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人造草坪的技术发展及应用
作者:管理员    发布于:2015-04-17 09:30:03    文字:【】【】【

1人造草坪发展概况 
   
  人造草坪在集体性体育项目,如美式足球、棒球、垒球、曲棍球以及橄榄球等项目的正式比赛场地中广泛使用。1994年世界棒球协会即开始使用人造草坪承接重大赛事。而在有着全球最大观众群体的足球运动领域,国际足联(FIFA)和欧洲足联(UEFA)最先认可了人造草坪可用作正式比赛场地,并激励重要的足球俱乐部,如皇家马德里、巴塞罗那、阿甲克斯等足球俱乐部适应人造草坪的比赛场地。其后的莫斯科欧洲足球锦标赛、西班牙的Francophnio世界足球锦标赛比赛场地也相继使用了人造草坪。 
  1996年美国休斯敦Astrodome体育场首次铺设了PA人造草坪,此后数年间,北美有超过 2 000 个人造草坪项目实施,欧洲大陆也有近 3 000 块人造草坪投入使用。对于人造草坪技术发展来说,保障活动人群的安全是首要任务。依据加拿大Fieldturf公司的应用研究结果,与天然草坪的安全性能相比,在人造草坪上从事运动或赛事的运动员其肌肉拉伤概率可下降 74%,韧带撕裂可下降 32%,脑部外伤可下降 55%,颈部伤害可下降 47%。 
  在环境与景观美化用途上,人造草坪可用于机场、公寓、写字楼、零售商店、宾馆、加油站、教堂、停车场、公共建筑物、游泳池、商业区及娱乐场所等。用作环境景观用途的人造草坪的使用寿命一般为 8 ~ 12 年,依据Fieldturf公司对 15 000 个人造草坪项目的实施经验,使用人造草坪可比常规的天然草坪节水达 70% 以上。而人造草坪项目的投资回报率也十分令人满意,其中景观类美化项目的回报率在100% ~ 200%,厨房设施类回报率在 75% ~ 125%,浴室类 20% ~ 120%,游泳池为 20% ~ 50%。 
  在人们观赏足球、网球、曲棍球等的电视直播节目时,人造草坪的色泽和外观也取得了视觉效果上的很大成功,而此时的欧洲市场,以PE和PP为主体的聚烯烃人造草坪纱也已形成了工业化生产规模。继纤维化扁丝草坪之后,菱形、扁平形、低腰三角形截面的异形单丝草坪纱、双组分或三组分草坪纱也相继进入市场。近年来,人造草坪纱的弹性回复率、纤维表面特性和生物力学性能(Biomechanical)等都取得了明显的改进。 
  人造草坪不需要割草修整,亦不需灌溉用水。废旧草坪的纤维、底布和填垫层可以 100% 回收再利用。目前人造草坪的研究开发、生产、品质检测、安装、维护以及废旧草坪回收已形成了完整的产业链。因此,人造草坪不仅具备优良的使用性能,还具有环境友好特征。 
  良好的使用性能和环境友好特征促进了人造草坪市场的不断发展。Fieldturf公司的人造草坪项目已达 1.5 万个,该公司航空级别的人造草坪已用于香港国际机场、旧金山国际机场、休斯敦机场和美国海军航空兵基地。荷兰TenCate公司的人造草坪已用于2000年悉尼奥运会、2004年的雅典奥运会和2008年北京奥运会的曲棍球比赛场地。2009年6月,国际足球联合会将人造草坪称为“足球运动的未来”并对欧洲体育运动设施建设及人造草坪在全球的使用前景持十分乐观的态度。足球是全球有着最大参与和观赏群体的体育运动之一,对于合成纤维草坪产品来说是一个巨大的市场,也是一个高技术含量、对环境友好性要求较高的领域。 
   
  2人造草坪纱的生产及技术特征 
   
  2.1人造草坪纱的制造工艺 
  人造草坪纱广泛使用PE、LLDPE、HDPE、PP和PA为原料。其加工过程主要分为 4 个部分,即螺杆挤压机与成形系统、牵伸区、松弛定形区和卷绕装置。图 1 为人造草坪纱的生产工艺流程。 
   
