专利名称：人工草皮系统的制作方法
背景发明领域本发明涉及人工草皮，更特别地涉及一种编织人工草皮系统。
相关技术的描述已经开发了多种人工草皮系统，为各种运动和娱乐活动提供合成草皮比赛场地。人工草皮的一个例子包括一系统，其中纤维被丛生到一初级衬垫中。在丛生实施例中使用了多种纱线/纤维的组合。
公知的一种比赛场地包括一下层土面，一类似于草的绒毛纤维，及包含25到75体积百分比弹性颗粒和5到75体积百分比细沙的混合物的紧密顶部外皮。比赛场地包括一多细丝纱，该多细丝纱丛生到一纺织纤维衬垫中，形成具有类似于草的绒毛元件的绒毛纤维。适当的下层土面可包括混凝土或沥青铺道，紧密的粘土，或滚入普通松土中的石子。
至少由于丛生，现有技术中的草皮系统尤其会结构松散，且对于某些应用是不理想的。在将这些现有技术与下面描述的本发明进行比较后，本领域技术人员将明白现有技术中的许多问题和缺点。
发明概述本发明提供了一种非丛生的人工草皮。该人工草皮具有两个面纱，其中一个是非织构化的，其中另一个是织构化的。该人工草皮最好是编织的，该非织构化面纱或绒毛高度超过约0.6英寸，最好是具有至少约1.0英寸的高度。使用中，织构化绒毛的高度大大低于非织构化绒毛的高度，最好至少比非织构化绒毛的高度低25％。用缝入纱将织构化和非织构化绒毛纱针织在一起，在这样制成的人工草皮的加工方向形成多列纽结，将置入纱与该多列纽结互锁而形成用于绒毛纱的底座。最好将一密封件粘贴到衬垫上，以增加尺寸稳定性。
已知根据本发明原理建造的草皮使用针织机，该针织机可容纳超过1000个针，以生产出宽度约15英尺的人工草皮。装配工艺比丛生更复杂。将绒毛纱和缝入纱插入针织针中。通过用于机器的一单独进给机构将置入纱与绒毛和缝入纱互锁。形成绒毛纤维的套并用一纵切机切断。对针织后的草皮进行精整操作，其中粘贴一适当的密封材料，以渗透接触点从而稳定结构。该工艺通常是通过稳定纤维并调节绒毛的热处理来完成的。
根据本发明原理的草皮是用针织工艺制造的。这样制成的人工草皮最好安装在一下层土面上，该下层土面最好包括混凝土或沥青铺道，紧密粘土，石子，混合有土的石子，然后将更多的土或泡沫产品放置于下层土面上。最好在织构化和非织构化绒毛之中或周围填充约为织构化绒毛高度的如沙和/或橡胶颗粒这样的填充材料。
本发明的各方面可通过一种人工草皮实现，该人工草皮包括一第一面纱，一第二面纱，一置入纱和一缝入纱。至少由于形成织构化区域的原因，该第二面纱被织构化。通过将该第一面纱、第二面纱、置入纱和缝入纱针织在一起而形成一纽结。通过这种方式还形成一列纽结。当置入纱在至少两列纽结之间延伸并被针织成将该至少两列纽结固定在一起时，形成一衬垫。还将填充材料放置在衬垫顶部。
针对用于形成第一面纱、第二面纱、置入纱和缝入纱的材料类型有多种变化。所特别关心的是根据一些因素，如用于生产第一面纱的纺丝头和生产用于由该纺丝头挤压的颗粒，而可能赋予第一面纱的不同类型的物理形状和感觉。
本发明的各方面还可从生产人工草皮的方法中找到。该方法包括，但不必以这个顺序，下列步骤通过一纺丝头挤压颗粒而形成延长的丝带；将该延长丝带织入已织构化的其它丝带的混合物中，并针织缝入纱而形成纽结；切断该延长丝带而形成长度约为1英寸的平面纱；由该延长丝带、其它丝带和缝入纱形成多列纽结；将一置入纱织入该多列纽结中以结合该多列纽结，并产生用于人工草皮的衬垫，同时该结合还在衬垫顶部形成一织构化区域，该平面纱从该织构化区域向上延伸。
进一步参照下面的附图和说明，本发明的其它方面将变得更加明白。
附图简介当结合下面的附图考虑以下对附图的详细描述时，可获得对本发明的更好的理解。
