル％の架橋剤と少量の重合開始剤を含む、最初の架橋体を形成する原料、例えばアクリルアミドメチルスルホン酸水溶液をガラス基板の上に薄く均一に塗布し、全体を不活性ガス雰囲気下に充分置換することによって水溶液中の酸素を完全に除去し、雰囲気を相対湿度１００％とした後に、紫外線を均一照射して最初の架橋体を合成する。

次いで引き続き不活性雰囲気下に、この最初の架橋体を、少量の架橋剤と重合開始剤を含む、二番目の架橋体を形成する原料、例えばアクリルアミド水溶液に浸漬するか、あるいは前者に後者を噴霧・浸透せしめ、上記と同様に相対湿度１００％の雰囲気下に系を平衡状態に達せしめた後、紫外線を照射して二番目の架橋体を合成し、二重架橋構造を有するゲルを合成する。

上記の最初の架橋体を形成する原料としては、炭素数２以上１０以下のアルキル基を含むカルボン酸、スルホン酸及びリン酸のいずれかの有機酸のアクリルアミドもしくはメタクリルアミド系高分子が望ましい。

また、上記の二番目の架橋体を形成する原料としては、カルボン酸、スルホン酸及びリン酸等のいずれの有機酸をも含まない、アクリルアミドもしくはメタクリルアミド系高分子が望ましい。

そして、パイルに用いる含水ゲルの感触を天然芝に近づけるためには、それ自体の物性を天然芝に近づける方法や、他の高分子材料成形品との複合化が考えられ、例えば上記の方法で得られる含水ゲルに、ポリアミド系、ポリエステル系、ポリウレタン系、ポリオレフィン系、ポリ塩化ビニル系およびビニルアルコール系からなる非含水ゲル高分子材料群から選ばれる１種類以上の非含水ゲル高分子材料を複合することも可能であり、また有用である。

これらの複合化に当たっては、含水ゲルが含む水分量によって寸法を変えることを踏まえると、含水ゲルと非含水ゲル高分子材料とが化学的に結合していることは必ずしも望ましくなく、前者を後者が物理的に包接しているか、もしくは前者を後者がサンドイッチ状に挟んでそれらが積層されている方が望ましい。

これらの非含水ゲル高分子材料は、パイルの表面物性をできるだけ天然芝に近づけるために、表面の摩擦係数、表面エネルギー、熱伝導率等を調節するとともに、必要に応じて内部もしくは間の含水ゲルから適度の水分が表面に滲みでるように微小の連続孔を有していてもよい。

パイル基材へのパイルの植設方法については、特に限定されるものではなく、通常の人工芝に用いられている方法やカーペットに用いられている方法が、含水ゲルやそれと複合する高分子材料の特性或いは人工芝の用途に応じて適宜選択される。

また、別の実施の形態として、含水ゲルをパイル基材の例えば上部層等少なくとも一部とし、上記の複合化された材料や非含水ゲル高分子材料を適宜ひも状、糸状或いは薄いテープ状のパイルに形成して当該パイル基材に植設（パイリング）する方法により、競技者の転倒等によってパイル基材に強い表面応力が働いた場合にそのパイル基材を構成している含水ゲルから水分が浸出したり含水ゲルが露出したりするので、安全を高めることも可能であり、有用である。

また、人工芝は屋外で使用したり、屋内でも蛍光灯の光を浴びたりすることで紫外線劣化が懸念される処、本発明の実施の形態として、紫外線吸収剤等を含有させることによってこの問題を軽減することが可能であり、望ましい。

さらに、人工芝を実際に使用するに際し、本発明の実施の形態として、含水ゲルを含むパイルに、そのパイルを植設してあるパイル基材もしくはその下から水を供給する仕組みを設けることで、含水ゲルができるだけ一定の含水率を保持するようにすることも可能であり、また有用である。

また、本発明の人工芝に用いる含水ゲルの表面の摩擦係数、弾性率、伸び等の物性は、含水ゲルを構成する高分子架橋体の構造を制御することによっても達成できることは言うまでもない。

