王 萌

(國家知識(shí)產(chǎn)權(quán)局 專利局專利審查協(xié)作廣東中心，廣州 510000)

草絲纖維的結(jié)構(gòu)與性能

王 萌

(國家知識(shí)產(chǎn)權(quán)局 專利局專利審查協(xié)作廣東中心，廣州 510000)

介紹了草絲纖維用途、生產(chǎn)方法、所用材料和其形態(tài)結(jié)構(gòu)，詳述了草絲纖維的各種應(yīng)用性能研究，以及草絲纖維研發(fā)中存在的亟待解決的問題。

草絲纖維；形態(tài)結(jié)構(gòu)；性能；研究現(xiàn)狀

人造草最早起源于美國，其解決了天然草無法在極端氣候和帶頂棚場(chǎng)館內(nèi)生長(zhǎng)的問題，克服了天然草維修費(fèi)用昂貴的缺陷。經(jīng)過50多年的發(fā)展，現(xiàn)已廣泛應(yīng)用于國內(nèi)外各種運(yùn)動(dòng)和休閑場(chǎng)所。草絲纖維作為人造草的核心材料，決定了草坪的運(yùn)動(dòng)力學(xué)、安全性和舒適性，近年來受到廣泛關(guān)注。草絲纖維所用材料主要為聚合物，如尼龍、聚丙烯、聚乙烯等，這是由于聚合物具有優(yōu)良的物理、化學(xué)性能，如質(zhì)輕、比強(qiáng)度高、比模量大、耐腐蝕性好、成型方便。

草絲纖維的生產(chǎn)工藝分為裂膜法和紡絲法。裂膜法只適用于聚乙烯和聚丙烯材料，該方法生成的草絲纖維一致性差，表面損傷大，受生產(chǎn)工藝限制，裂膜絲厚度不如紡絲法產(chǎn)品。紡絲法是將融體從噴絲孔擠出，然后經(jīng)過加熱、拉伸等過程形成產(chǎn)品，這種方法生產(chǎn)出來的草絲纖維，其厚度、形狀可以通過改變噴絲孔的大小、形狀來實(shí)現(xiàn)，外觀仿真度非常高，與天然草幾無二至。因而主要采用紡絲法制備草絲纖維。

1 草絲纖維的形態(tài)結(jié)構(gòu)

草絲纖維的橫截面通常為矩形、棱形、橢圓形、“V”字形或貝殼形[1-2]，這類結(jié)構(gòu)的草絲纖維具有一定仿真度，不易磨損起毛，但挺拔度欠佳，使用中易出現(xiàn)平面倒伏現(xiàn)象。為了解決這一問題，常在草絲纖維的截面上設(shè)置加強(qiáng)結(jié)構(gòu)[3]，例如在扁平的長(zhǎng)方形截面上，在一個(gè)較長(zhǎng)面中心設(shè)置彎曲凸起，相對(duì)的另一個(gè)較長(zhǎng)面上相對(duì)于中心軸對(duì)稱設(shè)置一對(duì)彎曲凸?fàn)畹耐蛊?，如圖1[4]，或者在兩個(gè)較長(zhǎng)面的中心軸處均設(shè)置加強(qiáng)筋，如圖2所示[5-6]。

圖1與圖2類型的草絲纖維的結(jié)構(gòu)對(duì)稱性太強(qiáng)，雖然大大增強(qiáng)了葉片的挺拔度，但其回彈性差，且制備工藝相對(duì)復(fù)雜。為此設(shè)計(jì)了如圖3結(jié)構(gòu)的草絲纖維[7]，其葉片橫截面在一個(gè)方向的彎弧數(shù)為1a、1b，相反方向的彎弧數(shù)為1c，彎弧內(nèi)面上還可進(jìn)一步設(shè)置若干個(gè)縱向加強(qiáng)筋2，增加草絲的挺拔度和自然內(nèi)卷力，由此增強(qiáng)了草纖維的回彈性和柔性。另一種高彈性草絲纖維結(jié)構(gòu)如圖4[8]，草絲1周圍環(huán)繞設(shè)置有加強(qiáng)筋2，草絲1與加強(qiáng)筋2組成橫截面為三角星、四角星、五角星或六角星形狀。當(dāng)草絲受到外力作用發(fā)生彎曲時(shí)，在彎曲方向朝向的一側(cè)的加強(qiáng)筋受到擠壓作用，在彎曲方向背向的一側(cè)的加強(qiáng)筋受到拉伸作用，與沒有加強(qiáng)筋的普通草絲相比，草絲抵抗壓力與拉力的力矩都明顯增大，當(dāng)作用力去除以后，草絲在加強(qiáng)筋的作用下，可以迅速恢復(fù)原狀。