图1是根据本发明原理建造的一示例性人工草皮的剖视图；图2是用于图1中人工草皮的示例性丝带的剖视图；图3是用于生产图2中制造图1中人工草皮用的丝带的一示例性纺丝头的平面图；图4是用于图1中人工草皮的一示例性衬垫的简图；图5是图1中示例性人工草皮的剖视图，其中还示出了一个泡沫板和一个下层土面；图6表示根据本发明原理建造的一人工草皮的示例性针织衬垫；图7A是可用于生产图1中人工草皮的示例性纺丝头的平面图；图7B是图7A中纺丝头尺寸的一示例性变形；图7C是一示例性纺丝头的平面图，该纺丝头是图3中纺丝头的另一种变形，并可用于生产图1中的人工草皮；图7D是一示例性纺丝头的平面图，该纺丝头是图3中纺丝头的又一变形，并可用于生产图1中的人工草皮。
附图详述图1是根据本发明的原理建造的一示例性人工草皮100的剖面图。人工草皮100建造成具有织入衬垫106中的平面纱102和织构化面纱104。衬垫106在图4中作了更详细的描述，但为了对人工草皮100进行一般和示例性的描述，应当注意，衬垫106是许多纤维的组合，这些纤维用于将平面纱102和织构化面纱104织入一用作人工草皮100的单块材料中。尽管此处描述的织构化面纱104是织构化的，但并不要求是织构化的，而是在此处称作“织构化的”以将其自身区别于平面纱102。
当人工草皮100的针织完成后，平面纱102和织构化面纱104从衬垫106向上延伸。衬垫106有时用其它类似的术语如“底座”来称谓，但对于本公开，它将称作衬垫106。当平面纱102和织构化面纱104织入衬垫106后，可在衬垫106上有一向人工草皮100提供更大稳定性和强度的覆盖层/密封层(未图示)。覆盖层可包括丙烯酸、聚氨酯、乳胶浆中的至少一个或其某些组合，以有助于防止平面纱102和织构化面纱104不期望地从延长使用的人工草皮100脱离。
图1中所公开实施例的一个期望的方面在于，人工草皮100是针织的而不是丛生的。尽管针织人工草皮100对人工草皮100的批量生产增加了复杂性，所公开实施例的发明人已经确定，针织人工草皮100的价值要胜过建造人工草皮100所需增加的复杂性带来的缺点。所公开实施例的另一期望方面在于使用两种单独的纱，平面纱102和织构化面纱104，这两种纱102和104以允许其它有利特征在人工草皮100中实现的方式针织。在针织中使用两种针，但针的数量的变化是可以想像的，如可以使用一个或多个针。
织构化面纱104经常称作织构化区域且一般短于平面纱(即非织构化纱)102，从而提供了一个优选区域，其中放置沙或橡胶填充材料，以改变人工草皮100的整体结构，用于人工草皮100的特殊用途。在一个实施例中，织构化面纱104是一多细丝纱，具有2到20个端头，最好是6到12个端头。
在一个实施例中，织构化面纱104是通过将细丝穿过一蒸汽喷口，最好是向上穿过蒸汽喷口而制成的。射出的纤维装填在一柱中，使纤维卷曲、扭弯和起皱。将纤维装填在柱中，沿横向方向抽空气穿过该柱以冷却细丝，扭弯、卷曲和起皱状态的分子记忆被赋予织构化面纱104。此处针对其它附图的说明描述了织构化面纱104和人工草皮100的其它特征。
图2是用于产生制造人工草皮100的平面纱102的一示例性丝带200。如图所示，丝带200包括三个椭圆部分202、204和206。这些椭圆部分202、204和206分别由一窄段208和210联接。窄段208联接椭圆部分202和椭圆部分204，而窄段210联接椭圆部分204和椭圆部分206。所示的一窄段212表示另外的椭圆部分(未图示)与图示的三个椭圆部分202、204和206联接的可能性。
