納米復合材料的加入對運動鞋底的性能影響

房高建

(1.電子科技大學 信息與軟件工程學院，四川 成都 610054；2.開封文化藝術職業學院，河南 開封 475000)

在進行體育運動時，穿運動鞋能夠有效起到緩沖作用，能夠保護運動者。鞋底的材質決定了運動鞋的耐撞性、穩定性、抗沖擊性和防滑性，進而對運動者的運動產生重要影響[1-3]。國內外眾多學者對運動鞋鞋底的設計和性能進行了研究[4-6]。將納米材料應用于聚氨酯材料制備的聚氨酯鞋底，可提高運動鞋底的性能，這也是目前的研究者們關注的研究方向之一[7]。本文以低密度聚氨酯鞋底原液為聚氨酯基體，采用預聚法，在聚氨酯鞋底原液中添加納米CaCO3粒子，考察其防滑性能、耐磨性等性能。

1 實驗部分

1.1 材料與儀器

乙二醇(EG)、二甘醇(DEG)、己二酸(AA)、鈦酸四異丙酯(TPT)、二苯甲烷-4’4-二異氰酸酯(MDI)、液化MDI、異丙基三(二辛基焦磷酸酰氧基)鈦酸酯(NDZ-201)偶聯劑、硬脂酸鈉分散劑均為工業級；丙酮，分析純；氮氣為精氮；納米CaCO3(Φ=100 nm)。

KQ-16OTDB型臺式高頻數控超聲波產生器；JJ-1 型電動攪拌器；PK-227A鞋防滑實驗機。

1.2 實驗方法

1.2.1 納米CaCO3表面改性[8]將納米CaCO3、鈦酸酯偶聯劑、丙酮在60 ℃下超聲振蕩30 min。加入一定量硬脂酸鈉，攪拌混合均勻，超聲振蕩30 min，得到納米CaCO3濾餅。用丙酮沖洗，于100 ℃下烘干2 h以上。

1.2.2 低密度聚氨酯鞋底原液制備[9]按表1中的原料配比配制出低密度聚氨酯鞋底原液。采用預聚法，將EG、DEG、AA混合脫水后，加入催化劑TPT反應，制得聚酯多元醇。將部分聚酯多元醇與EG、DC及水在60 ℃下混勻靜止脫氣2 h，制備組合液A。加入MDI、液化MDI聚酯多元醇、抑制劑磷酸以及經過表面處理的納米CaCO3，在60 ℃下攪拌混合3 h，制備組合液B。在45 ℃下，用EG溶解固體三乙烯二胺，制成質量分數為33%的組合液C。

1.2.3 鞋底成型 將組合液A和C混合均勻，保持在40～45 ℃，倒入PU鞋底澆注器的A罐中；組合液B保持在40～42 ℃，倒入PU鞋底澆注器的B罐中。模具的整體溫度保持在50 ℃下，用PU鞋底澆注機器，將三組液體混合液注入180 mm×190 mm×9 mm的模具中，5 min后脫模，放置24 h后再進行各項性能測試。

1.3 性能測試

應用PK-227A鞋防滑實驗機對兩種鞋底(納米CaCO3復合聚氨酯材料鞋底(A1)以及純聚氨酯材料鞋底(A2))進行防滑實驗；選擇防滑機轉速(150，250，300 mm/min)，測試不同情況下的摩擦力和摩擦系數；實驗前后用電子秤稱量鞋底，通過磨損量來判斷鞋底的磨損性能。

2 結果與討論

2.1 摩擦學性能

A1和A2兩種鞋底材料在不同速度下的摩擦力對比見表1。

表1 不同材料在不同速度下的摩擦力Table 1 Friction force under different materials at different speeds

由表1可知，隨著防滑機速度的提高，不同材料的鞋底摩擦力增大。在三種情況下，A2的靜摩擦力>A1，動摩擦力表現為A1>A2。因此，在靜摩擦力方面，納米CaCO3復合聚氨酯材料鞋底高于純聚氨酯材料鞋底；但在動摩擦力方面，納米CaCO3復合聚氨酯材料鞋底的動摩擦力低于純聚氨酯材料鞋底。

一般情況下，模型系數不能通過防滑實驗直接獲得。摩擦系數可以通過測量摩擦力除以垂直壓力得到[10]。通過有限差分，摩擦系數可以通過以下公式換算：

(1)

