Degradering av en 4G-kunstgressbane: Effekt av vinterdrift og UV-stråling

Abstract

I arbeidet ble effekt av vinterdrift og UV-stråling på en 4G-kunstgressbane undersøkt ved salt- og UV-eksponering av kunstgressfiber og salteksponering av backing. Oppgaven er en del av Senter for idrettsanlegg og teknologi (SIAT) sitt prosjekt Kunstgress 2021 (KG2021). Dette er et 3-årig prosjekt med fokus på utvikling og prøving av nye konsepter for fremtidens kunstgressbaner. Bakgrunnen for prosjektet er hvordan bruk av Styren-butadien gummi (SBR) som ifyllsmateriale gir utfordringer som utslipp av mikroplast og utlekking av miljøgifter.

Fysiske- og kjemiske egenskaper til fiber av lineær lav-tetthet polyetylen (LLDPE) og backing av polypropylen (PP) ble kartlagt ved makroskopisk karakterisering og karakterisering av overflatestruktur i sveipelektronmikroskop (SEM). Mekaniske egenskaper til fiber ble også undersøkt ved strekktesting. Egenskaper ble kartlagt før og etter eksponering i saltløsning (NaCl, 10 vekt%) i en uke ved 4 °C, 22 °C og 70 °C og i UV-kammer (UVA, 0,89 W/m2) i en, to, fire, seks og åtte uker. UV-eksponerte fiber ble ikke karakterisert eller strekktestet grunnet restriksjoner i forbindelse med COVID-19.

Salteksponering ved 70 °C førte til størst masseøkning både for fiber og backing. Eksponert backing ved 70 °C mistet litt glans, mens eksponerte fiber ved 22 °C og 70 °C ble observert til å ha mer tilfeldig orientering. Dimensjonsforandringer etter eksponering ble ikke observert på noen prøver. Funnene er positive med tanke på å opprettholde spillegenskaper og utseende til kunstgressbanen ved salting. Ved karakterisering av mikrostruktur kunne karakteristiske striper og rifter sees på både før og etter salteksponering av fiber og backing ved alle temperaturer. Forekomst av hvite partikler/ujevnheter økte med økende eksponeringstemperatur, og kunne i større grad sees på fiber sammenlignet med backing. Strekktesting ble gjennomført med ti paralleller fra hver prøveserie av ueksponert og eksponert fiber, der strekkfasthet og maksimal tøyning ble målt. Ingen endring i strekkfasthet som følge av salteksponering ble påvist. Økt eksponeringstemperatur førte derimot til mindre spredning i verdier ved sammenligning av standardavvik for strekkfasthet. Samme trend kunne ikke observeres for tøyning. Avtagende gjennomsnittsverdi for tøyning ved økt eksponeringstemperatur kunne derimot sees.

Effekt av UV-eksponering fra lignende forsøk viste varierende endring i strekkfasthet og tøyning, og ingen konkret effekt av UV-stråling ble derfor påvist. Type og mengde UV-stabilisator antas å spille en viktig rolle med tanke på degradering av kunstgressbanens komponenter fra UV-stråling. Varmeabsorbsjon i polymer som følge av UV-stråling kan føre til økt tøyning og redusert stivhet, som kan resultere i tap av friksjon mellom ball og bane.

En vinteråpen kunstgressbane vil oppleve større degradering sammenlignet med en vinterstengt bane som følge av hyppigere bruk og vedlikehold. Dette forekommer fra mekanisk og kjemisk fjerning av snø og is, i kombinasjon med temperaturforandringer og mekanisk slitasje fra økt antall brukstimer. Degradering kan dermed føre til redusert levetid fra endring av komponentenes mekaniske egenskaper ved lave temperaturer. Fiber og backing vil da bli stivere og ha redusert tøyning, noe som fører til ugunstige spillegenskaper som økt ballsprett og ballrulle samt redusert støtdemping. Salting, bruk av undervarme og anbefalt utstyr fra FDV-instruks er sentralt for å opprettholde ønskede spillegenskaper i vintersesongen

In this thesis, the effect of winter maintenance and UV radiation on a 4G-artificial football turf was investigated by exposure to salt and artificial UV. The assignment is part of Centre for Sport Facilities and Technology (SIAT) project Kunstgress 2021 (KG2021). This is a 3-year project focusing on the development and testing of new concepts for future artificial turfs. Purpose of the project is based on usage of Styrene-butadiene rubber (SBR) as infill material due to release of microplastic and the leakage of environmental toxins.

Physical and chemical properties of linear low-density polyethylene fiber (LLDPE) and backing of polypropylene (PP) were mapped by macroscopic characterization and characterization of surface structure in scanning electron microscope (SEM). The mechanical properties of the fibers were also measured by tensile testing. Properties were studied before and after exposure of natrium chloride (NaCl, 10 wt%) for one week at 4 ° C, 22 ° C and 70 ° C and in UV chamber (UVA, 0.89 W / m2) for one, two, four, six and eight weeks. UV-exposed fibers were not characterized or measured by tensile testing, due to restrictions associated with COVID-19.

Salt exposure at 70 °C lead to greatest increase in mass for both fiber and backing. Loss of gloss was observed on exposed backing at 70 °C, and fibers at 22 °C and 70 °C appeared to have more random orientation. No changes in dimensions was observed after exposure at any temperature. The results are positive in terms of maintaining playing abilities and appearance of the artificial turf by salting during winter maintenance. Characterization of microstructure in SEM showed crazing and tear both before and after salt exposure of fibers and backing at all temperatures. Occurrence of white particles/imperfections increased by exposure at higher temperatures and appeared more frequently on the fibers compared to the backing. The mechanical properties tensile strength and strain were measured by tensile testing of fibers. No change in tensile strength due to salt exposure was detected. However, increased exposure temperature resulted in less dispersion in values when comparing standard deviations for tensile strength. The same trend could not be observed for strain measurements. Decreasing average values for strain at increased exposure temperature could on the other hand be seen.

Effect of UV-exposure from similar experiments showed little and varying change in tensile strength and strain, and no specific effect of UV radiation was therefore detected. Type and quantity of UV stabilizer is believed to play an important role upon degradation of the artificial turf from UV radiation. Heat absorption in polymer due to UV radiation can lead to increased strain and reduced stiffness, which can result in loss of friction between the ball and turf.

A winter-open artificial football field will experience greater degradation compared to a winter-closed field due to more frequent use and maintenance. This occurs from mechanical and chemical removal of snow and ice, combined with changes in temperature and mechanical wear from increased hours of use. At low temperatures, degradation can lead to reduced lifespan from change in mechanical properties. The fibers and backing will become stiffer and experience reduction in strain, resulting in unfavorable playing abilities such as increased ball bounce and ball rolling, as well as reduced shock absorption. Salting, use of heating elements and recommended equipment from the “FDV”-instruction are essential for maintaining desired playing abilities during the winter season.