值得注意的是，丝带200不是织构化的。因此当丝带用于生产平面纱102时的标记是“平”。平面纱102有时称作绒毛，绒毛纱，细丝，或者其它类似标记，但为了本公开的目的，此处称作平面纱102。平面纱102是由丝带200建造的，而丝带200由通过纺丝头挤压出的颗粒形成。
图3是用于生产丝带200的一部分示例性纺丝头300的平面视图。如前所述，丝带200被切割而产生用于生产人工草皮100的平面纱102。所示部分的纺丝头300是用于生产丝带200的纺丝头的三分之一。生产丝带200的纺丝头具有三个孔，颗粒穿过该三个孔，使丝带200成为具有三个椭圆部分202、204和206的一个连续纤维。当然，为了生产三个椭圆部分202、204和206，必须使用三部分所示部分的纺丝头300。
所示部分的纺丝头300包括一外壳302，该外壳302形成一用于颗粒穿过的孔304。所示孔302具有一锯齿状表面308，但可以具有此处针对说明书中的其它附图讨论的其它类型的表面。不考虑所使用的纺丝头，丝带200不是织构化的，并最终用于产生平面纱102。当该部分纺丝头300被两次复制时，用小孔305和306将复制部分的纺丝头300联接在一起，并形成共享小孔305和306的三个孔304。以这种方式，丝带200被制成具有三个椭圆部分202、204和206的一个连续纤维。
颗粒(未图示)最好是聚合或聚烯烃材料。例如，颗粒可以是聚乙烯，聚丙烯，聚对苯二甲酸丙二酯，各种共聚物等。颗粒还可以是尼龙材料，如尼龙6.6。颗粒可用各种化学制品制造，以产生不同的结构、颜色、物理性质等。当通过孔304及由小孔305和306联接的类似孔时，形成了丝带200，丝带200有时称作分段锯齿椭圆(SSO)型的丝带。纺丝头中的小孔305和306产生了在这些点相应较细的丝带200，这使丝带适应断裂、破损或分离，从而用单根丝带200产生多头。
当穿过一三孔纺丝头挤出颗粒时产生的单根连续丝带200与人工草皮100的其它纱一起针织，产生衬垫106(如针对图4更详细说明的)。当丝带200被切割后称作平面纱102。根据所需人工草皮100的草尺寸来切割丝带200。例如，一般将平面纱102切割成显得长于织构化面纱104。
如上所述，丝带200的窄段208和210最好在平面纱104受到应力时，如当在人工草皮100上进行比赛时断裂。当发生断裂时，椭圆部分202、204和206变成单独的细丝。以这种方式，虽然丝带200作为单根细丝织入人工草皮100中，但在使用过程中变成多丝纱，即窄段208和210断裂、破损或分离。
更一般地，当由窄段212引开后，丝带可包含由窄段并排联接的三个之外的椭圆部分。例如，椭圆部分的数量范围可以是2到12个，最好是2到6个。椭圆部分提供刚性，使得平面纱102在安装在下层土面上之后填加填充材料之前(如针对图5描述的)几乎垂直地站立。
图4是用于人工草皮100的示例性衬垫400(如衬垫106)的简图。衬垫400包括由针织形成人工草皮100的不同的纱产生的多列纽结402。例如提供了置入纱404作为衬垫400的建造块。将平面纱102和织构化纱104与缝入纱406打结在一起而形成成列的纽结402。缝入纱406图示为白套，平面纱102和织构化纱104(绒毛纱)图示为黑套。与平面纱102和织构化纱104相似，置入纱404和缝入纱406由多种不同材料构成并根据人工草皮100的期望用途而染色，例如可选择聚酯、尼龙和聚烯烃。如本领域技术人员在阅读了本公开后将理解的，上述纤维被针织而形成衬垫400。
