成型針織法扁平足矯形功能鞋墊的設計與研究

薛濤 趙鵬 楊露 馬池

摘 要：利用成形針織技術制備扁平足矯形鞋墊基體和高分子合成技術制備鞋墊填充用水凝膠，生產制備出了扁平足矯形用鞋墊。探究了彎紗深度對鞋墊透氣性的影響，對比分析了改性高嶺土使用量對合成聚n-異丙基丙烯酰胺/高嶺土復合水凝膠的溶脹、退溶脹、機械性能的影響。研究表明，成圈段和集圈段的針織參數彎紗深度（度目）設置為80、70時，能夠得到較好的織物透氣性;高嶺土漿液中高嶺土與去離子水配比為1∶15時，制備出的聚n-異丙基丙烯酰胺/改性高嶺土復合水凝膠能夠在60 min達到溶脹平衡，在6 min達到退溶脹平衡且斷裂強力能達到8 N左右，具有較好的使用性。

關鍵詞：針織鞋墊;扁平足矯正;水凝膠;n-異丙基丙烯酰胺

中圖分類號： TS186.3

文獻標志碼：A

文章編號：1009-265X（2021）06-0033-06

Design and Research of Orthopedic Insoles for Flatfoot by Full-fashioned Knitting

XUE Tao， ZHAO Peng， Yang Lu， MA Chi

（School of Textile Science and Engineering， Xi′an Polytechnic University， Xi'an， 710048， China）

Abstract： The body of orthopedic insole for flatfoot was developed by full-fashioned knitting and the insole filling hydrogel was prepared by polymer synthesis technology. The impact of the sinking depth on the air permeability of insole was analyzed， and the effects of the dosage of modified kaolin on the swelling， deswelling， mechanical properties of the synthesized poly （n-isopropylacrylamide）/modified-kaolin hydrogel was analyzed by comparison. The results indicate that a better air permeability could be achieved by setting the sinking depths （stitches） of the looping stitch and tucking stitch were set to 80 and 70 respectively. When the proportioning of kaolin slurry was 1：15 for kaolin and deionized water， the prepared poly （n-isopropylacrylamide）/modified-kaolin hydrogel can achieve swelling equilibrium at 60 min， and de-swelling equilibrium at 6 min， with a breaking strength of up to 8 N and good usability.

Key words： knitted insole; flatfoot orthopedics; hydrogel; n-isopropylacrylamide

收稿日期：2020-06-10 網絡首發日期：2021-04-15

基金項目：陜西省大學生創新創業項目（S202010709108），陜西省教育廳重點實驗室專項（15JS030）

作者簡介：薛濤（1979-），男，山東青島人，副教授，博士，主要從事紡織新材料新工藝方面的研究。

通信作者：趙鵬，E-mail： 1061458492@qq.com

扁平足是一種以足弓下降消失為主要特征的足部疾病，表現為運動疼痛和行走姿態的改變，還伴有跟腱炎、筋膜炎、關節炎、骨刺等并發癥[1]，嚴重者甚至造成運動功能喪失。足弓墊作為非手術介入治療扁平足的主要手段，通過抬高足弓部分，分配調整足弓受力，能夠使扁平足內的伸長肌腱恢復到正常水平。王瑞霞等[2]、Payehdar等[3]通過長期和即時觀察對足弓墊等矯形器材治療扁平足的效果進行了肯定。常規的矯正器材分為鞋內矯正器和足弓墊[4]，加工方法多采用熱塑或沖壓方式，材料有聚乙烯，聚酯類硬塑料，聚氨酯泡沫或硅膠等[5]。龔宇琨[6]通過沖壓的方式制備出了多層復合的扁平足矯形鞋墊。

本文選用毛紗與滌綸交織，通過成形針織方式加工出了扁平足矯正鞋墊，同時合成聚n-異丙基丙烯酰胺/改性高嶺土復合水凝膠作為填充材料，能夠為扁平足矯形產品的開發提供另一種參考。

1 實 驗

1.1 主要實驗設備與材料

龍星電腦橫機（LXC-2528SCV（7G），江蘇金龍科技股份有限公司）;羊毛紗、滌綸長絲（10根合股，每根20 tex ，實驗室自備）;n-異丙基丙烯酰胺（純度98%，海阿拉丁生化科技股份有限公司）。

