鞋類多元結構減震系統及性能測試方法研究

李文曉，叢曉偉

（1.威海市產品質量標準計量檢驗研究院，山東 威海 264209；2.金猴集團威海鞋業有限公司，山東 威海 264209）

引言

當前，隨著人們生活水平的不斷提高，其消費水平也在不斷提高，除對穿用產品的時尚和個性化需求外，且對穿用產品的功能性需求也在不斷提升，特別是對鞋靴產品的減震防滑、健康衛生、柔軟舒適等性能要求越來越高。鞋靴的減震性能主要取決于鞋墊和鞋底的材料、結構等，但絕大多數鞋靴的減震設計多注重美觀性、時尚性和新穎性，而實際功能性不高，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，但其產品結構和材料的運用將會影響到減震效果和鞋的穩定性、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厚，過厚影響鞋的肥瘦或美觀，過薄極易造成壓縮回彈持久性較差，且與人體重量、腳部干濕環境都有著一定影響，而氣墊材質過硬則減震效果較差，材質太軟極易造成在行走過程中擠壓腳部，造成腳部產生不適感，且氣墊容易破裂，從而喪失減震性能。

減震性能優異的鞋靴可以使人在行走過程中將身體負重受力合理的分布在腳掌各個部位，達到受力平衡，從而減緩腳部落地時對腳掌和踝關節的傷害，以及對大腦、脊椎、跟骨和其他部位的震蕩起到緩沖，同時對身體起到穩定和支撐作用，提高消費者對鞋類產品的功用性需求，保護消費者的身心健康。

1 主要研究內容

依據人體工學原理，在鞋底上對應腳部相應位置分別設置減震墊、盤式減震器、減震柵和減震橋，形成一個由多個減震單元構成的多元減震結構集成系統，使人在行走過程中將身體負重受力合理的分布在腳的各個部位，并能有效緩沖，達到受力平衡，從而減緩腳部落地時對腳前掌、后跟和踝關節的傷害，以及對大腦、脊椎、跟骨和其他部位的震蕩起到緩沖，同時對身體起到穩定和支撐作用，提高消費者對鞋類產品的功用性需求，保護消費者的身心健康。

減震墊主要由高分子發泡材料、納米復合功能材料等經過粉碎細化、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合經過模具沖裁制成減震鞋墊。該鞋墊在一定力的作用下，產生壓縮變形，有效吸收分散力，除去外力后變形隨即消失。同時內置的納米復合功能材料具有抗菌、抑菌作用，能夠有效地對鞋內異臭分子、濕氣等具有很好地吸附分解和解吸，使鞋內干爽、衛生，起到鞋內微觀環境凈化的作用[3]。

鞋靴中底材料選用聚醚多元醇發泡材料，采用動腔式結構設計，在中底下側前掌和后跟部位設有“#”字型錐狀減震凸，同時在鞋底前掌和后跟對應位置上設有凹型結構的減震倉，中底鑲嵌在鞋底的減震倉內，且完全緊密結合，形成一個封閉的減震器系統，當腳落地時減震凸起到緩沖作用，使動腔式減震器能夠很好地吸收能力，起到減震作用，很好地保護腳部和踝關節。

2 主要創新點和先進性

在鞋底前掌中間部位設置多個單元減震裝置，減震裝置上端沿鞋底四周內側設置中底槽，中底中間鏤空且鑲嵌在中底槽內，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，且上側邊沿平齊；在中底上對應腳后跟、腳心及腳前掌位置分別設置多個單元減震裝置，形成一個減震系統集成。

多元結構減震集成系統是由減震柵、減震橋及盤式減震器所構成，其中減震柵橫向均勻排列在中底槽內對應腳的前掌部位，同時在相鄰的兩個減震柵之間形成一定的空隙；在中底槽內對應腳心部位設置有減震橋，減震橋是由多個橫向設置具有減震性能的隔板所構成，減震隔板呈“凹”型結構；在中底槽內對應腳的后跟部位設置有固定的凹槽，在固定凹槽內鑲嵌有盤式減震器，并與中底上側邊沿平齊。

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

減震墊主要由高分子發泡材料、納米復合功能材料等經過粉碎細化、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合經過模具沖裁制成減震鞋墊。

鞋靴中底材料選用聚醚多元醇發泡材料，采用動腔式結構設計，在中底下側前掌和后跟部位設有“#”字型錐狀減震凸，同時在鞋底前掌和后跟對應位置上設有凹型結構的減震倉，中底鑲嵌在鞋底的減震倉內，且完全緊密結合，形成一個封閉的減震器系統。

3 主要研究方法和技術路線

3.1 減震機理

具有多元結構減震集成系統鞋底是由復合橡膠材料或聚醚多元醇發泡材料制成，依據人體工學原理，在鞋底內側前掌部位橫向設置有一排排的減震柵，在相鄰減震柵之間形成一定空隙，當運動時受到擠壓前后擺動可以直接產生對人體腳部前掌緩沖的作用力；在鞋底內側腳心部位設置有減震橋，減震橋可根據人體腳部足弓的不同適應其弧度，通過肢體力學原理對足部施加一定的矯正力改善畸形骨骼結構，調整足弓正確的受力位，分散足底壓力和消除疼痛；在鞋底后跟位置設有減震器，可有效緩解對人體的震蕩，起到緩沖減震的作用，如圖1、圖2 所示[5]。