图5是示例性人工草皮100的剖视图，其中还示出了一泡沫板502和一下层土面504。在所示实施例中，用本领域技术人员熟悉的标准联接工序将泡沫板502安装在下层土面504上。下层土面504可包括石子，土壤，石子和土壤的混合物，沥青，混凝土或提供稳定地基的其它适当材料。泡沫板502和下层土面504通常根据人工草皮100的期望用途来选择，有时单独或整体称作底基。底基可包括任意数量的不同材料，但一般从包含沥青、石子和泡沫板的组中选择。虽然没有图示，但可在衬垫顶部以接近织构化面纱104或区域深度的深度填加填充材料。填充材料一般是沙子和/或橡胶颗粒，但也可以是任何对在人工草皮100上进行的赛事适合的材料。在任何赛事中，材料都应具有弹性，并提供摩擦力减小的鞋附着力，从而当运动员在上面倒下或滑行时避免受伤。
图6示出根据本发明原理建造的人工草皮的一示例性针织衬垫600。针织的人工草皮包括在图1中详细描述过的两种类型纱，即平面纱和织构化面纱。人工草皮的衬垫600包括形成衬垫600一部分的数列纽结602。每个纽结通过将一缝入纱604和平面纱与织构化面纱中的至少一个缝在一起而形成。将一置入纱606与相邻列的纽结602互锁而提供了尺寸稳定性。因而将四根纱织在一起形成人工草皮的衬垫600平面纱(一般是尼龙)；织构化面纱(一般是聚乙烯)；缝入纱(一般是聚酯)604；以及置入纱(一般是聚酯)606。当然，如本领域技术人员在阅读了本公开后可以理解的，缝入纱604和置入纱606可分别由相同或不同的材料建造。
图7A是可用于生产人工草皮100的示例性纺丝头700的平面图。纺丝头700被分成三个部分702、704和706，其中每个都是锯齿形的。部分702和704由一延伸部708联接，而部分704和706由一延伸部710联接。纺丝头700的图中图示了颗粒穿过而被挤出的多个孔。通过如纺丝头700这样的纺丝头挤出颗粒而生产的丝带基本上具有与纺丝头700相同的截面特征。延伸部708和710向丝带提供了窄部分，当使用由用纺丝头700生产的丝带建造的人工草皮时，这些窄部分将断裂。所生产的平面纱根据选择用于挤压的纺丝头的类型而在结构上有所不同，但仍认为是“非织构化”纱。纺丝头700生产的丝带有时称作“蝙蝠翼”。
图7B是纺丝头700尺寸的示例性变化的平面图。示出了一个纺丝头720，其中包括三个孔722、724和726。孔722、724和726基本上是相同的，并排定位并由延伸部728和730联接。该实施例中，孔722和724由延伸部728联接。延伸部728远小于延伸部708，当延伸部728断裂时在孔722和724的孔边缘上留下数量少于延伸部708的丝带。以相似的方式，孔724和726由延伸部730联接。纺丝头720的尺寸为人工草皮的结构提供了另一种变化。
图7C是一示例性纺丝头730的平面图，该纺丝头730是由部分纺丝头300建造的纺丝头的一个变形，并可用于生产人工草皮100。纺丝头730有时称作未分割的金刚石，类似于没有尖角的加长金刚石。端部732和734被修改成打开，以允许纺丝头730与另一纺丝头如另一纺丝头730联接。另外，纺丝头730可与其它类型的纺丝头组合，如与纺丝头720或700或其一部分组合。本领域技术人员在阅读了本公开后可以设想并清楚不同类型纺丝头的多种变形。
图7D是一示例性纺丝头740的平面图，该纺丝头740是部分纺丝头300的又一个变形，并可用于生产人工草皮100。纺丝头740经常被称作带肋的矩形，并生产粗度比纺丝头730略大些的人工草皮。但根据所需要的纺丝头组合，所生产的平面纱在人工草皮中不是感觉软，就是感觉硬。例如，当纺丝头之间角度很小或没有角度地组合时，则人工草皮比纺丝头之间有很大角度组合时硬；当用具有相当大锯齿的纺丝头生产用于平面纱的丝带时，人工草皮并不是优选的滑行表面。纺丝头的其它组合是可以设想的，并应根据人工草皮所期望的用途来选择。