1.2 基體及填充物的設計

1.2.1 鞋墊基體的設計

考慮到扁平足的足弓下降，足跟內翻情況，結合扁平足的足印法判定標準可知，扁平足的嚴重程度與足弓消失的程度相關[7-9]，因此，應在鞋墊的足弓處填充襯料。結合鞋墊的厚度和支撐力要求，同時要保留針織物本身就具有的舒適透氣性能，選擇采用雙面組織，形成夾層結構，具體編織圖如圖1所示，采用集圈行不編織的方式形成足弓處的填充空腔。

參照GB/T 3293.1-1998《鞋號》標準中規定的265/90鞋碼進行鞋墊尺寸拓樣，鞋墊適合足長265mm、寬90mm，按照扁平足生理特征將原本彎曲的鞋墊內側線修正為直線HF，足弓投影曲線由正常足底垂直投影為準，各處具體尺寸如圖2所示。

在計算針織工藝之前，先進行試片[10]。通過測量得知試片的密度參數為橫密：50針/12.76cm=3.92針/cm，縱密：100針/17.33cm=5.77針/cm。

按照此織密和矯形鞋墊各處尺寸，計算矯形鞋墊整體的織造工藝，由于足是對稱的，單獨計算右（左）腳的即可。如圖3所示，將鞋墊的尺寸曲線分為內側邊、外側邊、足弓線3條，按照從后向前織造的順序，其針織工藝分別如下：

內側線工藝：從后向前

度目代表了彎紗深度，表示織針在鉤入紗線后收針的收針深度，一定程度上表示形成的線圈長度，受制于機械加工和電器控制技術，不同品牌的單位度目表示的數值不盡相同，本產品使用的機型是江蘇金龍科技股份有限公司生產的龍星電腦橫機，型號為LXC-2528SCV（7G）。為了探究成圈和集圈時度目對織物的影響，按照表1所示工藝要求設置好機器參數，按照針織工藝進行織造。織造完成后按照如下針織物水洗工藝進行后整理：柔軟劑5%（owf），平滑劑5%（owf），浴比為1∶30（浸沒織物）常溫浸泡20 min，清水漂洗烘干，烘干后熨燙平整，熨燙溫度為150℃，成品如圖4所示。

1.2.2 填充用聚（n-異丙基丙烯酰胺/改性高嶺土）復合水凝膠的制備

分別稱取15、20、25、30 g高嶺土置于燒杯中，加入去離子水300 mL后再加入3.66 g無水LiCl，調節pH值為5，電磁攪拌5 min，溫度60℃，超聲震蕩80 min，之后1100 r/min剪切乳化60 min，溶液沉淀2 h，取10 g上清液作為1#，2#，3#，4#樣品;取1 g納米硅酸鎂鋰防沉劑laponite XGL，配成質量分數為5%的溶膠液體[11]，取10 g該液體作為對比樣5#;稱取高嶺土15 g，加入去離子水300 mL并攪拌5 min后沉淀2 h，取上清液作為對比樣6#。

在以上1#-6#樣中分別添加1 g的n-異丙基丙烯酰胺單體和0.02 g過硫酸銨，震蕩溶解后，加入0.07 g四甲基乙二胺引發劑，輕微震蕩后靜置陳化8 h，將制成的n-異丙基丙烯酰胺/改性高嶺土水凝膠帶容器置于45℃熱水中5 min，待水凝膠完全退溶脹后取出，在去離子水中使用溶脹-退溶脹的方式洗滌2～3次，擦干并在模具中壓制3 min進行定型，模具的尺寸長×寬×厚為35mm×5mm×2mm， 壓制定型后的水凝膠如圖5所示。

1.2.3 矯形鞋墊的制備

制備聚n-異丙基丙烯酰胺/改性高嶺土復合水凝膠的膠坯。按照扁平足患者的需求程度，進行裁剪修形，使得填充的水凝膠體對扁平足弓形成支撐，將其填充到鞋墊相應位置，采用盤縫的方法，將開口封住，成品如圖6所示。

