鞋類(lèi)多元結(jié)構(gòu)減震系統(tǒng)及性能測(cè)試方法研究

李文曉，叢曉偉

（1.威海市產(chǎn)品質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)計(jì)量檢驗(yàn)研究院，山東 威海 264209；2.金猴集團(tuán)威海鞋業(yè)有限公司，山東 威海 264209）

引言

當(dāng)前，隨著人們生活水平的不斷提高，其消費(fèi)水平也在不斷提高，除對(duì)穿用產(chǎn)品的時(shí)尚和個(gè)性化需求外，且對(duì)穿用產(chǎn)品的功能性需求也在不斷提升，特別是對(duì)鞋靴產(chǎn)品的減震防滑、健康衛(wèi)生、柔軟舒適等性能要求越來(lái)越高。鞋靴的減震性能主要取決于鞋墊和鞋底的材料、結(jié)構(gòu)等，但絕大多數(shù)鞋靴的減震設(shè)計(jì)多注重美觀性、時(shí)尚性和新穎性，而實(shí)際功能性不高，減震效果不夠持久。鞋底減震主要采用具有減震性能的特殊材料作為中底或外底，但其產(chǎn)品結(jié)構(gòu)和材料的運(yùn)用將會(huì)影響到減震效果和鞋的穩(wěn)定性、舒適性；鞋墊減震多采用高彈海綿、氣墊等[1-2]，其中高彈海綿用于鞋墊不能過(guò)厚，過(guò)厚影響鞋的肥瘦或美觀，過(guò)薄極易造成壓縮回彈持久性較差，且與人體重量、腳部干濕環(huán)境都有著一定影響，而氣墊材質(zhì)過(guò)硬則減震效果較差，材質(zhì)太軟極易造成在行走過(guò)程中擠壓腳部，造成腳部產(chǎn)生不適感，且氣墊容易破裂，從而喪失減震性能。

減震性能優(yōu)異的鞋靴可以使人在行走過(guò)程中將身體負(fù)重受力合理的分布在腳掌各個(gè)部位，達(dá)到受力平衡，從而減緩腳部落地時(shí)對(duì)腳掌和踝關(guān)節(jié)的傷害，以及對(duì)大腦、脊椎、跟骨和其他部位的震蕩起到緩沖，同時(shí)對(duì)身體起到穩(wěn)定和支撐作用，提高消費(fèi)者對(duì)鞋類(lèi)產(chǎn)品的功用性需求，保護(hù)消費(fèi)者的身心健康。

1 主要研究?jī)?nèi)容

依據(jù)人體工學(xué)原理，在鞋底上對(duì)應(yīng)腳部相應(yīng)位置分別設(shè)置減震墊、盤(pán)式減震器、減震柵和減震橋，形成一個(gè)由多個(gè)減震單元構(gòu)成的多元減震結(jié)構(gòu)集成系統(tǒng)，使人在行走過(guò)程中將身體負(fù)重受力合理的分布在腳的各個(gè)部位，并能有效緩沖，達(dá)到受力平衡，從而減緩腳部落地時(shí)對(duì)腳前掌、后跟和踝關(guān)節(jié)的傷害，以及對(duì)大腦、脊椎、跟骨和其他部位的震蕩起到緩沖，同時(shí)對(duì)身體起到穩(wěn)定和支撐作用，提高消費(fèi)者對(duì)鞋類(lèi)產(chǎn)品的功用性需求，保護(hù)消費(fèi)者的身心健康。

減震墊主要由高分子發(fā)泡材料、納米復(fù)合功能材料等經(jīng)過(guò)粉碎細(xì)化、分散溶膠、壓合成型等工藝制成納米彈性體材料，然后與鞋里用皮革復(fù)合經(jīng)過(guò)模具沖裁制成減震鞋墊。該鞋墊在一定力的作用下，產(chǎn)生壓縮變形，有效吸收分散力，除去外力后變形隨即消失。同時(shí)內(nèi)置的納米復(fù)合功能材料具有抗菌、抑菌作用，能夠有效地對(duì)鞋內(nèi)異臭分子、濕氣等具有很好地吸附分解和解吸，使鞋內(nèi)干爽、衛(wèi)生，起到鞋內(nèi)微觀環(huán)境凈化的作用[3]。

鞋靴中底材料選用聚醚多元醇發(fā)泡材料，采用動(dòng)腔式結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，在中底下側(cè)前掌和后跟部位設(shè)有“#”字型錐狀減震凸，同時(shí)在鞋底前掌和后跟對(duì)應(yīng)位置上設(shè)有凹型結(jié)構(gòu)的減震倉(cāng)，中底鑲嵌在鞋底的減震倉(cāng)內(nèi)，且完全緊密結(jié)合，形成一個(gè)封閉的減震器系統(tǒng)，當(dāng)腳落地時(shí)減震凸起到緩沖作用，使動(dòng)腔式減震器能夠很好地吸收能力，起到減震作用，很好地保護(hù)腳部和踝關(guān)節(jié)。

