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材料材料的胜利!细数跑鞋中的弹性体发泡材料!

2021-03-17  2250

2019年10月12日,是马拉松历史上值得永远纪念的一天。基普乔格在维也纳以1小时59分40秒02的成绩突破了马拉松2小时大关,尽管这一成绩不被国际田联认可,但仍然激起了大家对马拉松破2的兴趣。但随后不久,多位马拉松选手联合向国际田联和运动诚信组织投诉称:以耐克Zoom AlphaFly为首的Vaporfly跑鞋会让一些马拉松精英跑者成绩提高快2分钟,不符合公平竞争的原则。

而上一次有鞋子在体育赛事中被禁用还是NBA被禁用的球鞋APL篮球鞋,而相比APL在鞋子中底直接加入弹簧的“作弊行为”,这次Vaporfly跑鞋则完全可以称之为“材料的胜利”。

跑鞋的历史,就是材料的历史

一双跑鞋,都有哪些结构?

●一双跑鞋分为三个部分:鞋面(Upper),中底(Midsole),大底(Outsole)。中底是跑鞋的灵魂,也是区别各大厂商的核心标志,立身之本。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。

而跑鞋的中底,则是高科技的聚集地。

相比近年又是限量,又是联名的AJ,DUNK,在抛去奢侈品属性之后,剩下的却是数十年前的鞋底科技,拿炒卖价较高的AJ1来说,该鞋型还在使用的Air sole气垫,首发于1985年。而抛去二级市场炒出的天价,科技方面,跑鞋完全可以站在鄙视链的最尖端——因为每一次跑鞋的更新换代,都来自材料人的不懈追求。

EVA-引发革命的发泡鞋材

EVA是乙烯、醋酸乙烯组成的无规共聚物,其中醋酸乙烯(VA)作为EVA分子链中的柔性链段,质量含量在 26%-40%之间,乙烯作为结晶链段,整体表现出一定的柔软度和高弹性。

作为鞋上最早使用的发泡材料,EVA材料的出现颠覆了人们对鞋中底材料的认知,纯EVA发泡的回弹性一般在40-45%,远比PVC、橡胶等材料回弹性好,且具有材质轻、易加工等特点,从而在鞋中底得到大量的应用。然而以EVA为基础的发泡材料产品耐老化性能、耐屈挠性能、弹性和耐磨性较差,且EVA发泡材料的填充能力有限,也在一定程度上限制了它的使用。

另外,ETPU的出现也使得人们对EVA材料提出了更高的要求,例如更低的硬度、更高的回弹、低压缩形变等等,因此EVA橡塑并用就成为了目前各厂家的研究热门。EVA橡塑并用,会加入EPDM、POE、OBCs、TPE如SEBS充油等弹性体共混使用,利用EPDM橡胶性、POE高弹性、OBCs柔软结晶性、TPE柔软性等以达到共混改性目的,从而提升EVA发泡性能,回弹性一般可提高到50-55%,甚至更高。由于EVA发泡材料价格优势,在未来的很长时间仍然是大众运动鞋最主力的材料选择 。

斯凯奇的Hyper Burst是其研发出的EVA中底材料,它轻达181克(6.4盎司),具有超轻量、高回弹、更强耐磨耗等。与当今市场上的大多数其他EVA发泡材料大不相同,其轻质中底使用了斯凯奇独家特殊配方的EVA发泡材料,这个技术是以超临界状态的氮气或二氧化碳,作为发泡剂,经过精确计量后,与热塑性塑料熔体充分混合均匀,形成均匀的熔胶/发泡剂均相体系,潜能更优。该材料还运用在斯凯奇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

ETPU-半路杀出的中坚力量

TPU是热塑性聚氨酯弹性体的英文简称,是一种由二异氰酸酯、扩链剂、多元醇组成的嵌段共聚物。其中多元醇组成的软段表现出柔性和韧性,而二异氰酸酯作为硬段,赋予材料硬度和刚性,并且硬段结晶后作为物理交联点,使TPU表现出高弹性。因此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,而发泡后的TPU即ETPU,会有良好的回弹性,一般泡沫落球回弹值可达到60%。

●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。优势: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%。

Adidas于2013年正式推出以TPU发泡技术为核心的Boost中底科技鞋款,给在死亡线挣扎的adidas注入一针强心剂。随后包括UB、NMD、YEEZY等鞋款销量爆棚风靡世界,adidas凭借Boost中底科技将销量提升至北美市场第二名。在此之后,包括PUMA IGNITE,索康尼everun,altra的Ego以及Salomon的VIBE也都是以TPU发泡为核心研发的中底技术,赢得了很多跑者的信任。

阿迪达斯的Boost科技——全片式地采用了巴斯夫的ETPU,在巴斯夫的内部,他们把传统的TPU颗粒通过发泡膨胀制成的半成品材料称之为“Infinergy”,这个发泡的过程非常像玉米粒变成爆米花的过程。一般来说,一颗5mm的TPU颗粒经过加热和加压的处理器后,可以直接膨胀直径增加。在研发出“Infinergy”半成品材料之后,adidas和巴斯夫通过专利合作的方式,共同研发了三年,最后成功把它变成了视觉冲击力极强的BOOST颗粒,将BOOST颗粒通过加压的方式连接在一起,就变成了我们看到了BOOST中底的样子。BOOST中底研发出来不久,adidas就推出了他的第一双BOOST中底跑鞋“Energy BOOST”。