以下に本発明の具体的な実施例を示すが、本発明の範囲がこれらによって限定されるものでないことは言うまでもない。

平滑・平坦なアルミニウム基板上に、深さ０．３mm、幅３mmの溝をほぼ隙間無く平行に形成し、そのアルミニウム基板上に非含水ゲル高分子材料としての両面親水化処理を施した厚さ０．１mmのポリプロピレンフィルムを密着させてそのアルミニウム基板を被覆した後、そのポリプロピレンフィルム上に前記Jian Ping Gong らの方法によって、４モル％のN, N’メチレンビスアクリルアミド（MBAA:架橋剤）と０．１モル％の２-オキソグルタル酸（重合開始剤）を含む１Ｍの２-アクリルアミド-２-メチルプロパンスルホン酸（PAMPS）の水溶液を流延するとともに、減圧と窒素ガス置換を繰り返して実質的に酸素の存在しない状態とし、相対湿度１００％下に均一に紫外線を照射して最初の架橋体を合成する。

次いで、当該最初の架橋体を上記アルミニウム基板およびポリプロピレンフィルムとともに０．１モル％のMBAAと０．１モル％の２−オキソグルタル酸を含む２Ｍのアクリルアミド（AAｍ）水溶液に浸漬して、平衡に達せしめた後、ゲルに含浸している水溶液以外の余剰のAAｍ水溶液を除去し、その後そのAAｍ水溶液に浸漬したアルミニウム基板上のポリプロピレンフィルムおよび最初の架橋体に、最初の架橋体を調製した時と同様、不活性雰囲気・相対湿度１００％の下に均一に紫外線を照射して、二重架橋構造体を合成する。

得られた二重架橋構造を有するゲルは、引っ張り破断強度１０Mpa、破断伸び６０％、圧縮破断応力８Mpa、圧縮破断一軸変形８０％の非常に優れた力学特性を示し、また、平衡含水率は８５重量％であって、２５℃相対湿度４０％の開放環境下での乾燥速度が最初の１時間あたり含水重量の２０％であった。

得られた二重架橋構造を有するゲルを、その上に上記と同じ厚さ０．１mmの両面親水化処理したポリプロピレンフィルムを密着させて被覆し、次いで、上記アルミニウム基板の溝を形成する山の部分でポリプロピレンフィルム同士を溶融圧着し、その部分で切断し、図１（ａ）に示すようにポリプロピレンフィルム１ａ（厚さ０．１mm）/含水ゲル１ｂ（厚さ０．３mm）/ポリプロピレンフィルム１ｃ（厚さ０．１mm）の３層構造の、幅３mmの複合テープ１を得る。

得られた複合テープ１からなるパイル１（説明の便宜上複合テープ１と同一符号で示す）を、図１（ｂ）に示すように、人工芝のパイル基材としてのウレタンマット２に、マット上面からのパイル長が１cmとなるように、１mm間隔で植設（パイリング）し、そのウレタンマット２の下面を底部基材（基礎部分）３に接合して人工芝４を形成する。

得られた実施例１の人工芝３に、熱電対を埋め込んだ厚さ１mmの鋼材で作られた直径５０mmの半球状の発熱測定用のプローブを押し付け、過重を５０kgから２００kgまで変え、長さを０．５mから２mまで変え、また掃引速度を５m/秒から２０m/秒へと変えて掃引しても、温度の上昇は観測されなかった。

また、上記実施例１の人工芝３をルームランナーに貼り付け、サッカーシューズを履いた体重７０kgのモニターが２０分間走行試験を行っても、若干のパイル１の切断、破損が見られるものの顕著な損傷は見られなかった。

また、上記実施例１の人工芝３上でテニスボールを１分間転がしても、水分による見かけ、手触りおよび重量に顕著な変化は見られなかった。

また、植設前の上記複合テープ１は、２５℃、相対湿度４０％の開放環境下で最初の1時間後の重量減少は２％であった。

実施例１と同様に調製した二重架橋構造を有する含水ゲル１ｂをサンドイッチ状に間に挟むポリプロピレンフィルム１ａ，１ｃを、３mm幅の溝の両側の山部分で加熱融着の代わりに５mm間隔で点圧着した後、そのポリプロピレンフィルム１ａ，１ｃと間の含水ゲル１ｂとの積層体を３mm幅のテープに切断して複合テープ１とし、当該複合テープ１をウレタンマット２に植設した後、当該ウレタンマット２の下部の複合テープ１のポリプロピレンフィルム１ａ，１ｃの一方または両方をテープ長軸方向に切り裂いて、含水ゲル１ｂが給水され易い状態とした後に、当該ウレタンマット２の下面を水供給手段としての通水性の良い給水基材５に接合し、さらにその給水基材５の下面を底部基材（基礎部分）３に接合して人工芝６を形成し、含水ゲル１ｂが一定の含水率を保持することができるような形態とした。