2 主要?jiǎng)?chuàng)新點(diǎn)和先進(jìn)性

在鞋底前掌中間部位設(shè)置多個(gè)單元減震裝置，減震裝置上端沿鞋底四周內(nèi)側(cè)設(shè)置中底槽，中底中間鏤空且鑲嵌在中底槽內(nèi)，減震裝置在鏤空部位與中底平齊，中底四周與中底槽邊緣緊密吻合，且上側(cè)邊沿平齊；在中底上對(duì)應(yīng)腳后跟、腳心及腳前掌位置分別設(shè)置多個(gè)單元減震裝置，形成一個(gè)減震系統(tǒng)集成。

多元結(jié)構(gòu)減震集成系統(tǒng)是由減震柵、減震橋及盤(pán)式減震器所構(gòu)成，其中減震柵橫向均勻排列在中底槽內(nèi)對(duì)應(yīng)腳的前掌部位，同時(shí)在相鄰的兩個(gè)減震柵之間形成一定的空隙；在中底槽內(nèi)對(duì)應(yīng)腳心部位設(shè)置有減震橋，減震橋是由多個(gè)橫向設(shè)置具有減震性能的隔板所構(gòu)成，減震隔板呈“凹”型結(jié)構(gòu)；在中底槽內(nèi)對(duì)應(yīng)腳的后跟部位設(shè)置有固定的凹槽，在固定凹槽內(nèi)鑲嵌有盤(pán)式減震器，并與中底上側(cè)邊沿平齊。

盤(pán)式減震器是由底座、彈性柱單元構(gòu)成，彈性柱單元由多個(gè)彈性柱呈豎立狀圓形排列而成，且每個(gè)彈性柱為中空狀結(jié)構(gòu)[4]，彈性柱鑲嵌在底座上，彈性柱與底座固為一體形成一個(gè)完整的盤(pán)式減震器。

減震墊主要由高分子發(fā)泡材料、納米復(fù)合功能材料等經(jīng)過(guò)粉碎細(xì)化、分散溶膠、壓合成型等工藝制成納米彈性體材料，然后與鞋里用皮革復(fù)合經(jīng)過(guò)模具沖裁制成減震鞋墊。

鞋靴中底材料選用聚醚多元醇發(fā)泡材料，采用動(dòng)腔式結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，在中底下側(cè)前掌和后跟部位設(shè)有“#”字型錐狀減震凸，同時(shí)在鞋底前掌和后跟對(duì)應(yīng)位置上設(shè)有凹型結(jié)構(gòu)的減震倉(cāng)，中底鑲嵌在鞋底的減震倉(cāng)內(nèi)，且完全緊密結(jié)合，形成一個(gè)封閉的減震器系統(tǒng)。

3 主要研究方法和技術(shù)路線(xiàn)

3.1 減震機(jī)理

具有多元結(jié)構(gòu)減震集成系統(tǒng)鞋底是由復(fù)合橡膠材料或聚醚多元醇發(fā)泡材料制成，依據(jù)人體工學(xué)原理，在鞋底內(nèi)側(cè)前掌部位橫向設(shè)置有一排排的減震柵，在相鄰減震柵之間形成一定空隙，當(dāng)運(yùn)動(dòng)時(shí)受到擠壓前后擺動(dòng)可以直接產(chǎn)生對(duì)人體腳部前掌緩沖的作用力；在鞋底內(nèi)側(cè)腳心部位設(shè)置有減震橋，減震橋可根據(jù)人體腳部足弓的不同適應(yīng)其弧度，通過(guò)肢體力學(xué)原理對(duì)足部施加一定的矯正力改善畸形骨骼結(jié)構(gòu)，調(diào)整足弓正確的受力位，分散足底壓力和消除疼痛；在鞋底后跟位置設(shè)有減震器，可有效緩解對(duì)人體的震蕩，起到緩沖減震的作用，如圖1、圖2 所示[5]。