示例针织的尼龙人工草皮是用如用于平面纱的丝带型分段锯齿椭圆来制造的。平面纱为650但尼尔，有9个端头。织构化面纱由尼龙材料制成，具有金刚石形状的截面。织构化面纱420的重量是420但尼尔，有6个端头。
将平面纱(分段锯齿椭圆)、织构化面纱和由聚酯材料制造的缝入纱针织在一起，形成一纽结，因而形成多列纽结。用由聚酯材料制造的置入纱将多列纽结互锁在一起。在接触点将丙烯酸材料放置在该多列纽结上，从而增加尺寸稳定性。丙烯酸材料已经通过一炉在350°F温度下以3英尺/分钟的速度进行了熟化。
表1中的数据反映了从两个原型样本收集的数据。不同样本的期望值范围是不同的，例如，期望总重量在45-80盎司/平方码，聚酯重量范围是7.0-9.0盎司/平方码，总纱线(绒毛)重量范围是42.0-77.0盎司/平方码，非织构化或平面纱的纱(绒毛)高度范围是0.6-1.5英寸，每英寸的纽结(纵行)范围是6.0-6.5，每英寸缝合线范围是6.0-9.0，丙烯酸范围是3.0-4.0盎司/平方码。表1反映了两种样本的实际值。
表1
上面列出的各项以及所包括的信息并不是穷尽的，只是用于对本发明的人工草皮进行示例。特定的项目及特定实施例中所包括的信息取决于特定的实施及所包括的装置和资源。尽管结合优选实施例对本发明的系统和方法进行了描述，但这并不是要限定于此处列出的具体形式，相反，期望覆盖能够合理地包括在由如下发明范围所限定的本发明精神和范围中的这些替换、修改和等同物。
权利要求
1.一种人工草皮，包括一第一面纱和一第二面纱，该第二面纱被织构化；一衬垫，该衬垫通过针织该第一面纱，第二面纱，一缝入纱和一置入纱而制成，使第一面纱呈现出长于第二面纱；一覆盖层，该覆盖层与该衬垫联接，其中包括防止在人工草皮延长使用后纱线脱离；及一底基，该底基定位在衬垫下面，从而为人工草皮提供一稳定的底座。
2.如权利要求1所述的人工草皮，其特征在于，第一面纱在衬垫上方至少延伸1英寸。
3.如权利要求1所述的人工草皮，其特征在于，第一面纱从包含下列各项的组中选择尼龙6.6，尼龙6，聚丙烯，聚乙烯，聚烯烃，共聚物，挤压橡胶，及这些材料的混合物。
4.如权利要求1所述的人工草皮，其特征在于，第一面纱是一包含至少两个由一窄段连接的元件的丝带。
5.如权利要求4所述的人工草皮，其特征在于，该窄段在人工草皮使用过程中断裂，产生用于每个第一面纱的至少两个单独细丝。
6.如权利要求1所述的人工草皮，其特征在于，第一面纱具有类似于三个椭圆的截面，该三个椭圆首尾相连设置，以提供一个中央椭圆和两个外部椭圆，其中该中央椭圆通过一窄段与每个外部椭圆相连，该窄段在使用过程中断裂，产生用于第一面纱的三个单独细丝。
7.如权利要求6所述的人工草皮，其特征在于，每个椭圆具有一外表面，每个外表面为锯齿形。
8.如权利要求1所述的人工草皮，其特征在于，第二面纱中的织构化包括纱线在自身上卷曲、扭弯和起皱，使第二面纱不伸出其全部可能高度。
9.如权利要求8所述的人工草皮，其特征在于，第二面纱具有其卷曲、扭弯和起皱状态的分子记忆。
10.如权利要求1所述的人工草皮，其特征在于，衬垫还包括与第一和第二面纱一起针织而形成多列纽结的缝入纱。
11.如权利要求10所述的人工草皮，其特征在于，衬垫还包括用于将多列纽结织在一起而形成衬垫的置入纱。
12.如权利要求11所述的人工草皮，其特征在于，衬垫还包括一覆盖层，该覆盖层具有形成于其中用于促进排水的孔。