1.3 矯形鞋墊的表征

1.3.1 彎紗深度（度目）對矯形鞋墊透氣性的測試

應用YG461Z型織物透氣性能測試儀測矯形鞋墊基體的透氣性，原理為通過測試恒定壓差下，織物兩側的氣體流速，評定織物透氣性，流速高則透氣性好，反之則差。實驗設定壓差為100Pa，分別測定1#，2#，3#樣品前足，足弓和后跟3處的透氣性，每處測3次取平均值。

1.3.2 復合水凝膠的表面形態表征

應用美國FEI公司的Quanta-450-FEG+X-MAX50型場發射掃描電鏡對制備的水凝膠樣品進行觀察。樣品制備先用液氮將水凝膠進行急凍20 s，取出水凝膠后使用刀片刮擦水凝膠表面，將碎屑制樣觀察。

1.3.3 水凝膠的吸水率

將每個試樣的水凝膠切成3塊，置于45℃熱水中充分退溶脹12 h，之后在室溫去離子水中溶脹，每隔一段時間取出后擦干表面水分稱重，直到前后兩次稱重差距小于3%為止，按照式（1）計算水凝膠的吸水率。

式中：WU表示水凝膠的吸水率，%;mt為經過時間t后水凝膠質量，g;md為完全干燥水凝膠的質量，g;m∞為一定溫度下達到溶脹平衡后的水凝膠質量，g。

1.3.4 水凝膠的保水率

將吸水平衡的每個水凝膠樣品切成3塊，將水溫調節至45℃，放入已經吸水平衡的3塊水凝膠，每隔一定時間取出水凝膠，擦干表面并稱重，直至前后兩次重量變化范圍在3%以內，按照式（2）計算45℃時水凝膠退溶脹速度。

式中： WR表示水凝膠的保水率，%;mt為經過時間t后水凝膠質量，g;md為完全干燥水凝膠的質量，g;m∞為一定溫度下達到溶脹平衡后的水凝膠質量，g。

1.3.5 水凝膠機械性能測試

應用南通宏大實驗儀器有限公司HD026D型多功能電子織物強力儀拉伸已定型的水凝膠，設置夾頭間距25mm，拉伸速度100mm/min，預加張力1 N對水凝膠試樣進行拉伸，拉伸結果以曲線形式記錄。

2 結果與分析

2.1 彎紗深度（度目）對矯形鞋墊基體透氣性的影響

測試不同度目下織物透氣性能的結果如表2。

通過分析單個樣品不同位置的透氣率，可以發現透氣率T足中>T前足>T足跟，可能是因為足中的位置按照扁平足矯形需要，留有空腔，而編織是由足跟向足尖方向，由于足中部分帶有空腔，因而在編織足中部到前足的過程中，牽伸羅拉的握持面積減少，握持力相對較小，織針在編織前掌成圈下降的時候，能夠下降到位，成圈較大，因而透氣性強于足跟部分。

通過對比1#，2#樣可以發現，集圈段度目增大，織物透氣性下降，這是由于集圈時彎紗深度越大，織針上鉤的紗線越多，織物內層紗線越多，氣流越難以通過;對比3#和1#，2#可以發現，當集圈段度目減小，成圈段度目加大的時候，織物表面變得稀疏，內層紗線減少，織物的透氣性得到提高。通過以上測試分析，選擇織物成圈和集圈段的度目分別為80、70。

2.2 復合水凝膠的表面性貌

聚n-異丙基丙烯酰胺/改性高嶺土復合水凝膠的掃描電鏡結果如圖7所示，從圖7中可以看到水凝膠表面崎嶇不平，有許多縱向的溝壑和橫向的波紋，同時有偶爾的裂紋。

縱向溝壑可能是由于在制樣時刮擦造成的，由于水凝膠脫水后會發生收縮，所以表面會形成溝紋，崎嶇不平，又由于水凝膠在刮擦的時候，使表面部分地方發生堆積彎曲，當超過水凝膠表面的彎曲強度則發生破裂。

2.3 測試水凝膠的吸水率和溶脹率分析

水凝膠的吸水率測試結果如圖8（a）所示。從圖8（a）中可以看出，采用改性高嶺土作為交聯劑的復合水凝膠1#-4#樣品會隨著所用高嶺土含量的增加，其吸水率和速度將低，需要較長時間才能達到溶脹平衡，而使用防沉劑Laponite XGL制備的5#樣品，其吸水速度高，在較短的時間內即可達到溶脹平衡，使用高嶺土沉淀上清液作為交聯劑的6#樣品，表現出較好的吸水率。

