复合型PVC塑胶跑道研究进展及其防滑耐磨高强度改性结构分析*

赵燕晶

（陕西铁路工程职业技术学院，陕西渭南714000）

聚氯乙烯（Polyvinyl chloride，PVC）是氯乙烯单体(vinyl chloride monomer,VCM) 在过氧化物、偶氮化合物等引发剂或在光、热作用下按自由基聚合反应机理聚合而成的聚合物[1]。利用PVC 加工而成的塑胶跑道是一种以PVC 及其共聚树脂为主体加入特殊比例的填料、增塑剂、稳定剂等，再经过特殊的加工工艺如共混、挤出、压延成型等最终获取的新型运动场地。随着政府、社会对体育教育改善工作重视程度的提升以及“毒跑道”等问题的出现，利用新型复合PVC 材料塑胶跑道取代一般矿渣、塑胶跑道正逐渐成为未来体育运动场地建设的必然发展方向。

1 复合型PVC 塑胶跑道对运动成绩的影响

1.1 对人体重心的影响

复合型PVC 材料具备较强的拓展性，能够通过添加不同辅助材料获得不同硬度的跑道，可以为不同用途运动场地提供针对性开发服务。质地较硬的跑道能够为运动员提供较短的支撑时间，该支撑时间差距通常在0.004s ～0.008s 之间，运动支撑时间的缩短能够使运动员的身体重心在水平轴的运动幅度降低，该降低幅度约在0.03 ～0.06m 左右[2]，进而一定程度上降低运动支撑阶段所消耗的时间，改变运动员支撑阶段的运动规律。

1.2 对后蹬动作的影响

与普通材质跑道相比，复合型PVC 材料能够为运动员提供更大的摩擦力，从而帮助运动员有效避免蹬地时的滑动。同时该类型材料能够获得远高于一般运动场地的表面平整度，对于运动员充分进行蹬地动作有较强的帮助，运动员的支撑腿即便不产生充分的蹬直动作，也能够获得足够的蹬地力量。据文献资料得知，利用复合型PVC 材料加工而成的塑胶跑道在后蹬阶段能够显著降低运动员支撑腿膝关节的角度，与一般跑道相比该差值约在4.2°左右[3]。

1.3 对前摆动作的影响

复合型PVC 塑胶跑道能够为运动员提供更小的躯干前倾角度，与一般运动场地相比该差值约在2°左右[4]。运动员的躯干部分不发生过分倾斜，对于个体进行髋部前送动作有较大帮助，能够显著增加运动员蹬地腿的后伸幅度和摆动腿的前摆幅度，从而增大运动员跑动过程中的最大分腿角，该差值约为2.2°左右[5]。最大分腿角的提升，有利于加大运动员的补偿，同时较直的躯干还有利于膝盖部位的高抬动作、降低重心起伏，从整体而言加快运动员跑速。

1.4 对前、后蹬距离的影响

运动员在复合型PVC 塑胶跑道上的着地点较一般材质跑道更远，该差值通常在0.05m 左右，这与PVC 材质能够为运动员提供更小的着地角有关[6]。前蹬距离与后蹬距离直接影响运动员步长，前蹬距离大步长大、后蹬距离小则步长也大。使用PVC 塑胶跑道后，田径运动员前后蹬距离和角度的变化能够显著影响运动员竞技姿态，通过适应与改良竞技姿态进一步提升运动竞技水平。

1.5 对安全性的影响

一般渣土跑道在长时间使用过程中会出现场地不平整、黄土裸露等现象。场地使用人员在进行跑跳等动作时，极易因为场地不规范等发生安全事故，严重时可威胁到运动员的生命安全[7]。而复合型PVC 材料由于自身质量轻、易铺设、耐疲劳强度高等特点，具备了一般渣土材料和一般复合材料更高的安全等级，一般而言局部的破坏不会对复合型PVC 塑胶跑道的整体结构产生大的影响。同时，经过改性后的复合型PVC 材料热稳定性较高，能够保证户外运动场地在严酷环境下的性能稳定，不会向大气散发有害性气体，进而从环保角度提升运动员进行训练和竞技时的安全性。

2 复合型PVC 塑胶跑道改性优化

2.1 离聚物在PVC 塑胶跑道中的应用

离聚物（Ionomer）是一类C-H 分子链中含有少量离子基团的聚合物的统称[8]。胡涛等[9]在离聚物型自修复高分子材料中的相关研究中表示，一般的离聚物中离子基团的摩尔含量不会超过15%。张友新等[10]探讨了离聚物改性复合型PVC 材料共混体系在塑胶跑道和运动场地铺设中的改性机理，在一般复合型PVC 材料中加入适量的离聚物型成型剂，能够显著改善复合型PVC 材料在应用于塑胶跑道铺设中的力学性能。将离聚物应用于复合型PVC 材料改性，能够将PVC 材料与一般塑胶跑道中的无机填料进行紧密衔接，进而大幅增强复合型PVC材料中无机填料的分散性和相容性。

2.2 改性纸塑复配料在PVC 塑胶跑道中的应用

改性纸塑复配料主要指将粉煤灰、废旧纸塑复合材料等进行研磨所得的一类混合物。由于该混合物中含有纸成分，木质素的存在使复合材料能够具备强极性、吸水性和极高的表面能。利用改性纸塑复配料对复合PVC材料进行改性，能够影响材料中各组分间的相容性进而影响复合型PVC 材料的力学性能。张友新等[11]采用硅烷偶联剂对粉煤灰/ 塑复配料混合物等进行表面活化处理，得到了可以用于复合型PVC 材料改性的塑胶跑道生产加工材料，随着改性材料用量的增加，复合型PVC 材料的各项力学性能呈现出先上升后降低的趋势，最佳配比条件下，复合型PVC 塑胶跑道能获得冲击吸收47%、垂直形变2.8 ㎜、拉伸强度5.2MPa、断裂伸长率96%、抗滑值（20℃）107BPN 等的优异性能。

