潘亞男 李秉海 趙 彬

?仿真冰行業(yè)正迎來(lái)政策、技術(shù)與市場(chǎng)的三重紅利，但核心技術(shù)的自主化與環(huán)保性能的提升仍是關(guān)鍵挑戰(zhàn)

?仿真冰材料有五大關(guān)鍵指標(biāo)：耐劃傷性能、不易開(kāi)裂、透光率大于30%、平整度高、小于0.05的低摩擦系數(shù)

?中國(guó)石化北京化工研究院科研團(tuán)隊(duì)依托在高性能合成樹(shù)脂領(lǐng)域的研究基礎(chǔ)，基于新型高性能助劑，并結(jié)合高效改性技術(shù)，開(kāi)發(fā)了仿真冰材料用高性能合成樹(shù)脂，推出建設(shè)費(fèi)用低、運(yùn)營(yíng)成本低的方案，實(shí)現(xiàn)了各項(xiàng)性能的平衡

北京冬奧會(huì)帶動(dòng)我國(guó)冰雪產(chǎn)業(yè)快速發(fā)展，然而，我國(guó)地域廣闊，氣候差異顯著，僅中溫帶和寒帶的冬季適宜開(kāi)展冰雪運(yùn)動(dòng)，南方地區(qū)及北方非冬季時(shí)段缺乏天然條件，亟須仿真冰技術(shù)突破地域和季節(jié)限制。仿真冰行業(yè)正迎來(lái)政策、技術(shù)與市場(chǎng)的三重紅利，但核心技術(shù)的自主化與環(huán)保性能的提升仍是關(guān)鍵挑戰(zhàn)。為此，中國(guó)石化北京化工研究院（以下簡(jiǎn)稱(chēng)“北化院”）科研團(tuán)隊(duì)?wèi){借在合成樹(shù)脂領(lǐng)域的研發(fā)基礎(chǔ)，自主開(kāi)發(fā)了零能耗四季仿真冰技術(shù)。

仿真冰技術(shù)的開(kāi)發(fā)需求

冰為什么滑？目前最普遍的解釋是，水結(jié)冰后可在冰面產(chǎn)生光滑的液體涂層，該涂層極薄、不凝固且可移動(dòng)，從而使得冰表面光滑度高，能夠潤(rùn)滑接觸面，從而表現(xiàn)為“滑”。這層液體并不完全是水，而是被稱(chēng)之為“準(zhǔn)液體”。

為了獲得冰面光滑程度最高時(shí)的溫度，荷蘭阿姆斯特丹大學(xué)和德國(guó)馬克斯·普朗克高分子研究所的學(xué)者運(yùn)用分子動(dòng)力學(xué)，模擬了鋼在冰上滑行的實(shí)驗(yàn)，測(cè)量了冰面在零下100攝氏度至零攝氏度范圍內(nèi)的摩擦系數(shù)。數(shù)據(jù)顯示，冰表面摩擦系數(shù)在低溫時(shí)較高，幾乎等同于玻璃表面的摩擦系數(shù)。然而，隨著溫度從零下100攝氏度上升到零下7攝氏度，冰面的摩擦系數(shù)逐漸下降，其中，當(dāng)溫度為零下7攝氏度時(shí)，冰的摩擦系數(shù)最小，即：冰在零下7攝氏度是最滑的，而當(dāng)溫度繼續(xù)從零下7攝氏度上升到零度時(shí)，冰面的摩擦系數(shù)反而顯著增大。因此，滑冰場(chǎng)的溫度一般保持在零下7攝氏度左右，以提供最佳溜冰體驗(yàn)。

為達(dá)到并長(zhǎng)時(shí)間維持該溫度，所消耗成本較大。例如，將1噸水從25攝氏度降到零下7攝氏度，需用電37.344千瓦時(shí)，而商業(yè)用電價(jià)格約為1.2元/千瓦時(shí)，那么一噸水從25攝氏度降到零下7攝氏度電力成本是44.8元。一個(gè)厚度為4厘米、面積200平方米的室內(nèi)冰場(chǎng)，需要用水80噸，制冰所需成本達(dá)到3584元。更為重要的是，制成冰后仍需要大量電能維持。室內(nèi)滑冰場(chǎng)一般通過(guò)制冷系統(tǒng)、熱回收系統(tǒng)、除濕系統(tǒng)、新風(fēng)系統(tǒng)等設(shè)備實(shí)現(xiàn)冰面長(zhǎng)期不融化，并需嚴(yán)格控制室內(nèi)溫度、冰面溫度、空氣濕度等多個(gè)參數(shù)指標(biāo)。

因此，真冰場(chǎng)需要巨大的建設(shè)和運(yùn)營(yíng)費(fèi)用。解決這一難題的最佳方案是用仿真冰材料替代真冰。然而，由于冰材料的特殊性，目前難以找到可完全替代冰的材料，僅可開(kāi)發(fā)接近真冰性能的仿真冰材料作為替代方案。