  正式比赛场地使用的人造草坪纱对品质的要求较为严格,通常生产设备选用Φ100 mm螺杆挤压机,采用双纺丝组件形式,纺丝头直径Φ425 mm,设备产能在 250 ~ 350 kg/h之间,生产线加工速度 250 ~ 450 m/min。 
  目前人造草坪加捻纱可使用Oerlikon Barmag(欧瑞康巴马格)公司的DD2000GT加捻机,该设备可加工PA、聚烯烃草坪纱等,加工纤度范围在 8 000 ~ 14 000 dtex之间,生产速度 70 ~ 250 m/min,纱线捻度可控制在 20 ~ 40 捻/m。在加捻纱生产中也可以选用瑞士Rieter(立达)公司的DT660型加捻机,加工速度 70 ~ 250 m/min,加捻纱卷装重量 6 kg。 
  变形加工一般使用 8×550 dtex、6×200 dtex的草坪纱。在加工螺旋形包敷纱时多使用 8×550 dtex、6×2 000 dtex规格的原丝,螺旋形包敷用纱多为涤纶DTY,成品纱螺旋形包敷数可达 30 ~ 55 个/m。 
  人造草坪编织通常采用簇绒或机织工艺,而美国Berkshire公司开发的专用于曲棍球比赛场地的草坪“Elite”则采用了针织工艺。 
  用于正式比赛的美国Polyturf公司XTP系列簇绒人造草坪使用 11 000 dtex 的PE单丝草坪纱,纱厚 150 μm。其簇绒工艺为:隔距 0.5 英寸,每码成圈数 108 ± 10,每平方码成圈数 7 776,绒高 60 mm,产品克重 147 kg/m2。该人造草坪的基本性能要求为:色牢度 ≥ 7(蓝卡),灰卡 ≥ 4,抗UV稳定性 > 6 000 h,水透过率在 ±15 加仑/(m2 • min)以内。 
  2.2人造草坪纱的品种与技术特征 
  人造草坪纱的品种呈多样化发展趋势,诸如双色草坪纱、单色包敷纱、单色变形纱、双色包敷纱、加捻纱和变形包敷纱等。 
  LLDPE、HDPE和PP人造草坪纱的纤度范围在 1 000 ~ 2 000 dtex之间,PA草坪纱多在 500 ~ 900 dtex之间,通常需要 6 ~ 8 股单纱合并而成 6 600 ~ 12 000 dtex成品纱而用于下一步织造。 

  环境和景观用单丝类草坪纱,采用PP或PE为原料,单纱纤度 1 100 ~ 2 000 dtex,纱厚 110 ~ 150 μm,纤维截面呈扁平形,草坪纱规格包括 8 800、11 000、16 000 dtex等 3 种。该产品为双色纱,具有抗UV性能。 
  运动领域的单丝类草坪纱多采用PP或PE为原料,单纱纤度在 1 100 ~ 2 000 dtex之间,纱厚 110 ~ 270 μm,纤维截面呈菱形,草坪纱规格 8 800/11 000/16 000 dtex。该产品也为双色纱,具有抗UV性能。 
  运动场地草坪所用扁平纱或裂膜型扁平长丝类草坪纱多以PP或PE为原料,单纱纤度 5 500 ~ 20 000 dtex,厚度 60 ~ 110 μm,纤维截面呈矩形,草坪纱规格 6 600 ~ 11 000 dtex。该产品呈田园绿色或橄榄绿色,具有抗UV性能。 
  使用PP或PE为原料的扁平纱或裂膜型扁平长丝草坪纱,一般用于陆地铺敷草坪。单纱纤度 5 500 ~ 11 000 dtex,厚度 60 ~ 110 μm,纤维截面呈矩形,草坪纱规格 6 600 ~ 11 000 dtex。该产品也呈田园绿色或橄榄绿色,具有抗UV性能。表 1 为比赛场地用人造草坪纱的品质指标。 
   
