草絲纖維的結構與性能

王 萌

(國家知識產權局 專利局專利審查協作廣東中心，廣州 510000)

草絲纖維的結構與性能

王 萌

(國家知識產權局 專利局專利審查協作廣東中心，廣州 510000)

介紹了草絲纖維用途、生產方法、所用材料和其形態結構，詳述了草絲纖維的各種應用性能研究，以及草絲纖維研發中存在的亟待解決的問題。

草絲纖維；形態結構；性能；研究現狀

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館內生長的問題，克服了天然草維修費用昂貴的缺陷。經過50多年的發展，現已廣泛應用于國內外各種運動和休閑場所。草絲纖維作為人造草的核心材料，決定了草坪的運動力學、安全性和舒適性，近年來受到廣泛關注。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良的物理、化學性能，如質輕、比強度高、比模量大、耐腐蝕性好、成型方便。

草絲纖維的生產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，受生產工藝限制，裂膜絲厚度不如紡絲法產品。紡絲法是將融體從噴絲孔擠出，然后經過加熱、拉伸等過程形成產品，這種方法生產出來的草絲纖維，其厚度、形狀可以通過改變噴絲孔的大小、形狀來實現，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 草絲纖維的形態結構

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]，這類結構的草絲纖維具有一定仿真度，不易磨損起毛，但挺拔度欠佳，使用中易出現平面倒伏現象。為了解決這一問題，常在草絲纖維的截面上設置加強結構[3]，例如在扁平的長方形截面上，在一個較長面中心設置彎曲凸起，相對的另一個較長面上相對于中心軸對稱設置一對彎曲凸狀的凸起，如圖1[4]，或者在兩個較長面的中心軸處均設置加強筋，如圖2所示[5-6]。

圖1與圖2類型的草絲纖維的結構對稱性太強，雖然大大增強了葉片的挺拔度，但其回彈性差，且制備工藝相對復雜。為此設計了如圖3結構的草絲纖維[7]，其葉片橫截面在一個方向的彎弧數為1a、1b，相反方向的彎弧數為1c，彎弧內面上還可進一步設置若干個縱向加強筋2，增加草絲的挺拔度和自然內卷力，由此增強了草纖維的回彈性和柔性。另一種高彈性草絲纖維結構如圖4[8]，草絲1周圍環繞設置有加強筋2，草絲1與加強筋2組成橫截面為三角星、四角星、五角星或六角星形狀。當草絲受到外力作用發生彎曲時，在彎曲方向朝向的一側的加強筋受到擠壓作用，在彎曲方向背向的一側的加強筋受到拉伸作用，與沒有加強筋的普通草絲相比，草絲抵抗壓力與拉力的力矩都明顯增大，當作用力去除以后，草絲在加強筋的作用下，可以迅速恢復原狀。

為提高仿真效果，除了對草絲纖維橫截面形狀進行改進外，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，整體更接近天然草[9]。

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

2 草絲纖維的性能

人造草不僅要面臨惡劣的氣候變化，還要承載高強度的運動磨損，此外還需要具有運動安全性能，因此草絲纖維應具備良好的力學性、抗老化性以及抗靜電性等。將具有改善力學性、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，同時纖維潤滑性得以改善，表面摩擦因數降低，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，使空氣電離產生被稱為“空氣中的維生素”的負離子，有益于人體健康。因而草絲纖維的功能性改進研究更為重要。

2.1 負離子草絲纖維

負離子草絲纖維是在紡絲液中添加負離子材料制備而成，或是將離子涂層涂覆于草絲纖維的外表面[16]。當人造草坪所處的環境溫度有微小變化，或在草坪上活動使草絲纖維受到輕微壓力時，即可引起負離子材料之間的電勢差，促使周圍空氣發生電離，脫離出的電子附著于鄰近的水和氧分子使之轉化為空氣負離子，從而增加鋪設該類草坪區域的負離子濃度，起到凈化空氣、增強身體機能的效果，特別適用于室內運動場館[17-18]。常用的負離子材料，均可用于制備負離子草絲纖維，優選的是負離子礦物，如電氣石、蛋白石、奇才石、負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，然后通過葉片蒸發到空氣中，降低了鋪設有天然草坪區域的溫度。但草絲纖維本身沒有親水性，一方面不利于保持運動場地所灑的水，另一方面當皮膚與草絲表面過度接觸時，這種接觸摩擦通常會對皮膚產生熱損傷，不利于休閑活動的進行，因而提高草絲纖維親水性，以降低草坪溫度是必須的。

改進草絲纖維親水的方法，一種是將草絲纖維設置成芯層和包覆層，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]。該方法生產制備過程比較復雜且難以控制，一種簡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置成內部中空的雙層結構，中空腔中填充高吸水物質，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，讓高吸水物質在夜間低溫下吸收水分，白天高溫下蒸發水分[22]，還可將親水性物質作為涂層漿，涂布于草絲纖維表面[23]。

2.3 驅蚊蟲草絲纖維

夏天蚊蟲特別多，人們會產生較大的反感情緒，在紡絲液中添加驅蚊蟲的中草藥，使其在自然條件下釋放出來，在人造草坪的上方形成保護層，能有效地驅除蚊蟲，對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動草坪，可具有天然草坪的芳香氣息，也可以根據需求調整香型，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、冬呈現不同的顏色，以達到與天然草坪類似的季節變化特點，滿足人們休閑的要求[26]。

(3)耐瞬時高溫 機場所用的人造草坪，為保證不耽誤航班，在冬天降雪后需要用熱吹車等設施快速除雪，因而要求草坪要能夠在2～3 s內耐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，經過凝固浴凝固、預熱、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，可滿足機場草坪除雪要求[27]。

(4)亞光性 使用聚乙烯或聚丙烯制成人造草坪時，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，在草絲纖維的生產過程中通常會加入亞光性材料對纖維改性，使之光滑的表面具有漫反射效果從而達到不刺眼的要求[28]。

此外，還有學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，擴展了人造草坪的應用前景。

3 結語

近些年來，雖然草絲纖維得到迅速發展，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，會對周圍環境造成污染，因而制備可回收利用的“綠色環保”草絲纖維尤為重要。此外多功能性草絲纖維的發展比較滯后，如既具有負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，有待學者進一步開發研究。

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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，實習研究員，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