仿真冰是指通過(guò)技術(shù)手段模擬天然冰的特性制成的材料或產(chǎn)品，主要用于替代真冰在特定場(chǎng)景中的應(yīng)用。而與真冰不同的是，仿真冰不受氣候和地域限制，可在高溫、高濕或非冬季環(huán)境下使用。此外，相比于傳統(tǒng)真冰場(chǎng)，仿真冰無(wú)須持續(xù)制冷維持，零能耗，且部分材料可循環(huán)利用，具有一定的節(jié)能環(huán)保優(yōu)勢(shì)，同時(shí)建設(shè)和運(yùn)營(yíng)成本較低，維護(hù)簡(jiǎn)單，較適合大規(guī)模推廣。

仿真冰技術(shù)開(kāi)發(fā)面臨的挑戰(zhàn)和國(guó)內(nèi)外研發(fā)現(xiàn)狀

經(jīng)調(diào)研，仿真冰材料有五大關(guān)鍵指標(biāo)：耐劃傷性能；不易開(kāi)裂；透光率大于30%，以方便用戶(hù)看到下方標(biāo)識(shí)；平整度高—3平方米內(nèi)起伏小于2毫米；小于0.05的低摩擦系數(shù)，以實(shí)現(xiàn)接近于真冰的潤(rùn)滑觸感。上述五項(xiàng)性能缺一不可。

目前，國(guó)內(nèi)外市場(chǎng)上可用作仿真冰的材料有超高分子量聚乙烯板和聚脲樹(shù)脂，二者均難以完全滿(mǎn)足上述指標(biāo)。超高分子量聚乙烯板雖施工簡(jiǎn)單，但大面積鋪裝時(shí)會(huì)產(chǎn)生拼接縫明顯、易翹曲等問(wèn)題，對(duì)板材的品質(zhì)要求較高。聚脲樹(shù)脂雖具有優(yōu)異的抗疲勞性和耐化學(xué)腐蝕性，但成型后硬度不足，易劃傷，從而導(dǎo)致平整性低，難以完全滿(mǎn)足仿真冰壺道對(duì)材料的要求。

為了滿(mǎn)足仿真冰材料的要求，北化院科研團(tuán)隊(duì)依托其在高性能合成樹(shù)脂領(lǐng)域的研究基礎(chǔ)，基于新型高性能助劑，并結(jié)合高效改性技術(shù)，開(kāi)發(fā)了仿真冰材料用高性能合成樹(shù)脂，推出建設(shè)費(fèi)用低、運(yùn)營(yíng)成本低的方案，實(shí)現(xiàn)了各項(xiàng)性能的平衡。

在耐劃和抗開(kāi)裂方面，傳統(tǒng)合成樹(shù)脂材料存在韌性差、不耐劃、易開(kāi)裂的問(wèn)題。為解決該難點(diǎn)，技術(shù)團(tuán)隊(duì)研發(fā)出具有特殊交聯(lián)結(jié)構(gòu)的彈性納米粒子，有效提升冰面耐劃傷及抗開(kāi)裂性能。在平整和透明度方面，為了解決傳統(tǒng)分散技術(shù)導(dǎo)致材料不平整、不透明的問(wèn)題，技術(shù)團(tuán)隊(duì)研發(fā)出納米粒子分散技術(shù)，提升仿真冰材料的流動(dòng)性，使其可一體成型、表面平整且透明性好。同時(shí)，團(tuán)隊(duì)還研發(fā)出超鋪展?jié)櫥砻婕夹g(shù)，使其具有媲美真冰的質(zhì)感，提升了用戶(hù)體驗(yàn)感。

自2022年以來(lái)，科研團(tuán)隊(duì)積極走訪(fǎng)調(diào)研，針對(duì)客戶(hù)提出的透明、光滑、耐磨、平整等需求，開(kāi)展上百次實(shí)驗(yàn)，成功研制出滿(mǎn)足上述要求的仿真冰樹(shù)脂。應(yīng)用仿真冰樹(shù)脂鋪設(shè)的“冰面”，可在炎熱地區(qū)及室內(nèi)環(huán)境下使用，且具有透明、光滑、耐磨、平整零能耗、免維護(hù)、低成本等優(yōu)點(diǎn)，解決了冰上運(yùn)動(dòng)受限于地域和氣溫的問(wèn)題，并與企業(yè)合作形成材料和場(chǎng)地建設(shè)整體解決方案。

目前北化院開(kāi)發(fā)的仿真冰樹(shù)脂已應(yīng)用至世界冰壺巡回賽（WCT）亞太總部、學(xué)校、商業(yè)綜合體等多個(gè)場(chǎng)景，仿真冰冰壺道獲得了權(quán)威機(jī)構(gòu)和市場(chǎng)的認(rèn)可，“全場(chǎng)景”“全地域”助力冰雪運(yùn)動(dòng)的普及。下一步，北化院科研團(tuán)隊(duì)將繼續(xù)根據(jù)市場(chǎng)需求，結(jié)合地域特點(diǎn)和自身材料屬性，優(yōu)化材料性能及整體方案，加大推廣力度，助力冰雪運(yùn)動(dòng)突破氣候條件向熱帶、亞熱帶地區(qū)拓展，為冰雪運(yùn)動(dòng)全球化、全民化貢獻(xiàn)科技力量。

作者單位：中國(guó)石化北京化工研究院