   
  3人造草坪及其纤维技术的新进展 
   
  目前人造草坪纤维技术的研究与开发正进入一个以聚合物材料、人造草坪制造工艺和纤维材料生物力学为突破点的革新时期,开发柔软、强度高、使用寿命长的高性能草坪纱是企业生存和发展的需要。如Fieldturf公司将新型聚合材料、加工工艺和纤维结构研究作为企业发展和拓展市场的 3 个基点。该公司开发的被誉为“革新性的人造草坪纱”新品种具有如下特点:①原料聚合物有良好的抗撕裂性和抗降解性能,同时开发了具有超强抗紫外线功能的树脂产品;②Fieldturf公司和合成材料加工企业德国Motor公司合作,采用最新的精密挤压成形系统,以确保草坪纱具有良好的品质,即赋予草坪纱优良的强力和完美的纤维表面反射特性;③新型草坪纱具有错综交互的凹面和隆脊表面结构,改善了纤维的断裂点,并赋予纤维类似天然草坪的风格。预计在未来数年中,单丝人造草坪纱所占市场份额将有较快增长。 
  3.1高性能三组分单丝草坪纱的研究 
  双组分纺丝工艺是改善人造草坪纱品质最为实用的方法之一。但在复合纱的牵伸加工中,两种聚合物组分易剥离的缺陷限制了它的广泛使用。为此,德国Reimotec公司开发了三组分复合草坪纱单丝,即使用LLDPE为皮层,以使单丝表面具有较低的摩擦系数,PA为芯层,可赋予纤维最佳的弯曲回复性能,而两种基本组分之间的第三组分即粘合层可明显改进皮芯组分剥离分层的状况,从而使人造草坪单丝的弹性回复性和表面摩擦系数得以兼顾。 
  随着纳米技术的发展,可添加纳米尺寸的粉末,旨在实现草坪单丝的功能化,改进草坪纱的抗霉菌性和阻燃性。将添加纳米银活性物质的LLDPE作为皮层,芯层使用PA原料起支撑作用,中间的粘合层添加纳米尺寸的氧化铝活性物。纤维芯部分有两个空穴。这种功能化的纳米三组分单丝对于人造草坪纱来说,是一种全新结构的产品。 
  3.2新型人造草坪纱 
  变形纱以及具有特殊柔软手感的单丝已成为新一代草坪用纱。近年来,一步法双色纱,不同截面以及各种不同厚度的单丝草坪纱已进入市场。捷克Lanex公司开发出一种截面呈几何形的单丝,用作人造草坪纱。如使用LLDPE为原料、截面为菱形的单丝纱,单纱规格 200/1 100/1 375 dtex,通常将 6 ~ 8 股单纱合并成 8 800 ~ 12 000 dtex草坪纱再进行织造。菱形草坪纱具有优良的振动能量释放功能,同时还有十分好的弯曲回复性能。 
  荷兰Tencate公司可以提供以PE为原料、截面为低腰三角形和扁平中间凸起的异形截面草坪纱。该公司开发的商品名为“Thiolon”、经过动态卷曲处理(Dynacurl)的PE系列草坪纱,具有保水、耐UV、回弹性优良和重金属含量极低等特点,目前已大量用于曲棍球比赛场地。表 2 为Thiolon人造草坪纱的性能特征。 
   
  对于人造草坪纱,抗霉菌性能是十分严格的指标,美国Astro公司开发了一种名为“alphasan”的系列抗霉菌草坪纱,抗霉菌添加剂是含银磷化锆系列的离子交换树脂,对人体无害,但对微生物具有广谱抗菌功能。“alphasan”抗霉菌剂添加量依据产品的规格和用途可进行调节。 
  Astro公司还开发了人造草坪霉菌屏蔽技术即“Bio-shield”。该技术利用微生物在蟹壳表面不能生存的机理,以虾蟹壳中的甲壳素为原料制成了壳聚糖,然后将壳聚糖置于弱有机酸中,配置成生物屏蔽剂“Bio-shield”。将屏蔽剂施于草坪纱上,可强化人造草坪抑制细菌、霉菌生长及异味产生的能力。目前该项技术已用于Astro公司三大人造草坪纱系列中。 
  3.3人造草坪环境友好技术的开发 
  3.3.1草坪纱的回收利用技术 
  人造草坪的开发和使用日益注重其环境友好性能。目前人造草坪已可 100% 回收再利用,如Fieldturf公司开发了专门用于废旧草坪的拆除、收集和回收再利用的技术,并将北美地区的 4 000 余家人造草坪用户纳入使用/维修/回收再利用的循环系统。公司还设有专门的工厂从事废旧人造草坪的清除、收集、磨碎和造粒,并最终加工成制品,如仓储用的垫、高速公路贮料桶内衬、手提袋等重新投放市场。 
  3.3.2草坪填垫材料的无害化 
  草坪填垫材料多使用橡胶粒料、沙石或两者的混合料。鉴于使用橡胶材料可能带来的环境危害,自2005年起,无污染草坪的研究相继展开。使用变形纱或高柔软的草坪纱制成草坪可减少填垫层的使用量。Polyturf公司开发的新一代“Xtreme”草坪,即为无填垫层草坪。 
  3.3.3人造草坪底布的完全回收再利用 
  美国Envylown公司专门建立了“Duraflo � EEBS”系统,对超过使用期限的人造草坪中第一层聚烯烃底布和第二层PP纺粘非织造布、PU等相关热塑性材料进行有序回用。 
  3.4再生瓶片料生产的人造草坪纤维 
  英国Hitech Turf公司使用再生切片制得的草坪纱,即“HT”系列人造草坪,草坪绒高 30 mm,主要用于儿童娱乐和宠物活动场地,使用寿命约 5 年。 
  3.5人造草坪产品的系列化与质量认证 
  为了最大限度地满足和适应使用方的要求,无论是运动草坪还是景观装饰用草坪都必然要求产品规格和性能的专用化。 
  如美国Astroturf公司人造草坪产品的稳定性、滑动性、与皮肤的摩擦性能、冲击吸收性等指标均符合ISO9001的要求,并被国际足联推荐为正式比赛场地用草坪。Astroplay 3D/Z65X是专用于足球的PA系列人造草坪;AstroturfNSF48/90是专用于曲棍球的PA系列人造草坪;而Astroplay55N是得到国际足联认可的专供业余足球学校和训练场地的PA人造草坪。
  Eagle公司使用Tencate公司的纤维制得的Aqua � Satia LSR系列人造草坪,绒高 12 mm,专用于曲棍球比赛场地,并得到世界曲棍球联合会(FIH)的认可。该公司Asi � Court系列人造草坪中的XP � Pro16型号产品,绒高 16 mm,专用于网球场地,得到了世界网球联合会(ITF)的认可。 
  Eagle公司的Eaglelawn系列产品是专用于景观与环境修饰的人造草坪。美国Fake公司的LXR聚烯烃单丝系列专用于居住小区的人造草坪。 
   