上記実施例２の人工芝６を温度３０℃、相対湿度３０％の開放雰囲気下に５時間放置した後、複合テープ１の重量変化を調べたところ、測定誤差内の変化であった。

なお、上記実施例１，２には記載しなかったが、本発明の人工芝では、含水ゲルをパイル基材の全体または表層等一部として、それに含水ゲルと非含水ゲル高分子材料との複合テープを植設したり、含水ゲルをパイル基材の全体または表層等一部として、それに非含水ゲル高分子材料からなるテープや繊維を植設したりすることも可能であり、またパイルの形状として、薄型のテープ状に限定されること無く、各種断面形状の糸状、ひも状、中空糸状等、各種の形状や、表面に内部の含水ゲルからの水分が浸出しやすい多孔質等の形状としても良い。

また、目的によっては、含水ゲル単独のパイルやそれと非含水ゲル高分子パイルとの混合パイルを用いることも可能である。

さらにまた、これらの人工芝のサーフェスの摩擦抵抗、弾性、湿潤性、耐久性等の特性は、含水ゲルの組成や架橋密度、含水量ならびに、複合する高分子材料の選択、植設するパイルの寸法と植設の密度や状態、パイルを植設するパイル基材の種類や構造、給水基材、底部基材、紫外線吸収剤等、様々な因子の選択によって容易にかつ幅広く制御することができる。

本発明の人工芝は、屋外、屋内を問わず、サッカー、ラグビー、テニス、ホッケー、野球、スキー等広範なスポーツを行うのに適した人工芝として利用可能であり、また、より広く学校、幼稚園、ビル、家屋、公共の広場等の各種の体育施設や遊戯施設等にも利用可能であり、さらに、最近のヒートアイランド現象を軽減するための、建造物を覆う人工芝、緑地、植栽ベースメントとしても利用することができる。

（ａ）は、本発明の人工芝の一実施例におけるパイルの構造を示す拡大斜視図、（ｂ）は、そのパイルを用いた上記実施例の人工芝の構造を示す断面図である。本発明の人工芝の他の一実施例の構造を示す断面図である。

符号の説明

１パイル（複合テープ）
２ウレタンマット（パイル基材）
３底部基材（基礎部分）
４実施例１の人工芝
５給水基材
６実施例２の人工芝パイル差込部

Claims

パイルと、そのパイルを植設されるパイル基材とを具えてなり、
前記パイルおよびパイル基材の少なくとも一方が、引張り破断強度０．３MPa以上、破断伸度２０％以上、圧縮破断応力５Mpa以上、圧縮破断一軸変形５０％以上、含水率３０重量％以上１００重量％以下であって、２５℃相対湿度１０％以上の開放環境下での乾燥速度が1時間あたり含水重量の５０％以下である含水ゲルを含んでいる、人工芝。
パイルと、そのパイルを植設されるパイル基材とを具えてなり、
前記パイルおよびパイル基材の少なくとも一方が含水ゲルを含んでおり、
前記含水ゲルが、炭素数２以上１０以下のアルキル基を含むカルボン酸、スルホン酸及びリン酸のいずれかの有機酸のアクリルアミドもしくはメタクリルアミド系高分子からなる架橋構造と、カルボン酸、スルホン酸およびリン酸のいずれをも含まないアクリルアミドもしくはメタクリルアミド系高分子からなる架橋構造との二重架橋構造を有することを特徴とする、人工芝。
前記含水ゲルが、ポリアミド系、ポリエステル系、ポリウレタン系、ポリオレフィン系、ポリ塩化ビニル系およびビニルアルコール系からなる高分子材料群から選ばれた少なくとも１種類の非含水ゲル高分子材料と複合されていることを特徴とする請求項１または２記載の人工芝。
前記非含水ゲル高分子材料が、前記含水ゲルを内部に包接し、もしくは前記含水ゲルを間にサンドイッチ状に挟んで積層していることを特徴とする、請求項３記載の人工芝。
紫外線吸収剤を含むことを特徴とする、請求項１から請求項４までのいずれか記載の人工芝。
前記パイル基材もしくはその下に水供給手段を具えることを特徴とする、請求項１から請求項５までのいずれか記載の人工芝。