這可能是因為試樣1#-4#樣品中隨著高嶺土的相對含量增多，n-異丙基丙烯酰胺相對含量減少，同時由于改性的高嶺土表面積增大，活性點位增多，與n-異丙基丙烯酰胺的結合增多，從而使水凝膠大分子的吸水相變受到較多牽制，使水分和n-異丙基丙烯酰胺結合變得困難。而Laponite XGL作為一種防沉劑，粒徑和分散效果好，且硅酸鎂鋰Laponite XGL具有比高嶺土更好的親水性，在水凝膠復合體中能夠和n-異丙基丙烯酰胺發揮協同吸水的效果。使用未改性高嶺土上清液制備的水凝膠吸水率高且速度快，可能是未經改性的高嶺土穩定性差，在去離子水中短期內就發生沉淀，因此在合成的水凝膠內部很少有高嶺土的存在。

水凝膠的保水率測試結果如圖8（b）所示。可以看出1#-4#樣品的放水速度較慢，5#和6#樣的放水速率較快，而且放水速度明顯超過水凝膠的溶脹平衡速度。這可能是因為交聯劑Laponite XGL和聚n-異丙基丙烯酰胺水凝膠的交聯效果更好，吸排水的速率趨于一致，從而表現出來的效果好過改性高嶺土;6#樣品可能是因為含有較少高嶺土的緣故，未改性高嶺土經過攪拌后發生沉淀，只有微量的本征納米級高嶺土參與形成復合水凝膠，對于聚n-異丙基丙烯酰胺本征保水率幾乎不產生影響，從而6#試樣的溫度響應性很好，能夠快速排掉水分。

2.4 水凝膠機械性能測試

由于6#試樣結構松散柔軟，無法進行拉伸測試，1#-5#試樣的拉伸性能測試如圖9所示。從圖9中可以看到，最高拉伸強力T2#>T1#>T5#>T3#>T4#，其中1#-4#樣品在拉伸過程中拉伸平臺較為明顯，5#樣品拉伸到最大強度后很快屈服斷裂，斷裂強力較低;通過計算拉伸過程中應力和應變的積分面積，可得出來W2#>W1#> W4#>W3#>W5#。可見，使用改性高嶺土上清液制備出的聚n-異丙基丙烯酰胺/改性高嶺土復合水凝膠，水凝膠的機械性能得到了很大的提高，提高效果大大優于常規使用的硅酸鎂鋰等蒙脫土類添加劑。

在以改性高嶺土作為交聯劑的1#-4#試樣的拉伸過程中，拉伸強力隨著使用改性高嶺土量的增多而出現先增后減的情況，這可能和高嶺土在復合水凝膠材料中含量有關，改性的高嶺土以高表面積和高表面活性在復合水凝膠中發揮交聯的作用，但是隨著含量的增多，高嶺土團聚的可能增多，復合水凝膠中出現不均質化，在拉伸的過程中容易造成應力集中，從而使斷裂強力無法提高。

3 結 論

通過探究彎紗深度對制備出的扁平足矯形用鞋墊透氣性的影響，并對比分析改性高嶺土使用量對合成聚n-異丙基丙烯酰胺/高嶺土復合水凝膠的溶脹、退溶脹、機械性能的影響，得出如下主要研究結果：

a）當針織扁平足矯形鞋墊成圈段和集圈段的彎紗深度（度目）參數為80、70時，矯形鞋墊能夠達到較好的透氣性。

b）當按照高嶺土和去離子水1∶15的比例，改性高嶺土的分布能夠達到最佳效果，制成的聚n-異丙基丙烯酰胺/改性高嶺土復合水凝膠能夠得到較好的溶脹和機械性能。

通過針織的方法生產的扁平足矯形鞋墊具有透氣性好，吸濕性強，柔軟舒適的優點，填充的復合水凝膠能夠起到很好的力學支撐作用，能夠為今后扁平足的矯形治療提供更多的參考。

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