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被“踩”在脚底下的高科技

来源:荣格-《国际塑料商情》 发布时间:2021-07-01 1100
化工塑料橡胶塑料加工设备模具及零件材料处理、计量与检测原料及混合物添加剂及母粒其他增强塑料 市场趋势
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如果把鞋底看成是一层层堆叠起来的话,最外层是大底,大底的上一层则为中底(Midsole),中底之上就是内底(Insole)了,一般会用鞋垫(sockliner)来充当。

提起高新技术行业,大多数人也许会随口而出:5G、医疗、航空航天、智能制造……除了这些答案,你有注意过吗,其实有些高科技每天都被你“踩”在脚底下!


没错,这就是你爱穿的运动鞋。不起眼的运动鞋到底蕴含哪些高科技?鞋材大咖推出的创新解决方案会为消费者带来哪些福利?满足个性化需求的3D打印运动鞋能量产吗……带着满腹疑问,一起随本刊走进足下科技吧。


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花样繁多的鞋中底材料,你知多少?
如果把鞋底看成是一层层堆叠起来的话,最外层是大底,大底的上一层则为中底(Midsole),中底之上就是内底(Insole)了,一般会用鞋垫(sockliner)来充当。鞋中底的作用是提供稳定性,缓冲和回弹,吸收运动中产生的冲击力,在运动中提供保护和比较温和的脚感,因而被形象地称为跑鞋的“灵魂”。这也是各大跑鞋品牌的核心标志、立身之本。


常见的鞋中底材料包括EVA(乙烯/乙酸乙烯酯共聚物)、PU(聚氨酯)&TPU(热塑性聚氨酯)、PVC(聚氯乙烯)、PE(聚乙烯)、ETPU、POE、OBCs、乙烯基、丙烯基、EPDM、SEBS、PEBA、TPEE(热塑性聚酯弹性体),等等。这些材料制成的鞋中底性能各有不同。


◆EVA发泡鞋材
常规EVA材料价格低廉,同时具有一定的柔软性和弹性,是广泛使用的中底材料之一。但普通EVA中底的跑鞋在跑上一定的里程之后,泡沫中的空气被挤出去,这样一来,被“压制”的EVA是无法变回原来的形状的,缓冲的能力也大不如前,所以脚感会变硬。


为了解决EVA的这个问题,将EVA与其他高分子材料混合,又衍生出了各种各样的不同中底材料,如,Phylon(一种二次EVA发泡材料)、Phylite(由60%的Phylon和40%的橡胶制成)、Cushlon(Phylon和橡胶的混合物,但橡胶的成分非常少)、Lunar(一种EVA和丁腈橡胶的混合物)……


Hyper Burst是斯凯奇迄今为止所应用的最轻、最有弹性的中底发泡材料,采用斯凯奇独家特殊配方,透过压力、温度、氮气及二氧化碳,以超临界发泡制程技术,让空气与配方成分在EVA材料中均匀形成无数个紧密贴合的密闭式球型气囊结构,紧密组合成宛如细胞体结构般独特的中底材料。斯凯奇2019年推出的GORUN Razor 3 Hyper 跑鞋、2020年5月推出的GOMEB SPEED 6 HYPER 竞赛型轻质跑鞋等均有采用该材料。


◆EPDM发泡鞋材
EPDM(三元乙丙橡胶)是乙烯、丙烯和少量的非共轭二烯烃的共聚物,具有耐臭氧、耐热、耐候等优异的耐老化性能。 主要用于和EVA橡塑并用,可在一定程度上改善EVA的结晶度,从而提升EVA发泡的回弹性,并带来耐臭氧、耐热、耐候等耐老化性能。


Keltan® Eco是世界上首个商业化生产的生物基EPDM。其中的乙烯源自甘蔗,具有真正的可持续性,获得生命周期评估认证,可采用ASTM D6866碳-14方法检测生物基成分。用于发泡鞋材,可实现低硬度、变形小、高弹性 。