為提高仿真效果，除了對(duì)草絲纖維橫截面形狀進(jìn)行改進(jìn)外，還可在草纖維根的外周纏繞、包覆葉片形成纖維束，如圖5，使得草絲纖維立體感強(qiáng)，整體更接近天然草[9]。

此外，還可通過改善結(jié)構(gòu)，使草絲纖維在烈日下降低自身“體溫”[10-12]，如圖6，在仿真草葉上設(shè)置有至少一條存有水的蓄水通道，貫穿整個(gè)仿真草葉，在高溫環(huán)境中通過水分的蒸發(fā)可以降低草坪的溫度，提高環(huán)境的舒適度[13]。

2 草絲纖維的性能

人造草不僅要面臨惡劣的氣候變化，還要承載高強(qiáng)度的運(yùn)動(dòng)磨損，此外還需要具有運(yùn)動(dòng)安全性能，因此草絲纖維應(yīng)具備良好的力學(xué)性、抗老化性以及抗靜電性等。將具有改善力學(xué)性、抗老化性及抗靜電性的功能性助劑與基體樹脂、加工助劑經(jīng)過混合、熔融、紡絲、冷卻、拉伸、加熱定型等工藝，制備具有上述性能的草絲纖維是一種常見的方法[14]。例如一種耐磨人造草絲纖維，是將含有硅酮粉的耐磨母粒與基體樹脂、色母粒、抗老化劑進(jìn)行熔融紡絲而成。硅酮粉的主要材料是超高分子量的聚二甲硅氧烷，從纖維表面均勻析出，形成一層薄的轉(zhuǎn)移膜，有效降低磨料粒子在草絲纖維表面的粘著性，草絲纖維的磨損速率得以降低，同時(shí)纖維潤(rùn)滑性得以改善，表面摩擦因數(shù)降低，磨損率降低[15]。

上述品種草絲纖維僅滿足了人造草的一般要求，天然草絲所具有的許多特殊功能尚不具備，如天然草絲可以通過光合作用形成光電效應(yīng)，使空氣電離產(chǎn)生被稱為“空氣中的維生素”的負(fù)離子，有益于人體健康。因而草絲纖維的功能性改進(jìn)研究更為重要。

2.1 負(fù)離子草絲纖維

負(fù)離子草絲纖維是在紡絲液中添加負(fù)離子材料制備而成，或是將離子涂層涂覆于草絲纖維的外表面[16]。當(dāng)人造草坪所處的環(huán)境溫度有微小變化，或在草坪上活動(dòng)使草絲纖維受到輕微壓力時(shí)，即可引起負(fù)離子材料之間的電勢(shì)差，促使周圍空氣發(fā)生電離，脫離出的電子附著于鄰近的水和氧分子使之轉(zhuǎn)化為空氣負(fù)離子，從而增加鋪設(shè)該類草坪區(qū)域的負(fù)離子濃度，起到凈化空氣、增強(qiáng)身體機(jī)能的效果，特別適用于室內(nèi)運(yùn)動(dòng)場(chǎng)館[17-18]。常用的負(fù)離子材料，均可用于制備負(fù)離子草絲纖維，優(yōu)選的是負(fù)離子礦物，如電氣石、蛋白石、奇才石、負(fù)離子粉中的一種或幾種的混合物。

2.2 親水性及可降溫草絲纖維

天然草絲可以通過根系吸收土壤中的水分，然后通過葉片蒸發(fā)到空氣中，降低了鋪設(shè)有天然草坪區(qū)域的溫度。但草絲纖維本身沒有親水性，一方面不利于保持運(yùn)動(dòng)場(chǎng)地所灑的水，另一方面當(dāng)皮膚與草絲表面過度接觸時(shí)，這種接觸摩擦通常會(huì)對(duì)皮膚產(chǎn)生熱損傷，不利于休閑活動(dòng)的進(jìn)行，因而提高草絲纖維親水性，以降低草坪溫度是必須的。