圖1 前掌減震系統受力過程圖

圖2 后跟減震系統受力吸能過程圖

中底材料選用聚醚多元醇發泡材料，采用動腔式結構設計，在中底下側前掌和后跟部位設有“#”字型錐狀減震凸，同時在鞋底前掌和后跟對應位置上設有凹型結構的減震倉，中底鑲嵌在鞋底的減震倉內，且完全緊密結合，當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，抬腳行走時中底又恢復到初始狀態，具有很好的減震緩沖性能，從而對人體起到緩沖保護作用。

3.2 前掌減震系統制作

選取天然膠、白炭黑、環烷油、促進劑、活性劑、抗老化劑等材料，按一定比例分別配比出鞋底基質材料和減震材料。

將配比好鞋底基質材料加入到密煉機進行混煉，通過橡膠工藝監控儀進行監控，混煉時間為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進行混煉，通過橡膠工藝監控儀進行監控，混煉時間為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計好的模具中進行硫化后，再將基底橡膠外底片放入設計好的模具中，和硫化后的減震柵一起硫化，硫化溫度為150～160 ℃，硫化時間為5～8 min，使減震器件與橡膠鞋底相互熔合粘結成一體，制成前掌減震系統，圖3。

圖3 前掌減震系統制作工藝流程圖

3.3 后跟減震系統的制作

選取熱塑性聚氨脂顆粒、催化劑、穩定劑等材料按一定比列配比。

將配比好的材料加入料筒進行熔融，溫度為170～180 ℃，時間為10～15 min。

將制作好的后跟減震器件模具預加熱，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，制作成后跟減震系統，圖4。

圖4 后跟減震系統制作工藝流程圖

3.4 減震墊制作

選取PE、EVA、納米復合功能材料、發泡劑、催化劑、穩定劑等材料按照一定比例進行配比。

將配比好的材料經過高溫交聯發泡制成高分子發泡材料，然后進行粉碎細化，與納米復合功能材料進行摻雜混合。

將混合好的材料經過分散溶膠、凝固成型、切片等工藝制成納米復合彈性體材料。

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

3.5 動腔式減震器的制作

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 ℃。

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

注入模具后進行發泡，溫度為45～50 ℃，起模時間為5～7min，然后出模剪邊。

4 性能測試

4.1 回彈率測試

分別準備減震墊、減震柵材料試樣。

調節回彈儀，將準備好的試樣水平放置在回彈儀的測試位置上，將鋼球底部固定位置到試樣上表面的距離調整為60 mm，然后釋放鋼球，使鋼球做自由落體運動[6]。

記錄鋼球落到試樣后回彈的高度（mm）。

分別對每個試樣各做3 次測試，且鋼球每次自由落到試樣上表面的同一位置，且兩次測試的間隔時間應控制在15～20 s 內。

鋼球在自由落體過程中碰到測試裝置，或彈出測量裝置，則該次測試數據無效，需重新測試。

取3 次測試值中的最大值，作為最終測試的回彈高度值。

結果計算

試驗結果以3 個試樣的回彈率的平均值表示，保留2 位小數。

4.2 壓縮復原率測試

準備動腔式減震器試樣3 份，并分別在試樣中心位置標記出中心點，測量出中心點位置的的初始高度（mm）。

調整壓縮率試驗機，然后將試樣平整的放在壓縮率試驗機上，并按照中心點位置壓緊夾具，壓至初始高度的二分之一位置后，直立放置24 h。

松開壓縮率試驗機夾具取出試樣，放置2 h，然后測量出中心點位置的壓縮復原后高度（mm）。

分別對三份試樣各做1 次，記錄好初始高度和壓縮復原后高度。

結果計算

試驗結果以3 個試樣的壓縮復原率的平均值表示，保留2位小數。

4.3 能量吸收性能測試

準備盤式減震器試樣三份

測試設備應為能測量壓力最大值5000 N，且具備記錄力和位移曲線等功能。

用聚乙烯制備成標準鞋楦的跟部，以此作為試驗壓頭，鞋楦應與底邊沿垂直，而且與后跟部的中軸線成90°的平面上切開。

將試樣放在設備基座上，在跟部區域的中心位置以（10±2）mm／min 的速度對著跟部按壓試驗壓頭，壓力直至達到5000 N。

分別對三份試樣各測試一次，繪出每次測試的壓力與位移曲線。

結果計算

試驗結果以3 次測試的平均值表示，結果保留到整數位。

5 結論

鞋類多元結構減震系統依據人體工學原理，在鞋底上對應腳部相應位置分別設置減震墊、盤式減震器、減震柵和減震橋，形成一個由多個減震單元構成的多元減震結構集成系統；中底材料選用聚醚多元醇發泡材料，采用動腔式結構設計，在中底下側前掌和后跟部位設有“#”字型錐狀減震凸，同時在鞋底前掌和后跟對應位置上設有凹型結構的減震倉，中底鑲嵌在鞋底的減震倉內，且完全緊密結合，形成一個封閉的減震器系統。使人在行走過程中將身體負重受力合理的分布在腳掌各個部位，并能有效緩沖，達到受力平衡，從而減緩腳部落地時對腳掌和踝關節的傷害，以及對大腦、脊椎、跟骨和其他部位的震蕩起到緩沖，同時對身體起到穩定和支撐作用，既能夠滿足消費者行走和運動需要，又能保護身體不受傷害。同時內置的減震鞋墊具有抗菌、抑菌作用，能夠有效地對鞋內異臭分子、濕氣等具有很好地吸附分解和解吸，使鞋內干爽、衛生，起到鞋內環境凈化的作用。