◆OBCs发泡鞋材
OBCs,即半结晶热塑性聚烯烃弹性体,基于陶氏专利技术合成,具有质量轻、回弹性好、质地柔软等特性,纯OBCs材料的回弹性可达到65%以上。OBCs与EVA、POE有良好的相容性,基本每一个EVA橡塑配方里面都会有这三个组合,OBCs质量份一般在10-20phr,用于提高整体鞋中底发泡材料的性能。


OBCs除了在EVA橡塑并用中充当改性剂,还可作为鞋中底的主要成分,含量可高达80phr,比如UA(安德玛)的HOVR中底科技便是以OBCs为主,相比起传统 EVA 发泡材质,其在承受冲击后能给予更多回馈能量,同时在动态压缩测试下 HOVR 受力形变后回复程度也更好。


◆TPEE发泡鞋材
TPEE,又叫COPE、TPC-ET等,中文全称是热塑性聚酯弹性体。其本质是由聚酯硬段和聚醚软段组成的线性嵌段共聚物,具有高强度、高弹性、耐油、耐高温、耐辐射、高回弹优越等特性。与橡胶相比,它具有更好的加工性能和更长的使用寿命;与工程塑料相比,同样具有强度高的特点,而柔韧性和动态力学性能更好,其拉伸模量和压缩模量高于TPU。


TPEE发泡鞋材在运动鞋方面的应用,大多数是被用在EVA橡塑复合当中,作为辅料去改善EVA发泡鞋材的性能。TPEE作为主料,制备发泡中底则相对较少。


◆SEBS发泡鞋材
SBS为苯乙烯一丁二烯一苯乙烯嵌段共聚物,SBS配合其它高聚物改性,添加软化油、填料、加工助剂等,经加工制得热塑性弹性体鞋底材料。防滑性、耐低温性、绝缘性、加工性能都良好、拉伸强度大,废料可回收。
SEBS弹性体是首次在世界上实现工业化生产的弹性体,是使用性能优、应用领域广的环境友好型高分子材料。在鞋材方面,与EVA材料混合改性发泡,借SEBS发泡材料具有柔软与柔和质感之优势,使得改性后的EVA具有更佳的动态粘弹性质。


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◆TPU发泡鞋材(ETPU)
ETPU的半道杀出几乎动摇了EVA发泡鞋材的统治根基,成为快速兴起的鞋底鞋材的中坚力量。TPU具有拉伸强度高、伸长率大,长期压缩永久变形率低等显著优点,吸震能力、耐用性较EVA强。将TPU发泡后就形成了ETPU。


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相比传统的EVA中底,ETPU中底采用物理发泡的聚氨酯材料,成型后呈爆米花状,具有优异的回弹性和形变恢复性,性能也远超传统的EVA材质。其优势还包括:优异的耐磨性,低温性能好,超轻密度,极佳环保性,耐屈挠性能好,耐黄变,有良好的回弹性,一般泡沫落球回弹值可达到60%。


全球首款ETPU——Infinergy由巴斯夫2007年开发,并陆续应用在阿迪达斯Boost系列运动鞋上,是具有卓越弹性和减震特性的革命性发泡鞋材。2020年8月,由巴斯夫聚氨酯(PU)和热塑性聚氨酯(TPU)作为关键部件打造、面向全球产业工人的Timberland PRO® Reaxion安全鞋面世。该产品采用了Timberland Aerocore™ Energy System 专利技术,同时具有运动鞋的舒适灵活与工作靴的耐用性能。Aerocore™ Engery System 由三层组成:抗疲劳技术鞋垫、发泡中底和无痕外底。这三层共同作用,实现了卓越的能量回弹、舒适度和抓地力,这也使得 Timberland PRO Reaxion 工作鞋成为仓储、生产等室内工作环境,以及建筑工地或其他户外工作环境的理想之选。