●巴斯夫官网的测试资料显示:“在ISO 8307(球回弹测试)和DIN 53512(使用预先设定的摆锤)的弹性测试中,BOOST的回弹高度可以高达约55%。另外还测试了BOOST在连续负载下的表现,使用每秒5个循环的动态负载和250千帕的恒定压力的高频测试,材料的性能比EPE(Expandable Polyethylene 可发性聚乙烯)好75%。40000次加载循环后,原本厚40mm的BOOST的厚度变成了37mm,作为对比测试的EPE则直接被压扁了,同样40mm的EPE测试完之后变成了9mm。还在零下20℃的极低温度下进行了测试,BOOST仍然非常柔软,有弹性,还没有变硬。

以上可以看得出来BOOST中底出色的缓冲和回弹表现,在adidas把BOOST中底发光发热的同时,TPU发泡技术也变得更加成熟,也有越来越多的品牌开始选择这种材料并且研发自己的中底技术。

PUMA作为首先与巴斯夫接触研究“infinergy”材料的企业,在2011年adidas与巴斯夫达成大家合作后,不得不寻求Huntsman Corp的合作,研发出了NRGY泡沫缓震科技,并在2014年推出了搭载NRGY中底的鞋款(比UltraBOOST第一代正式推出还早),这其中与adidas的官司纠纷,在此就不再赘述。

●跑鞋品牌Saucony在2016年推出了自己的全新中底材料EVERUN,同样由TPU材料发泡而成,在形状上和性能上都和BOOST比较接近。根据Saucony的实验室数据,由EVERUN科技构成的的触地区域可提供出色的冲击防护,持续缓震时间比普通的EVA长3倍,同时提供83%的能量回馈。

●美国的跑步品牌Altra,他们在2017年研发出了全新的Ego中底,也是由TPU材料发泡而成。

●越野跑品牌Salomon,他们研发出了Opal技术,这种用TPU发泡制成的材料能够很好地提升中底的缓冲和回弹性能。

总的来说,TPU作为常用鞋材弹性体,其爆发式增长一方面是因为阿迪Boost系列的巨大产量以及颠覆性影响,另一方面其优异性能吸引着众多鞋材上下游厂家去进行研究。TPU弹性体的发展前景广阔!

OBCS-不太一般的开创尝试

陶氏成功针对运动鞋,特别是跑鞋所需要使用的中底缓震材料,研发了一种名为INFUSE的烯烃嵌段共聚物(OBCs = Olefin Block Copolymers ),该材料是一种烯烃嵌段共聚物,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相容性很好,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。

它所针对的市场材料竞品,就是传统的EVA和巴斯夫研发的E-TPU。在陶氏化学做出这个产品之前,有业界报道是这么描述的:“在聚烯烃弹性体化学领域,从未有人能够实现软性高分子和硬质高熔点高分子的混合。”可见,这是完全一个新的化学原料,实现了做高弹耐用鞋材的突破口,与以往的PU聚氨酯和EVA乙烯-醋酸乙烯共聚物都不一样了。下图中表示,OBC的弹力比E-TPU,也就是BOOST的原型产品,更加好。

而Under Armour与陶氏化学合作,找到了不一样的道路,他们在2018年推出了全新的中底材料HOVR,HOVR的原材料不是TPU,采用的是聚烯烃材料。这种烯烃材料制成的中底泡棉具备高回弹性、快速恢复、低收缩性的特点。根据陶氏化学的官方测试数据:由40%的烯烃泡棉制成的中底在回弹测试中要比100%的EVA材料高7%,同时比40%高弹EVA材料的高5%,不过在这项测试中烯烃泡棉的回弹表现低于TPU材料。但如果是采用100%的烯烃泡棉,它的回弹性比TPU中底高出7个百分点。

PEBAX-闪亮登场的崭新未来

回到我们一开始说的PEBAX,PEBAX弹性体是一款极高性能热塑性聚合物,是由刚性聚酰胺嵌段和软聚醚嵌段组成的嵌段共聚物。

这些独特聚合物保持延续了传统概念中聚酰胺相关的韧性和聚醚的弹性相结合。在反复弯曲过程中,PEBAX弹性体可以提供极其高效能量回收。穿着PEBAX中底技术鞋款可以将能量损耗系数降到更低,且拥有极强的抗冷冲击性。此外PEBAX弹性体在热性塑料品类中的重量是最低的,要比很多的低密度聚合物轻20%,回弹率可以达到70%-80%,且坚固性丝毫不会下降。

不过这种材料也并非完美,如果各位手中有PEBAX鞋款会发现,即使是新品中底部分依然有大量褶皱。这是由于PEBAX的分子之间支撑性能不好所导致,此外PEBAX发泡技术的成本和废品率都比较高,导致造价昂贵。废品率高到Nike可以用他的废料再做一款鞋子。

PEBAX尽管优秀,但现在仅适用于高端跑鞋,售价颇高,且不耐用。而TPU材料做中底的跑鞋几乎适合所有人,从刚入门的跑者到职业跑者,到顶级选手均可使用。不管怎样,一双好的跑鞋,离不开材料研发人员的不懈努力!而弹性体发泡材料能做到的,还有很多……

来源:DT材料之声


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