3 防滑耐磨高强度改性复合型PVC 塑胶跑道加工技术

3.1 跑道结构

张友新等[12]对一般复合型PVC 塑胶跑道进行改性后，获得了图1 所示的包含5 层结构的防滑耐磨高强度改性复合型PVC 塑胶跑道。

图1 防滑耐磨高强度改性复合型PVC 塑胶跑道结构Fig. 1 Non-slip and wear resistant high-strength modified composite PVC track structure

3.1.1 Ⅰ层

该层为塑胶跑道最表层，主要设计需求为耐磨防滑、抗菌、抗老化等。该层材料加工过程采用最新配方，由硅烷偶联剂KH560 活化粉煤灰为改性剂对复合型PVC材料进行共混改性，加入耐磨止滑剂661、抗冲改性剂等，有效提升了该层材料的耐磨性能和防滑性能。该层所使用的加工工艺为挤出、延压工艺，与一般的PVC 材料相比，该层在遇水情况下能够为运动员提供更加艰涩的脚感，从而有效避免运动员的滑倒。同时，为进一步提高面层的防滑耐磨性能，在Ⅰ层表面设计中融合了防滑六棱凸台设计。Ⅰ层厚度为1.2mm～1.3mm。

3.1.2 Ⅱ层

该层为塑胶跑道的加强层，材质主要有高强度树脂纤维和玻璃纤维丝网等。为了进一步增强复合型PVC 塑胶跑道的整体物理强度，采用高强度树脂纤维和玻璃纤维网格布作为塑胶跑道的整体加强材料。通过热熔工艺，将两类型纤维网格布与复合型PVC 材料进行结合后，塑胶跑道能够通过强化材料减少跑道因热胀冷缩引起的变形，使塑胶跑道具备卓越的物理稳定性如抗拉伸强度等，同时稳定场地尺寸、降低使用危险性。Ⅱ层纤维网格布的厚度为0.5mm～0.85mm。

3.1.3 Ⅲ层

该层主要采用高弹性封闭式PVC 材料利用发泡工艺和配方生产所得。实际生产过程中利用JH-205 型膨胀剂和改性剂对材料进行共混改性，所得改性后的复合型PVC 材料通过挤出、压延形成该层。该层厚度为4mm～7mm。

3.1.4 Ⅳ层

该层由聚丙烯材料经过编织所得。该层为网格状耐撕裂层，主要通过购买既有材料进行加工。采用PP 编织网格通过挤出、热熔工艺将Ⅱ层与PP 编制网格层进行结合，形成塑胶跑道的中间抗撕裂层。由于PP 编织网格材料具有极强的耐弯曲疲劳性和抗撕裂性能，能够保证塑胶跑道在面对数十万次的挤压、折迭而不发生损坏。然而，PP 编织网格材料的抗老化性能较差，无法直接用于塑胶跑道的最上层，因而设计时将该材料作为塑胶跑道的第Ⅳ层进行使用，有效延长了产品的适用寿命。PP 编制网格布的厚度为0.5mm～0.85mm。

3.1.5 Ⅴ层

该层是塑胶跑道最底层，与Ⅲ层所使用的加工材料配方完全相同。该层厚度为5 ～9 ㎜。

3.2 加工流程

防滑耐磨高强度改性复合型PVC 塑胶跑道具体工艺技术路线分两步成型，如图2 所示。

图2 防滑耐磨高强度改性复合型PVC 塑胶跑道具体工艺技术路线Fig. 2 Specific process and technical route of anti-slip and wear-resistant high-strength modified PVC track

由图2 可知，该类型塑胶跑道的主要加工思路总共分两部分：一是将提前加工改性所得的复合型PVC 材料通过改性、共混、挤出、牵引、裁边、压延、切割等步骤后，得到复合型PVC 塑胶跑道的增强层；二是将高强度树脂纤维和玻璃纤维以及第Ⅳ层聚丙烯编织网格层分别热熔于该复合型PVC 材料的Ⅲ层上下面，然后将Ⅰ、Ⅴ面经涂敷结合共同形成。

3.3 力学性能

本文针对以上生产工艺加工所得各面层材料进行性能分析，按照GB 36246-2018 进行检测得到该防滑耐磨高强度改性复合型PVC 塑胶跑道力学性能测定结果，见表1。

由表1 可知，不论从Ⅰ、Ⅲ、Ⅴ层或塑胶跑道整体分析，该类型跑道的冲击吸收、垂直形变、抗滑值、拉伸强度以及断裂伸长率等参数均达到了国标要求，部分性能极为优异。说明改性和混溶之后的复合型PVC 材料达到了设计目标，优化了跑道的配方和结构设计。

表1 塑胶跑道力学性能测试结果Table. 1 Test results of mechanical properties of plastic track

5 结语

复合型PVC 材料是利用聚氯乙烯添加改性材料加工而成的新型材料，在应用于塑胶跑道开发和生产领域后得到了极为优异表现。文章主要针对复合型PVC 材料应用与塑胶跑道的优势进行了分析，总结了相关研究成果；对复合型PVC 塑胶跑道改性优化方法相关研究进行了综述；以某种防滑耐磨高强度改性复合型PVC 塑胶跑道加工技术为例，对复合型PVC 塑胶跑道的结构与性能进行了重点研究。与一般渣土、塑胶跑道相比，利用复合型PVC 材料加工而成的塑胶跑道，在安全性、环保性和力学性能上展示出了显著优势。