圖1 前掌減震系統(tǒng)受力過(guò)程圖

圖2 后跟減震系統(tǒng)受力吸能過(guò)程圖

中底材料選用聚醚多元醇發(fā)泡材料，采用動(dòng)腔式結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，在中底下側(cè)前掌和后跟部位設(shè)有“#”字型錐狀減震凸，同時(shí)在鞋底前掌和后跟對(duì)應(yīng)位置上設(shè)有凹型結(jié)構(gòu)的減震倉(cāng)，中底鑲嵌在鞋底的減震倉(cāng)內(nèi)，且完全緊密結(jié)合，當(dāng)腳部落地中底受力壓縮，減震凸被緩慢擠壓和吸收分散所受的力，抬腳行走時(shí)中底又恢復(fù)到初始狀態(tài)，具有很好的減震緩沖性能，從而對(duì)人體起到緩沖保護(hù)作用。

3.2 前掌減震系統(tǒng)制作

選取天然膠、白炭黑、環(huán)烷油、促進(jìn)劑、活性劑、抗老化劑等材料，按一定比例分別配比出鞋底基質(zhì)材料和減震材料。

將配比好鞋底基質(zhì)材料加入到密煉機(jī)進(jìn)行混煉，通過(guò)橡膠工藝監(jiān)控儀進(jìn)行監(jiān)控，混煉時(shí)間為5～10 min，溫度為110～120℃，混煉后出片、冷卻疊放，疊溫≤40℃，制作成橡膠外底。

將配比好的減震材料加入到密煉機(jī)進(jìn)行混煉，通過(guò)橡膠工藝監(jiān)控儀進(jìn)行監(jiān)控，混煉時(shí)間為5～10 min，溫度為110～120 ℃，混煉后出片、冷卻疊放，疊溫≤40 ℃，制成減震柵。

將制作的減震柵放入設(shè)計(jì)好的模具中進(jìn)行硫化后，再將基底橡膠外底片放入設(shè)計(jì)好的模具中，和硫化后的減震柵一起硫化，硫化溫度為150～160 ℃，硫化時(shí)間為5～8 min，使減震器件與橡膠鞋底相互熔合粘結(jié)成一體，制成前掌減震系統(tǒng)，圖3。

圖3 前掌減震系統(tǒng)制作工藝流程圖

3.3 后跟減震系統(tǒng)的制作

選取熱塑性聚氨脂顆粒、催化劑、穩(wěn)定劑等材料按一定比列配比。

將配比好的材料加入料筒進(jìn)行熔融，溫度為170～180 ℃，時(shí)間為10～15 min。

將制作好的后跟減震器件模具預(yù)加熱，然后將熔融好的原料注射到模具中，溫度為185～195 ℃，保壓冷卻后出模，分別制作出彈性柱和底座。

將制作好的彈性柱與底座固為一體，形成一個(gè)完整的減震器件，然后將減震器件放入鞋底后跟部位的凹槽內(nèi)，制作成后跟減震系統(tǒng)，圖4。

圖4 后跟減震系統(tǒng)制作工藝流程圖

3.4 減震墊制作

選取PE、EVA、納米復(fù)合功能材料、發(fā)泡劑、催化劑、穩(wěn)定劑等材料按照一定比例進(jìn)行配比。

將配比好的材料經(jīng)過(guò)高溫交聯(lián)發(fā)泡制成高分子發(fā)泡材料，然后進(jìn)行粉碎細(xì)化，與納米復(fù)合功能材料進(jìn)行摻雜混合。

將混合好的材料經(jīng)過(guò)分散溶膠、凝固成型、切片等工藝制成納米復(fù)合彈性體材料。

將納米復(fù)合彈性體材料與鞋里用皮革經(jīng)膠粘工藝復(fù)合為一體，然后用鞋墊模具進(jìn)行沖裁，制成減震鞋墊。

3.5 動(dòng)腔式減震器的制作

選取聚醚多元醇A 料、聚醚多元醇B 料、催化劑、硬化劑等材料進(jìn)行一定比例的配比。

聚醚多元醇A 料、催化劑、硬化劑等輔助劑按比例配比混合攪拌注入A 料罐，聚醚多元醇B 料注入B 料罐，分別加溫融合，溫度為38～40 ℃。

將制作好的動(dòng)腔式減震器模具預(yù)加熱，溫度為45～50 ℃，然后將聚醚多元醇A 復(fù)合材料和聚醚多元醇B 料按一定比例注入注射機(jī)頭進(jìn)行混合熔融，再注入到模具中。

注入模具后進(jìn)行發(fā)泡，溫度為45～50 ℃，起模時(shí)間為5～7min，然后出模剪邊。

4 性能測(cè)試

4.1 回彈率測(cè)試

分別準(zhǔn)備減震墊、減震柵材料試樣。

調(diào)節(jié)回彈儀，將準(zhǔn)備好的試樣水平放置在回彈儀的測(cè)試位置上，將鋼球底部固定位置到試樣上表面的距離調(diào)整為60 mm，然后釋放鋼球，使鋼球做自由落體運(yùn)動(dòng)[6]。