安全鞋的外底采用了具有出色耐磨性和抓地力的巴斯夫 Elastollan® 热塑性聚氨酯(TPU)材料,而中底和鞋垫则采用巴斯夫 Elastopan® 高回弹发泡聚氨酯,以提供全天候的支撑力和舒适感。


◆乙烯基聚合物发泡鞋材
乙烯基功能聚合物,包括其弹性体及极性共聚物,是最适合发泡成型的一大类材料,在超轻高弹鞋材领域也正在成为人们最重要的选择之一。乙烯基弹性体是一类密度最低的弹性体,陶氏公司是该领域的开拓者,拥有最多的产品组合,市场份额超过60%。


陶氏有近20大类、数百种功能型乙烯共聚物用于发泡鞋材,可以实现对性能的灵活组合。如 INFUSE™ (OBCs) 可明显提高泡沫体的性能,可以大比例使用得到性能优异的超轻高弹泡沫产品;ENGAGE ™ POE 可与EVA复配改善其性能,影响价格十分有限,可用于中高端超轻高弹泡沫鞋材;FUSABONDTM 514D 可以作为轻质泡沫助剂,加入以上鞋材,获得超轻泡沫材料;ElvaloyTM AC聚合物用于发泡鞋材,作为添加剂可改善鞋材的加工性能,粘结及外观;SURLYNTM 离子聚合物可以用于鞋头衬片及港宝,可以改善泡沫结构,提高撕裂强度,适合更轻泡沫。


◆POE发泡鞋材
POE指乙烯、辛烯无规共聚的热塑性弹性体,属于聚烯烃弹性体的一类,是陶氏化学以茂金属为催化剂合成的具有窄相对分子质量分布和均匀短支链分布的弹性体材料。它比EVA更轻质,耐寒性、耐老化性、耐臭氧性、耐化学品性能都较优,可带来良好的拉伸强度,更好的触感。这种弹性体从2000年开始被应用于鞋材行业,与EVA橡塑并用成为鞋中底的主要用途。


ENGAGE™ 是最具代表性、应用最广泛的POE聚烯烃弹性体。基于陶氏独有INSITE™技术填补了热塑性塑料及传统橡胶材料间的空白。半结晶热塑性聚烯烃弹性体,硬度(Shore 50~90A),密度范围0.857–0.91,明显低于EVA熔融指数30~ <0.5 (50门尼)。


2019年10月,全球领先的多元化化工企业沙特基础工业公司SABIC,推出了同时适用于运动鞋和休闲鞋的新型专用聚烯烃弹性体(POE)发泡材料解决方案——FORTIFY™C11075DF和FORTIFY™C05075DF,结合溶液工艺和专利茂金属催化剂的尖端技术,融合塑性塑料的工艺性、易回收性和易回收性,具备了橡胶的柔软性、低压缩度、高性能的特点,能够提供稳定的发泡能力、卓越的回弹性和更高的压缩强度,因此能够实现更好的轻、回弹、耐持久的性能。这款材料可被选择应用于大多数发泡工艺,从压缩成型到注塑成型——这正是制鞋行业的主要环节。


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◆PEBA/TPAE发泡鞋材
热塑性聚酰胺弹性体(PATE或PEBA),也叫尼龙弹性体,是由线型刚性聚酰胺链段和挠性聚醚链段组成的线性嵌段共聚物,具有拉伸强度高、弹性恢复性好、低温抗冲击强度高、耐低温性优异等特点,用作发泡鞋材可作高端甚至专业级跑鞋,价格昂贵。


与其他热塑性弹性体(如TPU、SBC、TPEE等等)相比,TPAE有着综合性能好,加工性好、透明、质量轻等优点。在鞋材方面的应用,早期是作为硬质弹性板块,比如鞋底的支撑部件,等等。近年来,随着发泡后优异的回弹性能及超低密度被挖掘,尼龙弹性体作为发泡中底开始得以应用推广。比如耐克的ZoomX中底科技、李宁䨻、Reebok Floatride、Decathlon TPE、SKECHERS HYPER BURST中底科技等均采用 PEBA发泡鞋材以超临界发泡工艺用于中底,这些产品也成为应用黑科技的典型案例。