改進(jìn)草絲纖維親水的方法，一種是將草絲纖維設(shè)置成芯層和包覆層，且在包覆層中添加親水劑或包覆層采用高親水性的樹脂，由此使得草絲纖維具有從空氣中吸濕(水)的功能[19-20]。該方法生產(chǎn)制備過程比較復(fù)雜且難以控制，一種簡(jiǎn)單的方法是直接在紡絲液中添加親水改性劑[21]，另一種方法是將草絲纖維設(shè)置成內(nèi)部中空的雙層結(jié)構(gòu)，中空腔中填充高吸水物質(zhì)，使得草絲纖維形成類似于天然草靜脈中可供水分流通的通道，讓高吸水物質(zhì)在夜間低溫下吸收水分，白天高溫下蒸發(fā)水分[22]，還可將親水性物質(zhì)作為涂層漿，涂布于草絲纖維表面[23]。

2.3 驅(qū)蚊蟲草絲纖維

夏天蚊蟲特別多，人們會(huì)產(chǎn)生較大的反感情緒，在紡絲液中添加驅(qū)蚊蟲的中草藥，使其在自然條件下釋放出來，在人造草坪的上方形成保護(hù)層，能有效地驅(qū)除蚊蟲，對(duì)人體無害且清香的中草藥氣味能使人們心曠神怡[24]。

2.4 草絲纖維的其他性能

(1)芳香性 芳香草絲纖維所制造的運(yùn)動(dòng)草坪，可具有天然草坪的芳香氣息，也可以根據(jù)需求調(diào)整香型，如玫瑰香型、森林浴香型、茉莉香型、薰衣草香型、水果香型等[25]。

(2)感溫變色 感溫變色草絲纖維由基體樹脂與感溫變色層組成，感溫變色層涂覆于人造草絲纖維的外表面，隨著溫度的變化，草絲可以在春、夏、秋、冬呈現(xiàn)不同的顏色，以達(dá)到與天然草坪類似的季節(jié)變化特點(diǎn)，滿足人們休閑的要求[26]。

(3)耐瞬時(shí)高溫 機(jī)場(chǎng)所用的人造草坪，為保證不耽誤航班，在冬天降雪后需要用熱吹車等設(shè)施快速除雪，因而要求草坪要能夠在2～3 s內(nèi)耐500 ℃以上的高溫。而以離子液體作為溶劑，室溫下制備聚間苯二甲酰間苯二胺溶液，再將其涂覆于草絲纖維表面，經(jīng)過凝固浴凝固、預(yù)熱、牽伸制得一種草絲纖維，其表面存在耐高溫且隔熱的聚間苯二甲酰間苯二胺，可滿足機(jī)場(chǎng)草坪除雪要求[27]。

(4)亞光性 使用聚乙烯或聚丙烯制成人造草坪時(shí)，草坪整體尤其在陽光下看起來太光亮，為使得草坪在陽光下不顯得刺眼，在草絲纖維的生產(chǎn)過程中通常會(huì)加入亞光性材料對(duì)纖維改性，使之光滑的表面具有漫反射效果從而達(dá)到不刺眼的要求[28]。

此外，還有學(xué)者研究了草絲纖維的熒光性、多彩性、反紅外性以及阻燃性等，極大地豐富了草絲纖維的功能性，擴(kuò)展了人造草坪的應(yīng)用前景。

3 結(jié)語

近些年來，雖然草絲纖維得到迅速發(fā)展，但仍存在一些問題。例如以聚乙烯、聚丙烯及聚酰胺等高分子材料制成的草絲纖維，廢棄后難以降解，會(huì)對(duì)周圍環(huán)境造成污染，因而制備可回收利用的“綠色環(huán)保”草絲纖維尤為重要。此外多功能性草絲纖維的發(fā)展比較滯后，如既具有負(fù)離子性又具有阻燃性、抗靜電性的多功能草絲等。草絲纖維的改性研究仍存在不足之處，有待學(xué)者進(jìn)一步開發(fā)研究。

[1] 朱江峰.新型人造草絲[P].中國:201738215,2011-02-09.

[2] Tapijtfabriek Desseaux Nv H.Artificial grass fiber for artificial lawn for use in sports field, has wedge-shaped elongated cross section, such that ratio of length to width of elongated cross section is in predetermined range[P].EP: 2143834, 2010-01-13.

[3] 朱江峰.一種新型人造草纖維[P].中國:203462184, 2014-03-05.

[4] Mondo Spa. Fiber for artificial turf to manufacture artificial grass mat in e.g. garden, has projection designed in convex-curve shape, and another projection arranged on side of former projection and designed in curved convex shape[P]. US:2012270045, 2012-10-25.

[5] 韓世民.一種直立型人造草纖維[P].中國:201394339,2010-02-03.

[6] 濟(jì)寧天裕化纖機(jī)械有限公司.帶加強(qiáng)筋的休閑草長(zhǎng)絲及其制備方法[P].中國:103866417, 2014-6-18.

