鞋类多元结构减震系统及性能测试方法研究

李文晓，丛晓伟

（1.威海市产品质量标准计量检验研究院，山东 威海 264209；2.金猴集团威海鞋业有限公司，山东 威海 264209）

引言

当前，随着人们生活水平的不断提高，其消费水平也在不断提高，除对穿用产品的时尚和个性化需求外，且对穿用产品的功能性需求也在不断提升，特别是对鞋靴产品的减震防滑、健康卫生、柔软舒适等性能要求越来越高。鞋靴的减震性能主要取决于鞋垫和鞋底的材料、结构等，但绝大多数鞋靴的减震设计多注重美观性、时尚性和新颖性，而实际功能性不高，减震效果不够持久。鞋底减震主要采用具有减震性能的特殊材料作为中底或外底，但其产品结构和材料的运用将会影响到减震效果和鞋的稳定性、舒适性；鞋垫减震多采用高弹海绵、气垫等[1-2]，其中高弹海绵用于鞋垫不能过厚，过厚影响鞋的肥瘦或美观，过薄极易造成压缩回弹持久性较差，且与人体重量、脚部干湿环境都有着一定影响，而气垫材质过硬则减震效果较差，材质太软极易造成在行走过程中挤压脚部，造成脚部产生不适感，且气垫容易破裂，从而丧失减震性能。

减震性能优异的鞋靴可以使人在行走过程中将身体负重受力合理的分布在脚掌各个部位，达到受力平衡，从而减缓脚部落地时对脚掌和踝关节的伤害，以及对大脑、脊椎、跟骨和其他部位的震荡起到缓冲，同时对身体起到稳定和支撑作用，提高消费者对鞋类产品的功用性需求，保护消费者的身心健康。

1 主要研究内容

依据人体工学原理，在鞋底上对应脚部相应位置分别设置减震垫、盘式减震器、减震栅和减震桥，形成一个由多个减震单元构成的多元减震结构集成系统，使人在行走过程中将身体负重受力合理的分布在脚的各个部位，并能有效缓冲，达到受力平衡，从而减缓脚部落地时对脚前掌、后跟和踝关节的伤害，以及对大脑、脊椎、跟骨和其他部位的震荡起到缓冲，同时对身体起到稳定和支撑作用，提高消费者对鞋类产品的功用性需求，保护消费者的身心健康。

减震垫主要由高分子发泡材料、纳米复合功能材料等经过粉碎细化、分散溶胶、压合成型等工艺制成纳米弹性体材料，然后与鞋里用皮革复合经过模具冲裁制成减震鞋垫。该鞋垫在一定力的作用下，产生压缩变形，有效吸收分散力，除去外力后变形随即消失。同时内置的纳米复合功能材料具有抗菌、抑菌作用，能够有效地对鞋内异臭分子、湿气等具有很好地吸附分解和解吸，使鞋内干爽、卫生，起到鞋内微观环境净化的作用[3]。

鞋靴中底材料选用聚醚多元醇发泡材料，采用动腔式结构设计，在中底下侧前掌和后跟部位设有“#”字型锥状减震凸，同时在鞋底前掌和后跟对应位置上设有凹型结构的减震仓，中底镶嵌在鞋底的减震仓内，且完全紧密结合，形成一个封闭的减震器系统，当脚落地时减震凸起到缓冲作用，使动腔式减震器能够很好地吸收能力，起到减震作用，很好地保护脚部和踝关节。

2 主要创新点和先进性

在鞋底前掌中间部位设置多个单元减震装置，减震装置上端沿鞋底四周内侧设置中底槽，中底中间镂空且镶嵌在中底槽内，减震装置在镂空部位与中底平齐，中底四周与中底槽边缘紧密吻合，且上侧边沿平齐；在中底上对应脚后跟、脚心及脚前掌位置分别设置多个单元减震装置，形成一个减震系统集成。

多元结构减震集成系统是由减震栅、减震桥及盘式减震器所构成，其中减震栅横向均匀排列在中底槽内对应脚的前掌部位，同时在相邻的两个减震栅之间形成一定的空隙；在中底槽内对应脚心部位设置有减震桥，减震桥是由多个横向设置具有减震性能的隔板所构成，减震隔板呈“凹”型结构；在中底槽内对应脚的后跟部位设置有固定的凹槽，在固定凹槽内镶嵌有盘式减震器，并与中底上侧边沿平齐。