  4人造草坪的成本效率分析 
   
  4.1人造草坪的收益分析 
  人造草坪每天可使用的时间比天然草坪要长 40%,从表 3 可以清楚地看出,人造草坪的年收益率比较高,是天然草坪的 2.5 倍左右。 
   
  4.2天然与人造草坪的维修保养量比较 
  相对而言,人造草坪的维修保养工作量较少,仅有人力费用、设备折旧和再修整等的开支。以 8 000 m2来核算,其年维修成本在 5 000 美元左右。而天然草坪的维修保养项目繁多,工作量大,主要包括机械设备(占维修费用的 13.5%)、人力支出(11.4%)、剪修费用(5.0%)、肥料(9.2%)、种子储备(0.9%)、修芯费用(5.5%)、草坪修饰(18.2%)、草皮搬动(0.4%)、灌溉(1.6%)、设备折旧与燃料(6.7%)、水费(10.3%)、再剥片修理开支(16.9%),总计全年维修费用在 52 500 美元左右,为人造草坪的 10 倍以上。 
  4.3人造草坪的成本分析 
  以 8 000 m2的运动草坪场地为例,使用期为 10 年,人造草坪与天然草坪的成本构成如表 4 所示。 
   
  4.4人造草坪使用的安全性 
  为了得到安全和高性能的人造草坪,草坪纱的生物力学性能(Bio � Mechanical)受到广泛重视。从运动医学角度来说,人造草坪的摩擦性能是最为适宜的,且人造草坪对于其承受的扭力冲击也具有很好的释放功能,因此作为比赛用草坪来说,运动员发生意外的几率,如膝盖、脚踝等部位的非接触性创伤可降至最低。研究还发现,和天然草坪比较,人造草坪的减震性能更为优良,这也是人造草坪较少出现运动伤害的原因之一。 
  Fieldturf 公司选择一块专门的足球场地,进行了为期 3 年的人造草坪与天然草坪的使用实验。从结果来看,运动员出现的伤害明显下降:肌肉伤害降低 74%,外伤降低 42%,韧带伤害降低 32%,猛烈动作造成的伤害降低 22%,冲击伤害降低 19%,足球鞋表面接触性伤害降低 10%。 
  无独有偶,该公司在另一所高等学校的足球场地进行的为期 5 年的同类试验也显示,使用人造草坪,运动员脑部及颈部外伤的几率降低 47%,三级外部伤害降低 38%,不确定的伤害降低 55%。 
  根据美国NCAA创伤监视系统,对大学中男女运动员的受伤几率进行测试,结果显示:对女运动员来说,在人造草坪上面部伤害的几率为 11.2%,而天然草坪则为 15.5%;对男运动员来说,在人造草坪上面部伤害的几率为 6.6%,而天然草坪则为 7.8%。 
   
