運動地面涂層與運動安全

    運動地面有其特殊性，首先，作為直接與運動員接觸的界面，在運動員做出急停、跑、跳等動作時，在不妨礙其動作的前提下，需要最大程度的保證其安全；其次，作為專業場所，運動地面必須能夠提供良好的運動性能。要保證這兩點，施用運動地面涂層是必須的。此外，作為日益商業化的運動產業，具有良好觀賞效果的運動場地是必須的，運動地面涂層更能提供這方面的功能，其亮麗的光澤，飽滿的底蘊提高了現場轉播及觀賞的效果。運動地面涂層正日益受到運動建材產業的關注。

一、運動地面涂層發展概述
    大多數的運動地面為木質地板，因此許多運動地面涂層產品是針對運動木地板開發的。作為運動木地板的傳統裝飾護理方法是在其表面涂覆油漆，油漆的高揮發性溶劑含量使其已遠遠不能滿足人們和環境的要求。在這種情況下，水性丙烯酸酯乳液涂料和水性聚氨酯涂料陸續被開發出來。丙烯酸酯類乳液涂料無毒無害，以水作為溶劑，使環境得到了改善。這類共聚物具有較好的熱穩定性、光化學穩定性和抗氧化性。它作為木地板的成膜材料，有很好的光澤、成膜性能、附著力等性能。但丙烯酸（酯）乳液抗刮傷性等比較差，低溫變脆、高溫發粘等。特別是作為運動場木地板，對涂層的耐磨性、抗刮傷性的要求非常高。普通的丙烯酸（酯）乳液無法勝任上述使用場合。聚氨酯乳液涂料除具有丙烯酸（酯）乳液的優點外，還具有耐磨性好等優點，但它的價格很貴，是一般漆類的十幾甚至二十幾倍，且耐污和抗黑膠印性能較差。目前市場，性能較好主要有三類產品分別是有機硅改性的丙烯酸酯乳液、聚氨酯與丙烯酸復配乳液及重載雙組分乳液。
    1．有機硅改性的丙烯酸酯乳液
    有機硅化合物具有較低的表面自由能[1]，且當和丙烯酸（酯）共聚成硅樹脂后，涂層可以形成穩定的硅氧烷膜，因此涂膜具有很好的憎水性、耐污性和耐磨性。另外，作為運動涂層的重要性能之一，防滑性對于運動安全性有非常重要的作用。過大過小的靜摩擦系數都可能對運動員造成運動損傷。作者即針對這幾點，合成了有機硅改性的丙烯酸酯乳液作為運動木地板護理涂層的核心材料，提高了涂層的耐水性、耐溶劑性、耐磨性、抗刮傷性和耐候性；并采用納米粒子修飾改性涂層表面微觀結構，有效控制了涂層的防滑性能，正逐漸成為運動地面涂層市場的名牌產品。
    2．聚氨酯與丙烯酸復配乳液及重載雙組分乳液
聚氨酯與丙烯酸復配乳液綜合聚氨酯與丙烯酸的優點，采用復配的技術及科學配方，揚長避短，尤其在涂層耐磨性上有很大提高，但在耐水性及耐污性上有欠缺。重載雙組分乳液主要用在重載場合及承受劇烈運動的場地，具有優良耐磨性，乳液含有改性聚氨酯，產品使用時加入第二固化組分，減少其成膜時間。
二、運動地面涂層合成技術的研究進展
    有機硅改性的丙烯酸酯乳液合成技術是目前的研究熱點。有機硅改性的丙烯酸酯乳液采用種子乳液聚合的方法[2]，用反應型有機硅單體和丙烯酸酯乳液接枝共聚，得到具有核殼結構的硅改性的丙烯酸酯復合乳液。復合乳液的聚合物粒子中含有Si－OH活性基團，成膜固化時，在催化劑的作用下，聚合物鏈上的Si－OH活性基團相互縮合、交聯，生成Si－O－Si鍵。同時聚合物鏈上的Si－OH活性基團也和基材表面的羥基（如木地板纖維素上的－OH羥基）脫水交聯形成分子間穩定的硅氧烷膜（見圖1）。因此，可明顯提高固化后涂層的耐磨性、硬度、附著力等性能。且Si－O共價鍵其鍵能比較大，約為432kJ/mol，有著良好的對熱、對光穩定性，耐候性好。此外，網狀的硅氧烷結構其表面自由能較低，疏水性好，使固化后的涂層的在耐水、耐污及耐擦洗性方面表現較好。

    根據筆者的研究結果，粒徑是聚合物乳液的重要參數，它對核殼聚合物乳液的應用有很大的影響。納米粒子尺寸保證了聚合物乳液在成膜時，聚合物微球之間的很好的融合性。這樣聚合物乳液作為涂膜時，具有很好的成膜性能、流平性能和很好的光澤。有機硅分布在殼中樣品的粒度分析和透射電鏡照片見圖2，結果顯示，聚合物乳液的平均粒徑為99.5nm，且聚合物粒子呈現出特殊的邊緣為齒狀的球體。

三、運動地面涂層的安全性
    涂層的防滑性，并非摩擦系數越大越好，當摩擦系數過大時，地面會很澀，運動員會因滑動困難而導致腳踝受傷；當摩擦系數太小時，運動員就無法控制其在地面上的滑動，容易滑倒而摔傷膝蓋[3]。因此，涂層的靜摩擦系數應在合適的范圍，在ASTM標準中即規定運動木地板涂層靜摩擦系數0.5以上[4,5]。作者多年研究發現，調配產品中聚乙烯蠟質分散體的量，可以在一定范圍內進行靜摩擦系數的調配。如圖3為涂層的膜表面微觀結構，微小的顆粒即為聚乙烯蠟質分散體。由于聚乙烯的分子量比較小，成膜時會發生“漂移”而比較集中在涂層的表面，這種涂層的表面結構對于控制表面的靜摩擦系數有非常積極的作用，通過調配產品中蠟質分散體的量可以靈活控制涂層的靜摩擦系數。當產品中蠟含量分別為0%和5％時，用ASTM（James Machine）的測定方法，在PVC基材上測定了涂層膜的靜摩擦系數分別為0.47和0.58。兼顧防滑性及涂層其它性能可取適當蠟含量配制涂層，其靜摩擦系數符合標準。同樣用DIN18032測定方法，所開發的產品在運動木地板基材測定滑動摩擦系數見表1，均在標準要求的0.4~0.6范圍之內。

四、運動地面涂層表征
    以乳液為核心材料，加入潤濕劑、穩定劑、成膜助劑、流平劑、增塑劑、聚乙烯蠟乳液、消泡劑等復配成亮麗膜運動木地板涂層，由上海市涂料研究所進行性能測定，結果見表2。
1. 光澤和耐久性

2. 耐污性能

五、工程應用實例
    涂層的施用不僅能起到保護運動員、延長地面壽命的作用，另外還有非常好的裝飾效果。通常施用涂層后的地面具有很好的防滑性能、腳部感覺柔和（沒有油漆的僵硬感）、不易產生運動疲勞和損傷、優良的視覺感覺（沒有非常強或刺眼的反光效果，不會對運動員造成視覺疲勞）以及很好的電視轉播效果。圖4顯示了亮麗膜運動木地板涂層在部分專業的運動比賽、訓練場館的應用效果。