盘式减震器是由底座、弹性柱单元构成，弹性柱单元由多个弹性柱呈竖立状圆形排列而成，且每个弹性柱为中空状结构[4]，弹性柱镶嵌在底座上，弹性柱与底座固为一体形成一个完整的盘式减震器。

减震垫主要由高分子发泡材料、纳米复合功能材料等经过粉碎细化、分散溶胶、压合成型等工艺制成纳米弹性体材料，然后与鞋里用皮革复合经过模具冲裁制成减震鞋垫。

鞋靴中底材料选用聚醚多元醇发泡材料，采用动腔式结构设计，在中底下侧前掌和后跟部位设有“#”字型锥状减震凸，同时在鞋底前掌和后跟对应位置上设有凹型结构的减震仓，中底镶嵌在鞋底的减震仓内，且完全紧密结合，形成一个封闭的减震器系统。

3 主要研究方法和技术路线

3.1 减震机理

具有多元结构减震集成系统鞋底是由复合橡胶材料或聚醚多元醇发泡材料制成，依据人体工学原理，在鞋底内侧前掌部位横向设置有一排排的减震栅，在相邻减震栅之间形成一定空隙，当运动时受到挤压前后摆动可以直接产生对人体脚部前掌缓冲的作用力；在鞋底内侧脚心部位设置有减震桥，减震桥可根据人体脚部足弓的不同适应其弧度，通过肢体力学原理对足部施加一定的矫正力改善畸形骨骼结构，调整足弓正确的受力位，分散足底压力和消除疼痛；在鞋底后跟位置设有减震器，可有效缓解对人体的震荡，起到缓冲减震的作用，如图1、图2 所示[5]。

图1 前掌减震系统受力过程图

图2 后跟减震系统受力吸能过程图

中底材料选用聚醚多元醇发泡材料，采用动腔式结构设计，在中底下侧前掌和后跟部位设有“#”字型锥状减震凸，同时在鞋底前掌和后跟对应位置上设有凹型结构的减震仓，中底镶嵌在鞋底的减震仓内，且完全紧密结合，当脚部落地中底受力压缩，减震凸被缓慢挤压和吸收分散所受的力，抬脚行走时中底又恢复到初始状态，具有很好的减震缓冲性能，从而对人体起到缓冲保护作用。

3.2 前掌减震系统制作

选取天然胶、白炭黑、环烷油、促进剂、活性剂、抗老化剂等材料，按一定比例分别配比出鞋底基质材料和减震材料。

将配比好鞋底基质材料加入到密炼机进行混炼，通过橡胶工艺监控仪进行监控，混炼时间为5～10 min，温度为110～120℃，混炼后出片、冷却叠放，叠温≤40℃，制作成橡胶外底。

将配比好的减震材料加入到密炼机进行混炼，通过橡胶工艺监控仪进行监控，混炼时间为5～10 min，温度为110～120 ℃，混炼后出片、冷却叠放，叠温≤40 ℃，制成减震栅。

将制作的减震栅放入设计好的模具中进行硫化后，再将基底橡胶外底片放入设计好的模具中，和硫化后的减震栅一起硫化，硫化温度为150～160 ℃，硫化时间为5～8 min，使减震器件与橡胶鞋底相互熔合粘结成一体，制成前掌减震系统，图3。