[7] 韓世民.一種人造草纖維[P].中國:201459568,2010-05-12.

[8] 泰山體育產(chǎn)業(yè)集團(tuán)有限公司.一種高彈性人造草絲纖維[P].中國:202809033, 2013-03-20.

[9] 湖北綠城塑業(yè)有限公司.一種高仿真人造草纖維[P].中國:204370100, 2015-06-03.

[10]朱江峰.一種改進(jìn)結(jié)構(gòu)的人造草纖維[P].中國:203462382, 2014-03-05.

[11]Toray Ind Inc.Artificial lawn used in e.g. athletic events, ski place[P].JP:2000027113, 2000-01-25.

[12]泰山體育產(chǎn)業(yè)集團(tuán)有限公司.一種仿生人造草絲纖維[P].中國:202809435, 2013-03-20.

[13]無錫市潤(rùn)洋塑業(yè)有限公司.一種高仿真人造草[P].中國:102704370, 2012-10-03.

[14]華東理工大學(xué).一種聚烯烴類草絲纖維及制備方法[P].中國:101050562, 2007-10-10.

[15]泰山體育產(chǎn)業(yè)集團(tuán)有限公司.耐磨人造草絲纖維[P].中國:102493011, 2012-06-13.

[16]泰山體育產(chǎn)業(yè)集團(tuán)有限公司. 一種人造草絲纖維和由其編織成的人造草坪[P].中國: 203247480, 2013-10-23.

[17]泰山體育產(chǎn)業(yè)集團(tuán)有限公司.一種負(fù)離子人造草絲纖維及其制備方法[P].中國:103103630, 2013-05-15.

[18]齊齊哈爾大學(xué).一種含負(fù)離子人造草纖維及其制備[P].中國:103160951, 2013-06-19.

[19]Ten Cate Thiolon Bv. Manufacture of synthetic fiber used in artificial grass sports field, involves supplying layer of synthetic material having layers of different synthetic material, and performing co-extrusion of synthetic material layer[P].US: 2010040808, 2010-02-18.

[20]Tapijtfabriek Desseaux Nv H. Artificial grass for artificial lawn for e.g. soccer and tennis, comprises fibers comprising core of synthetic material and cladding, where the material for the cladding has hydrophilicity different from that of the material used for core[P]. US: 2010173102, 2010-07-08.

[21]江蘇共創(chuàng)人造草坪有限公司.一種表面親水的人造草纖維及人造草坪[P].中國:103014898, 2013-04-03.

[22]Sumitomo Rubber Ind Co Ltd. Artificial lawn for laying artificial lawn facility e.g. soccer field, has thermoplastic resin pile and acryl-type hydrophilic resin pile with hydrophilized void that are implanted in base fabric in predetermined ratio[P]. US: 2014093663, 2014-04-03.

[23]泰山體育產(chǎn)業(yè)集團(tuán)有限公司. 一種可降溫的人造草絲纖維[P].中國:202913280, 2013-05-01.

[24]泰山體育產(chǎn)業(yè)集團(tuán)有限公司. 一種戶外驅(qū)蚊蟲人造草絲纖維及其制備方法[P].中國: 104088030, 2014-10-08.

[25]華東理工大學(xué).一種芳香人造草坪纖維及其制備方法[P].中國:101187083, 2008-05-28.

[26]泰山體育產(chǎn)業(yè)集團(tuán)有限公司. 感溫變色人造草坪[P].中國:203247483, 2013-10-23.

[27]泰山體育產(chǎn)業(yè)集團(tuán)有限公司. 一種機(jī)場(chǎng)用耐瞬時(shí)高溫人造草絲纖維及其制備工藝[P].中國: 103397526, 2013-11-20.

[28]宜興市聯(lián)創(chuàng)塑業(yè)有限公司. 一種具有亞光性的人造草坪及其制備方法[P].中國: 105178138, 2015-12-23.

Structure and Property of Grass Fiber

WANG Meng

(Patent Examination Cooperation Center of the Patent Office, Guangzhou 510000, China)

The use, prouuction methods, materials and its sturcture of the grass fiber were briefly introduced. The application performance and some existing problems were studied.

grass fiber; morphological structure; property; research status

2016-03-03

王 萌(1987-)，女，陜西咸陽人，實(shí)習(xí)研究員，碩士研究生，主要從事功能紡織品的研究，E-mail：470961642@qq.com。

TS102

A

1673-0356(2016)06-0008-04