  5人造草坪的市场供需状况及分析 
   
  5.1国外人造草坪的市场发展 
  据估计,世界人造草坪市场中,美国占据近一半的份额,欧洲占 23%,中国占 10%,亚洲其他地区占 8.5%,中东和印度占 10%,拉丁美洲占 3%。 
  人造草坪原料市场的构成大体为:PE占 68%,PP占24%,PA占 7%。 
  按应用领域来分,足球场地约占 51%,曲棍球场地占5%,网球场地占 2%,其他运动场地约占 4%,休闲草坪占33%,景观或环境装饰用草坪占 5%。 
  20世纪70年代,以聚烯烃为原料的人造草坪在欧洲已形成工业化生产规模,一些企业使用簇绒工艺制得绒高较低的人造草坪,并用于曲棍球比赛场地,即为第二代人造草坪。由于扁平草坪纱表面的滑动性能以及石英砂填垫层存在着对运动员产生伤害的可能,因而未应用于足球场地。 
  1990年出现了以PE为原料的第三代人造草坪,草坪纱的安全性和使用性取得了根本性改观,绒高超过了 40 mm,填垫层材料扩大到橡胶粒和砂粒。人造草坪舒适性和均匀性的提高使其具备了进入足球运动领域的条件。 
  进入21世纪以来,人造草坪生产技术的进展主要体现在以下几个方面:草坪纱柔软性能;高性能纤维的性能研究;新型填垫材料及无填垫草坪开发;建立 100% 可回收再利用人造草坪可持续生产系统;草坪产品的性能规范和准则等取得了重大进展,一种全新的研究方法呈现出第四代人造草坪的基本特点。 
  5.2国内人造草坪的技术与市场 
  我国人造草坪的开发始于20世纪80年代初期,可以说基本与PP裂膜纤维的生产同步。目前国内使用的草坪纱主要还是 11 000 dtex聚烯烃扁丝,部分进口草坪纤维的规格为 8 × 1 250 dtex。相当多的企业如惠州利蒙塔公司、北京火炬、无锡奥林、昆山三泰敷织公司等直接使用荷兰Tencate公司纤维原料。 
  目前国内从事人造草坪生产的企业达数百家,从业人员约 22 万 ~ 28 万。多数企业以运动敷地材料项目的设计安装为主业。人造草坪的纤维生产不甚规范,高性能单丝草坪纱的研究开发几乎呈空白状态。目前国内生产的人造草坪价格大约是国外同类产品的 1/4 ~ 1/3(国内人造草坪价格为 5 ~ 20 美元/m2,国外同类产品的价格为 30 ~ 90 美元/m2),且大都为粗放经营的低档次产品或采取“来料加工”方式生产的产品。整个行业的发展状况略好于第一代人造草坪的水平。 
  进入21世纪以来,世界人造草坪领域的重要生产商美国ACT公司、荷兰Tencate公司等已进入中国市场,他们推出的稳定性高、性能强化的人造草坪以及废旧产品的回收再利用技术和快速安装施工系统,已具备了第四代人造草坪的特征。面对全球性的竞争,国内企业如不能在草坪纤维的品质上提高档次,是很难进入国际运动场地用人造草坪市场的。 
  增强人民体质是我国的基本国策,这将会促成一个庞大的体育运动人群。基于国内现有 600 多个县市、2 000 余所大专院校体育设施和训练中心的需要,以及职业化以来各重大体育项目和相关俱乐部训练场地的需要,特别是随着国家“十二五”规划的实施,不少省市在体育事业的建设上都有运动场地达到“人均一平米”的设想,应该说这是国内人造草坪技术发展一次难得的机会。 
  另外,随着国家“十二五”规划的实施,国内城市化进程明显加快,环境装饰和景观草坪的需求也会有较快增长。曾有预测认为,中国可能成为仅次于美国的全球第二大人造草坪市场。 
   
  6结束语 
   
  人造草坪及其纤维材料是一种技术含量较高,且对产品质量要求又十分严格的产品,因为它直接关系着运动员及其他从事体育活动人群的安全和健康。 
  近年来,世界人造草坪在原料、加工工艺和纤维材料的生物力学性能等方面的研究取得了变革性进步,亦展现出一定的市场潜力,这无疑是国内人造草坪及纤维技术发展的一次机遇。 
  国内人造草坪的开发起步虽不晚,但目前的产品质量和技术水平仍较低,经营状况和技术发展理念与当今世界第四代人造草坪的发展趋势不很协调。面对生存和拓展市场的双重压力,国内企业必须在高性能单丝的研究开发及严格的质量管理方面下工夫。 

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