2020年2月28日,匹克通过线上直播的方式发布了最新鞋中底技术——氢弹科技,其通过EVA和尼龙弹性体复合,采用自主研发创新发泡工艺,鞋中底可以达到0.11g/cm3的密度,可轻达160克,最大回弹性能可达到70%。


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可回收TPU材料成为鞋材新宠儿
和很多其他行业一样,低碳环保、可持续发展也是近年来鞋材发展的一个重要方向。TPU作为热塑性聚氨酯弹性体橡胶,不仅耐磨、耐油、弹性好,其无卤阻燃TPU还可以作为软质PVC的代替品,更重要的是该材料可以回收再利用,因而越来越多的企业将品牌创新和环保理念倾注于对TPU材料的开发和应用上。


此前,阿迪达斯正式发布了第二代FUTURECRAFT.LOOP可循环跑鞋,这是一款被二次回收所制成的运动跑鞋,100%由TPU材料制成。当Futurecraft.Loop废旧以后,它们将被送回阿迪达斯消毒、磨成小球、再次融化成原材料,然后用于制造一双新鞋。其中底仍然是阿迪达斯的经典黑科技Boost,也就是E-TPU(发泡热塑性聚氨酯)全掌式中底,又叫爆米花鞋中底,具有传说中踩屎般的柔软回弹感受。同时跑鞋的外底、鞋帮、扭杆、鞋带等部件都是TPU制成,可以通过加热回收、再次成型、组装,从而实现可回收、绿色环保的目的。


科思创也在K 2019展会上展出了一款由100%TPU制成的运动鞋。这双鞋除了可回收的亮点,它还包含Desmopaneco系列TPU,这款TPU的含碳部分来源于生物基材料,其他类型如正在使用的Desmopan37385A则基于聚醚碳酸酯多元醇,科思创使用创新技术用CO2生产聚醚碳酸酯多元醇,并以cardyon的号牌出售。


早前,Salomon正式宣布推出了全新可回收的性能跑鞋 INDEX.01。作为Salomon法国阿尔卑斯山的安纳西设计中心经过三年研究和开发的成果,INDEX.01 通过使用可回收循环利用的材料打造而成,其中鞋面使用了可回收的聚酯,鞋底则采用了热塑性聚氨酯 TPU,Salomon 团队通过这样的设计确保了Index.01这两个主要部分都实现了可回收。而在鞋的寿命“终结”时,取下可回收的鞋垫,鞋面与鞋底即可分开,并各自进行回收。鞋底的部分将被磨成小颗粒,与TPU原料混合,随后制成Salomon高山雪靴及其他产品,余下的涤纶鞋面也可以在织物的制作中重复使用。据悉,Salomon全新可回收的性能跑鞋INDEX.01已于今年4月22日世界地球日当天限量发售。


盛禧奥旗下公司API是著名环保鞋材解决方案供应商。其APILON™ 52 ECO系列3种热塑性弹性体 (TPU) 的工业后回收工艺获 Global Recycled Standard (全球回收标准,GRS) 认证。这3种材料含回收成份20%至50%不等,是盛禧奥可持续发展产品组合中的重要部分。这次获GRS认证,是盛禧奥材料可持续发展的最佳证明。


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3D打印运动鞋掀起新潮流
除了材料本身,3D打印的加持让运动鞋的科技感更加充足。自2013年Nike首次采用3D打印技术制造足球鞋开始,阿迪达斯、新百伦(New Balance)、安德玛(Under Amour)等各大鞋类品牌商紧跟其后,纷纷拥抱3D打印技术。部分国内运动鞋品牌亦早早地将目光触及此——匹克曾在2013年左右采购了第一台3D打印设备;李宁大约也在这个时间引入一台德国的激光烧结设备。


早期,3D打印运动鞋主要用于小批量的运动员定制,未能实现规模化生产。而得益于和3D打印公司Carbon的合作,阿迪达斯的FutrureCraft系列最早实现了10万双销量。在2020年的TCT Asia展会上,目前全球估值最高的3D打印独角兽企业——Carbon向中国市场证明:3D打印技术实现工业量产不再是传说!