通過積分換算可得：

(2)

在不考慮表面粗糙度的情況下，獲得的摩擦系數為：

(3)

式中k——比例系數；

N——摩擦力，kg;

θ——接觸角，(°)。

根據計算，不同速度下的不同鞋底材料的摩擦系數見表2。

表2 不同材料在不同速度下的摩擦系數Table 2 Friction coefficients under different materials at different speeds

由表2可知，隨著防滑機轉速的提高，兩種材料的摩擦系數變化不大。速度對摩擦系數的影響不大，基本上符合靜摩擦系數大于動摩擦系數的規律。兩種材料的摩擦系數差別不大，可能是由于相關實驗誤差的原因，但也顯示出了較明顯的規律。

運動者在高速奔跑時，鞋與地面的摩擦力絕對是影響運動員滑跑距離、急停時間和對地壓力的關鍵因素[11]。在運動過程中，一般運動者首先因慣性滑行，然后突然停止。腳首先受到地面的滑動摩擦力，然后在停止后受到靜摩擦力[12]。實驗結果表明，就動摩擦力而言，納米CaCO3復合聚氨酯材料鞋底比純聚氨酯材料鞋底低，這說明納米CaCO3復合聚氨酯材料鞋底在運動員急停時較純聚氨酯材料鞋底滑行距離更短，能夠及時停止。摩擦系數對應的防滑性能是運動鞋的重要指標[13]。更小的靜摩擦系數代表更好的緩沖能力,更大的靜摩擦系數表現出良好的蹬伸效果，有利于運動員的后退和折返[14]。納米CaCO3復合聚氨酯材料鞋底的相關摩擦系數均優于純聚氨酯材料鞋底。這進一步說明，納米CaCO3復合聚氨酯材料鞋底比純聚氨酯材料鞋底防滑性能更好。

目前，納米粒子如何改善聚氨酯材料摩擦性能的機制尚無準確的認識。其原因可能是納米粒子的小尺寸使其能夠均勻分散在聚氨酯材料中，同時其高比表面積以及高表面能，在固化過程能夠同時與聚氨酯材料中的相關基團發生化學鍵合，化學鍵的高穩定性能夠大幅增強聚氨酯復合材料的強度。另外，納米粒子可以作為應力集中點，在摩擦過程中增強表面摩擦。

2.2 耐磨性能

兩種材料在不同速度下的磨損量見表3。

表3 不同材料在不同速度下的磨損質量Table 3 Different mass under different materials at different speeds

由表3可知，在相同的實驗條件下，隨著防滑機速度的提高，兩種不同材質鞋底的磨損都有不同程度的加劇，A2低于A1。這說明納米CaCO3復合聚氨酯材料鞋底耐磨性能最好，純聚氨酯材料鞋底耐磨性能較差。

在增強耐磨性能方面，納米粒子的增強效應與其他有機分子基材有關?？赡艿淖饔脵C理有改性劑與填料表面互相作用、改性填料與有機基體見互相作用。針對這兩種作用機理，提出了幾種相關理論，包括化學鍵理論、表面浸潤理論、可變形層理論和約束層理論[15-16]?；瘜W鍵理論認為是復合材料中的幾種材料間發生率化學鍵合，化學鍵使復合材料界面結合更強提升了強度。表面浸潤理論則認為是材料之間的均勻混合增強了物理吸附，提供了高粘結強度，從而提高了耐磨性能。可變形層理論則認為，納米粒子在復合材料中與其他物質形成了有關柔性層，即變形層。變形層的柔韌性能降低，并分散接觸時的應力，從而耐磨性能增強。約束層理論同樣也是提出了能夠均勻應力的界面。按照以上理論，納米粒子增強運動鞋底耐磨性能可能是因為粒子與聚氨酯基體材料間形成了化學鍵，提高了材料強度。同時，聚氨酯的大分子長鏈結構能夠均勻吸附小尺寸的納米粒子，形成了既具有有機大分子柔韌性，又具有納米材料剛性的聚氨酯復合材料運動鞋底。

3 結論

(1)納米CaCO3復合聚氨酯材料鞋底的摩擦學性能高于純聚氨酯材料鞋底，更有利運動員多樣化的動作變化，有利于保護運動員，避免運動傷害。

(2)納米CaCO3復合聚氨酯材料鞋底抗磨損性能顯著高于純聚氨酯材料鞋底，經久耐用。