記錄鋼球落到試樣后回彈的高度（mm）。

分別對(duì)每個(gè)試樣各做3 次測(cè)試，且鋼球每次自由落到試樣上表面的同一位置，且兩次測(cè)試的間隔時(shí)間應(yīng)控制在15～20 s 內(nèi)。

鋼球在自由落體過(guò)程中碰到測(cè)試裝置，或彈出測(cè)量裝置，則該次測(cè)試數(shù)據(jù)無(wú)效，需重新測(cè)試。

取3 次測(cè)試值中的最大值，作為最終測(cè)試的回彈高度值。

結(jié)果計(jì)算

試驗(yàn)結(jié)果以3 個(gè)試樣的回彈率的平均值表示，保留2 位小數(shù)。

4.2 壓縮復(fù)原率測(cè)試

準(zhǔn)備動(dòng)腔式減震器試樣3 份，并分別在試樣中心位置標(biāo)記出中心點(diǎn)，測(cè)量出中心點(diǎn)位置的的初始高度（mm）。

調(diào)整壓縮率試驗(yàn)機(jī)，然后將試樣平整的放在壓縮率試驗(yàn)機(jī)上，并按照中心點(diǎn)位置壓緊夾具，壓至初始高度的二分之一位置后，直立放置24 h。

松開(kāi)壓縮率試驗(yàn)機(jī)夾具取出試樣，放置2 h，然后測(cè)量出中心點(diǎn)位置的壓縮復(fù)原后高度（mm）。

分別對(duì)三份試樣各做1 次，記錄好初始高度和壓縮復(fù)原后高度。

結(jié)果計(jì)算

試驗(yàn)結(jié)果以3 個(gè)試樣的壓縮復(fù)原率的平均值表示，保留2位小數(shù)。

4.3 能量吸收性能測(cè)試

準(zhǔn)備盤(pán)式減震器試樣三份

測(cè)試設(shè)備應(yīng)為能測(cè)量壓力最大值5000 N，且具備記錄力和位移曲線(xiàn)等功能。

用聚乙烯制備成標(biāo)準(zhǔn)鞋楦的跟部，以此作為試驗(yàn)壓頭，鞋楦應(yīng)與底邊沿垂直，而且與后跟部的中軸線(xiàn)成90°的平面上切開(kāi)。

將試樣放在設(shè)備基座上，在跟部區(qū)域的中心位置以（10±2）mm／min 的速度對(duì)著跟部按壓試驗(yàn)壓頭，壓力直至達(dá)到5000 N。

分別對(duì)三份試樣各測(cè)試一次，繪出每次測(cè)試的壓力與位移曲線(xiàn)。

結(jié)果計(jì)算

試驗(yàn)結(jié)果以3 次測(cè)試的平均值表示，結(jié)果保留到整數(shù)位。

5 結(jié)論

鞋類(lèi)多元結(jié)構(gòu)減震系統(tǒng)依據(jù)人體工學(xué)原理，在鞋底上對(duì)應(yīng)腳部相應(yīng)位置分別設(shè)置減震墊、盤(pán)式減震器、減震柵和減震橋，形成一個(gè)由多個(gè)減震單元構(gòu)成的多元減震結(jié)構(gòu)集成系統(tǒng)；中底材料選用聚醚多元醇發(fā)泡材料，采用動(dòng)腔式結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，在中底下側(cè)前掌和后跟部位設(shè)有“#”字型錐狀減震凸，同時(shí)在鞋底前掌和后跟對(duì)應(yīng)位置上設(shè)有凹型結(jié)構(gòu)的減震倉(cāng)，中底鑲嵌在鞋底的減震倉(cāng)內(nèi)，且完全緊密結(jié)合，形成一個(gè)封閉的減震器系統(tǒng)。使人在行走過(guò)程中將身體負(fù)重受力合理的分布在腳掌各個(gè)部位，并能有效緩沖，達(dá)到受力平衡，從而減緩腳部落地時(shí)對(duì)腳掌和踝關(guān)節(jié)的傷害，以及對(duì)大腦、脊椎、跟骨和其他部位的震蕩起到緩沖，同時(shí)對(duì)身體起到穩(wěn)定和支撐作用，既能夠滿(mǎn)足消費(fèi)者行走和運(yùn)動(dòng)需要，又能保護(hù)身體不受傷害。同時(shí)內(nèi)置的減震鞋墊具有抗菌、抑菌作用，能夠有效地對(duì)鞋內(nèi)異臭分子、濕氣等具有很好地吸附分解和解吸，使鞋內(nèi)干爽、衛(wèi)生，起到鞋內(nèi)環(huán)境凈化的作用。