早在2015年,Carbon的连续液面生产技术(CLIP,Continuous Liquid Interface Production)就登上了《科学》杂志封面。CLIP技术依据光固化3D打印的原理,利用高分子薄膜在树脂槽底层形成一层富氧层,在富氧层的树脂仍然维持液态,而在富氧层的上面树脂才开始固化,直接省略了过去大大影响光固化3D打印的重复性剥离动作,实现连续的固化成型。


此后,针对传统的树脂3D打印零部件比较脆的问题,Carbon在树脂材料中加入了可控的热固化组份,从而在光固化成型之后的烘烤处理过程中大幅度提升材料的强度,使之能够用于最终零部件或工具夹具的用途;这种树脂被称作可编程树脂。而这一整套从耗材到3D打印及后处理的方案,被Carbon称作“数字光合成技术(DLS,Digital Light Synthesis)”。这项由Carbon独创的技术直接将3D打印速度提升了25倍-100倍。目前,Carbon已经投入大量资金,与科思创合作并商业化生产DLS技术中关键的聚氨酯基液态树脂材料。


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在举世瞩目的K 2019上,万华化学携手匹克体育共同推出的全3D打印鞋材解决方案“The Next”首发即受到全球瞩目。该产品融合了高品质、高灵活度的WANFAB®TPU线材、WANFAB®TPU粉末、WANFAB®环保涂层以及Adwel®水性胶黏剂乳液全系列材料。通过与3D打印设备商、服务供应商合作,万华化学调试出最佳的TPU线材与粉末性能,能够满足鞋面打印使用的FDM技术(Fused Deposition Modeling)以及鞋中底使用的SLS技术(Selective Laser Sintering),支持高质量3D打印鞋面与中底制造。此外,“The Next”全3D打印运动鞋重塑了运动鞋生命周期,以100%的可回收性能实现了对于环境的“零伤害”。


除了全材料特性,定制化也是3D打印运动鞋所具有的独特优势,成为消费者关注的重点。目前多数消费者对于定制化需求集中于运动鞋的外观,即通过颜色、鞋型选择,打造属于自己差异化的产品。然而在此基础上,功能和使用体验的全方位定制化才能为消费者带来更好的体验。本次全新发布的3D打印鞋材解决方案便旨在推动定制化体验往前迈进一步。


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WANFAB®TPU线材拥有多种硬度、颜色、直径和功能选择,使3D打印鞋面在柔韧性、耐磨性、色彩上有拥有丰富表现,给予设计师充分的创作自由以及消费者多样性的功能选择。本次与匹克体育合作中,3D打印鞋面还进行了定向设计,实现极佳的透气性和贴合性,让消费者在运动过程中,保持鞋面的全程贴合以及高空气流动,带来清爽、舒适的体验。


此外,WANFAB®TPU粉末也拥有多种硬度可供选择,制成的3D打印中底拉力强度大于18Mpa,断裂延伸率达到350%,充分实现中底回弹性和支撑性上的多样化需求。而WANFAB®环保涂层解决方案让鞋子拥有了更加丰富的色彩表现,并且在夜光、温敏等感官性能方面助力定制化体验。

写在最后
当你穿上一双融合了高科技的运动鞋时,那种由足底传递全身的舒适感让人更加确定:科技创造了美好生活!

(部分来源:中关村在线、艾邦高分子、万华化学、球鞋博物馆、慧正资讯、巴斯夫、塑料机械网、莆田鞋业网、荣格工业资讯……)



来源:荣格-《国际塑料商情》


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