图3 前掌减震系统制作工艺流程图

3.3 后跟减震系统的制作

选取热塑性聚氨脂颗粒、催化剂、稳定剂等材料按一定比列配比。

将配比好的材料加入料筒进行熔融，温度为170～180 ℃，时间为10～15 min。

将制作好的后跟减震器件模具预加热，然后将熔融好的原料注射到模具中，温度为185～195 ℃，保压冷却后出模，分别制作出弹性柱和底座。

将制作好的弹性柱与底座固为一体，形成一个完整的减震器件，然后将减震器件放入鞋底后跟部位的凹槽内，制作成后跟减震系统，图4。

图4 后跟减震系统制作工艺流程图

3.4 减震垫制作

选取PE、EVA、纳米复合功能材料、发泡剂、催化剂、稳定剂等材料按照一定比例进行配比。

将配比好的材料经过高温交联发泡制成高分子发泡材料，然后进行粉碎细化，与纳米复合功能材料进行掺杂混合。

将混合好的材料经过分散溶胶、凝固成型、切片等工艺制成纳米复合弹性体材料。

将纳米复合弹性体材料与鞋里用皮革经胶粘工艺复合为一体，然后用鞋垫模具进行冲裁，制成减震鞋垫。

3.5 动腔式减震器的制作

选取聚醚多元醇A 料、聚醚多元醇B 料、催化剂、硬化剂等材料进行一定比例的配比。

聚醚多元醇A 料、催化剂、硬化剂等辅助剂按比例配比混合搅拌注入A 料罐，聚醚多元醇B 料注入B 料罐，分别加温融合，温度为38～40 ℃。

将制作好的动腔式减震器模具预加热，温度为45～50 ℃，然后将聚醚多元醇A 复合材料和聚醚多元醇B 料按一定比例注入注射机头进行混合熔融，再注入到模具中。

注入模具后进行发泡，温度为45～50 ℃，起模时间为5～7min，然后出模剪边。

4 性能测试

4.1 回弹率测试

分别准备减震垫、减震栅材料试样。

调节回弹仪，将准备好的试样水平放置在回弹仪的测试位置上，将钢球底部固定位置到试样上表面的距离调整为60 mm，然后释放钢球，使钢球做自由落体运动[6]。

记录钢球落到试样后回弹的高度（mm）。

分别对每个试样各做3 次测试，且钢球每次自由落到试样上表面的同一位置，且两次测试的间隔时间应控制在15～20 s 内。

钢球在自由落体过程中碰到测试装置，或弹出测量装置，则该次测试数据无效，需重新测试。

取3 次测试值中的最大值，作为最终测试的回弹高度值。

结果计算

试验结果以3 个试样的回弹率的平均值表示，保留2 位小数。

4.2 压缩复原率测试

准备动腔式减震器试样3 份，并分别在试样中心位置标记出中心点，测量出中心点位置的的初始高度（mm）。

调整压缩率试验机，然后将试样平整的放在压缩率试验机上，并按照中心点位置压紧夹具，压至初始高度的二分之一位置后，直立放置24 h。

松开压缩率试验机夹具取出试样，放置2 h，然后测量出中心点位置的压缩复原后高度（mm）。

分别对三份试样各做1 次，记录好初始高度和压缩复原后高度。

结果计算

试验结果以3 个试样的压缩复原率的平均值表示，保留2位小数。

4.3 能量吸收性能测试

准备盘式减震器试样三份

测试设备应为能测量压力最大值5000 N，且具备记录力和位移曲线等功能。

用聚乙烯制备成标准鞋楦的跟部，以此作为试验压头，鞋楦应与底边沿垂直，而且与后跟部的中轴线成90°的平面上切开。

将试样放在设备基座上，在跟部区域的中心位置以（10±2）mm／min 的速度对着跟部按压试验压头，压力直至达到5000 N。

分别对三份试样各测试一次，绘出每次测试的压力与位移曲线。

结果计算

试验结果以3 次测试的平均值表示，结果保留到整数位。

5 结论

鞋类多元结构减震系统依据人体工学原理，在鞋底上对应脚部相应位置分别设置减震垫、盘式减震器、减震栅和减震桥，形成一个由多个减震单元构成的多元减震结构集成系统；中底材料选用聚醚多元醇发泡材料，采用动腔式结构设计，在中底下侧前掌和后跟部位设有“#”字型锥状减震凸，同时在鞋底前掌和后跟对应位置上设有凹型结构的减震仓，中底镶嵌在鞋底的减震仓内，且完全紧密结合，形成一个封闭的减震器系统。使人在行走过程中将身体负重受力合理的分布在脚掌各个部位，并能有效缓冲，达到受力平衡，从而减缓脚部落地时对脚掌和踝关节的伤害，以及对大脑、脊椎、跟骨和其他部位的震荡起到缓冲，同时对身体起到稳定和支撑作用，既能够满足消费者行走和运动需要，又能保护身体不受伤害。同时内置的减震鞋垫具有抗菌、抑菌作用，能够有效地对鞋内异臭分子、湿气等具有很好地吸附分解和解吸，使鞋内干爽、卫生，起到鞋内环境净化的作用。