13.如权利要求1所述的人工草皮，其特征在于，填充材料的深度大约是第二面纱的深度。
14.如权利要求1所述的人工草皮，其特征在于，还包括置于衬垫顶部的填充材料。
15.一种人工草皮，包括一第一面纱，一第二面纱，和一缝入纱，该第二面纱被织构化；一纽结，该纽结通过将第一面纱、第二面纱和缝入纱织在一起而形成，其中形成一列纽结；一衬垫，当一置入纱在至少两列纽结之间延伸并被织成将该至少两列纽结固定在一起时形成该衬垫；一覆盖层，该覆盖层粘结到该衬垫上以增强纽结的耐久性；及一底基，该底基定位在该衬垫下方，从而为人工草皮提供一稳定的底座。
16.如权利要求15所述的人工草皮，其特征在于，第一面纱呈现出长于第二面纱。
17.如权利要求15所述的人工草皮，其特征在于，第二面纱在第一面纱的底部产生一织构化区域。
18.如权利要求15所述的人工草皮，其特征在于，还包括置于衬垫上的填充材料，该填充材料以对应于第二面纱的深度放置在衬垫上。
19.如权利要求15所述的人工草皮，其特征在于，第一面纱在衬垫上方至少延伸1英寸。
20.如权利要求15所述的人工草皮，其特征在于，第二面纱产生一大约二分之一英寸的织构化区域。
21.如权利要求15所述的人工草皮，其特征在于，置入纱和缝入纱分别由从包含聚酯和玻璃纤维的组中选择出的材料制造。
22.如权利要求15所述的人工草皮，其特征在于，第二面纱包括尼龙材料。
23.如权利要求15所述的人工草皮，其特征在于，第一面纱包括尼龙材料。
24.一种用于形成人工草皮的方法，包括使颗粒挤压通过一纺丝头，形成一延长的丝带；将该延长丝带织入已织构化的其它丝带的混合物中，并针织缝入纱而形成纽结；切断该延长丝带而形成长度约为1英寸的平面纱；由该延长丝带、其它丝带和缝入纱形成多列纽结；将一置入纱织入该多列纽结中以结合该多列纽结，并产生用于人工草皮的衬垫，同时该结合还在衬垫项部形成一织构化区域，该平面纱从该织构化区域向上延伸。
25.如权利要求24所述的方法，其特征在于，由尼龙、染料和聚合材料的混合物制成颗粒。
26.如权利要求24所述的方法，其特征在于，该延长丝带被分成至少两个由至少一个窄部分联接的较大部分，在人工草皮使用过程中当平面纱受到应力时该至少一个窄部分适当地断裂。
27.如权利要求24所述的方法，其特征在于，还包括将衬垫安装到一底基上。
28.如权利要求24所述的方法，其特征在于，还包括用适于人工草皮所期望用途的适当填充材料填充在第二面纱之中和周围。
29.一种人工草皮，包括一第一面纱和一第二面纱；一衬垫，该衬垫通过针织该第一面纱，第二面纱，一缝入纱和一置入纱而制成，使第一面纱呈现出长于第二面纱；一覆盖层，该覆盖层与该衬垫联接，其中包括防止在人工草皮延长使用后纱线脱离；及一底基，该底基定位在衬垫下面，从而为人工草皮提供一稳定的底座。
全文摘要
人工草皮包括一第一面纱，一第二面纱和一缝入纱。至少由于形成一如织构化区域的原因，该第二面纱在某些实施例中被织构化。通过将该第一面纱、第二面纱和缝入纱针织在一起而形成一纽结。通过这种方式还形成一列纽结。当置入纱在至少两列纽结之间延伸并被针织成将该至少两列纽结固定在一起时，形成一衬垫。一覆盖层与该衬垫联接，其中包括防止在人工草皮延长使用后纱线脱离。一底基定位在衬垫下面，从而为人工草皮提供一稳定的底座。
文档编号E01C13/08GK1401036SQ01805015
公开日2003年3月5日 申请日期2001年2月13日 优先权日2000年2月14日
发明者里德·J·西顿 申请人:西南娱乐工业公司