运动地面涂层与运动安全
发布时间: 2007-06-01 | 作者: | 访问次数: 836
运动地面有其特殊性,首先,作为直接与运动员接触的界面,在运动员做出急停、跑、跳等动作时,在不妨碍其动作的前提下,需要最大程度的保证其安全;其次,作为专业场所,运动地面必须能够提供良好的运动性能。要保证这两点,施用运动地面涂层是必须的。此外,作为日益商业化的运动产业,具有良好观赏效果的运动场地是必须的,运动地面涂层更能提供这方面的功能,其亮丽的光泽,饱满的底蕴提高了现场转播及观赏的效果。运动地面涂层正日益受到运动建材产业的关注。

一、运动地面涂层发展概述
    大多数的运动地面为木质地板,因此许多运动地面涂层产品是针对运动木地板开发的。作为运动木地板的传统装饰护理方法是在其表面涂覆油漆,油漆的高挥发性溶剂含量使其已远远不能满足人们和环境的要求。在这种情况下,水性丙烯酸酯乳液涂料和水性聚氨酯涂料陆续被开发出来。丙烯酸酯类乳液涂料无毒无害,以水作为溶剂,使环境得到了改善。这类共聚物具有较好的热稳定性、光化学稳定性和抗氧化性。它作为木地板的成膜材料,有很好的光泽、成膜性能、附着力等性能。但丙烯酸(酯)乳液抗刮伤性等比较差,低温变脆、高温发粘等。特别是作为运动场木地板,对涂层的耐磨性、抗刮伤性的要求非常高。普通的丙烯酸(酯)乳液无法胜任上述使用场合。聚氨酯乳液涂料除具有丙烯酸(酯)乳液的优点外,还具有耐磨性好等优点,但它的价格很贵,是一般漆类的十几甚至二十几倍,且耐污和抗黑胶印性能较差。目前市场,性能较好主要有三类产品分别是有机硅改性的丙烯酸酯乳液、聚氨酯与丙烯酸复配乳液及重载双组分乳液。
    1.有机硅改性的丙烯酸酯乳液
    有机硅化合物具有较低的表面自由能[1],且当和丙烯酸(酯)共聚成硅树脂后,涂层可以形成稳定的硅氧烷膜,因此涂膜具有很好的憎水性、耐污性和耐磨性。另外,作为运动涂层的重要性能之一,防滑性对于运动安全性有非常重要的作用。过大过小的静摩擦系数都可能对运动员造成运动损伤。作者即针对这几点,合成了有机硅改性的丙烯酸酯乳液作为运动木地板护理涂层的核心材料,提高了涂层的耐水性、耐溶剂性、耐磨性、抗刮伤性和耐候性;并采用纳米粒子修饰改性涂层表面微观结构,有效控制了涂层的防滑性能,正逐渐成为运动地面涂层市场的名牌产品。
    2.聚氨酯与丙烯酸复配乳液及重载双组分乳液
聚氨酯与丙烯酸复配乳液综合聚氨酯与丙烯酸的优点,采用复配的技术及科学配方,扬长避短,尤其在涂层耐磨性上有很大提高,但在耐水性及耐污性上有欠缺。重载双组分乳液主要用在重载场合及承受剧烈运动的场地,具有优良耐磨性,乳液含有改性聚氨酯,产品使用时加入第二固化组分,减少其成膜时间。

二、运动地面涂层合成技术的研究进展
    有机硅改性的丙烯酸酯乳液合成技术是目前的研究热点。有机硅改性的丙烯酸酯乳液采用种子乳液聚合的方法[2],用反应型有机硅单体和丙烯酸酯乳液接枝共聚,得到具有核壳结构的硅改性的丙烯酸酯复合乳液。复合乳液的聚合物粒子中含有Si-OH活性基团,成膜固化时,在催化剂的作用下,聚合物链上的Si-OH活性基团相互缩合、交联,生成Si-O-Si键。同时聚合物链上的Si-OH活性基团也和基材表面的羟基(如木地板纤维素上的-OH羟基)脱水交联形成分子间稳定的硅氧烷膜(见图1)。因此,可明显提高固化后涂层的耐磨性、硬度、附着力等性能。且Si-O共价键其键能比较大,约为432kJ/mol,有着良好的对热、对光稳定性,耐候性好。此外,网状的硅氧烷结构其表面自由能较低,疏水性好,使固化后的涂层的在耐水、耐污及耐擦洗性方面表现较好。

图1 涂膜形成过程图

    根据笔者的研究结果,粒径是聚合物乳液的重要参数,它对核壳聚合物乳液的应用有很大的影响。纳米粒子尺寸保证了聚合物乳液在成膜时,聚合物微球之间的很好的融合性。这样聚合物乳液作为涂膜时,具有很好的成膜性能、流平性能和很好的光泽。有机硅分布在壳中样品的粒度分析和透射电镜照片见图2,结果显示,聚合物乳液的平均粒径为99.5nm,且聚合物粒子呈现出特殊的边缘为齿状的球体。


三、运动地面涂层的安全性
    涂层的防滑性,并非摩擦系数越大越好,当摩擦系数过大时,地面会很涩,运动员会因滑动困难而导致脚踝受伤;当摩擦系数太小时,运动员就无法控制其在地面上的滑动,容易滑倒而摔伤膝盖[3]。因此,涂层的静摩擦系数应在合适的范围,在ASTM标准中即规定运动木地板涂层静摩擦系数0.5以上[4,5]。作者多年研究发现,调配产品中聚乙烯蜡质分散体的量,可以在一定范围内进行静摩擦系数的调配。如图3为涂层的膜表面微观结构,微小的颗粒即为聚乙烯蜡质分散体。由于聚乙烯的分子量比较小,成膜时会发生“漂移”而比较集中在涂层的表面,这种涂层的表面结构对于控制表面的静摩擦系数有非常积极的作用,通过调配产品中蜡质分散体的量可以灵活控制涂层的静摩擦系数。当产品中蜡含量分别为0%和5%时,用ASTM(James Machine)的测定方法,在PVC基材上测定了涂层膜的静摩擦系数分别为0.47和0.58。兼顾防滑性及涂层其它性能可取适当蜡含量配制涂层,其静摩擦系数符合标准。同样用DIN18032测定方法,所开发的产品在运动木地板基材测定滑动摩擦系数见表1,均在标准要求的0.4~0.6范围之内。

四、运动地面涂层表征
    以乳液为核心材料,加入润湿剂、稳定剂、成膜助剂、流平剂、增塑剂、聚乙烯蜡乳液、消泡剂等复配成亮丽膜运动木地板涂层,由上海市涂料研究所进行性能测定,结果见表2。
1. 光泽和耐久性

2. 耐污性能

五、工程应用实例
    涂层的施用不仅能起到保护运动员、延长地面寿命的作用,另外还有非常好的装饰效果。通常施用涂层后的地面具有很好的防滑性能、脚部感觉柔和(没有油漆的僵硬感)、不易产生运动疲劳和损伤、优良的视觉感觉(没有非常强或刺眼的反光效果,不会对运动员造成视觉疲劳)以及很好的电视转播效果。图4显示了亮丽膜运动木地板涂层在部分专业的运动比赛、训练场馆的应用效果。

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