材料的勝利!細(xì)數(shù)跑鞋中的彈性體發(fā)泡材料!
來源:DT新材料
2019年10月12日,是馬拉松歷史上值得永遠(yuǎn)紀(jì)念的一天?;諉谈裨诰S也納以1小時(shí)59分40秒02的成績突破了馬拉松2小時(shí)大關(guān),盡管這一成績不被國際田聯(lián)認(rèn)可,但仍然激起了大家對馬拉松破2的興趣。但隨后不久,多位馬拉松選手聯(lián)合向國際田聯(lián)和運(yùn)動誠信組織投訴稱:以耐克Zoom AlphaFly為首的Vaporfly跑鞋會讓一些馬拉松精英跑者成績提高快2分鐘,不符合公平競爭的原則。
而上一次有鞋子在體育賽事中被禁用還是NBA被禁用的球鞋APL籃球鞋,而相比APL在鞋子中底直接加入彈簧的“作弊行為”,這次Vaporfly跑鞋則完全可以稱之為“材料的勝利”。
跑鞋的歷史,就是材料的歷史
一雙跑鞋,都有哪些結(jié)構(gòu)?
●一雙跑鞋分為三個(gè)部分:鞋面(Upper),中底(Midsole),大底(Outsole)。中底是跑鞋的靈魂,也是區(qū)別各大廠商的核心標(biāo)志,立身之本。中底的作用是提供穩(wěn)定性,緩沖和回彈,吸收運(yùn)動中產(chǎn)生的沖擊力,在運(yùn)動中提供保護(hù)和比較溫和的腳感。
而跑鞋的中底,則是高科技的聚集地。
相比近年又是限量,又是聯(lián)名的AJ,DUNK,在拋去奢侈品屬性之后,剩下的卻是數(shù)十年前的鞋底科技,拿炒賣價(jià)較高的AJ1來說,該鞋型還在使用的Air sole氣墊,首發(fā)于1985年。而拋去二級市場炒出的天價(jià),科技方面,跑鞋完全可以站在鄙視鏈的最尖端——因?yàn)槊恳淮闻苄母聯(lián)Q代,都來自材料人的不懈追求。
EVA-引發(fā)革命的發(fā)泡鞋材
EVA是乙烯、醋酸乙烯組成的無規(guī)共聚物,其中醋酸乙烯(VA)作為EVA分子鏈中的柔性鏈段,質(zhì)量含量在 26%-40%之間,乙烯作為結(jié)晶鏈段,整體表現(xiàn)出一定的柔軟度和高彈性。
作為鞋上最早使用的發(fā)泡材料,EVA材料的出現(xiàn)顛覆了人們對鞋中底材料的認(rèn)知,純EVA發(fā)泡的回彈性一般在40-45%,遠(yuǎn)比PVC、橡膠等材料回彈性好,且具有材質(zhì)輕、易加工等特點(diǎn),從而在鞋中底得到大量的應(yīng)用。然而以EVA為基礎(chǔ)的發(fā)泡材料產(chǎn)品耐老化性能、耐屈撓性能、彈性和耐磨性較差,且EVA發(fā)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的出現(xiàn)也使得人們對EVA材料提出了更高的要求,例如更低的硬度、更高的回彈、低壓縮形變等等,因此EVA橡塑并用就成為了目前各廠家的研究熱門。EVA橡塑并用,會加入EPDM、POE、OBCs、TPE如SEBS充油等彈性體共混使用,利用EPDM橡膠性、POE高彈性、OBCs柔軟結(jié)晶性、TPE柔軟性等以達(dá)到共混改性目的,從而提升EVA發(fā)泡性能,回彈性一般可提高到50-55%,甚至更高。由于EVA發(fā)泡材料價(jià)格優(yōu)勢,在未來的很長時(shí)間仍然是大眾運(yùn)動鞋最主力的材料選擇 。
斯凱奇的Hyper Burst是其研發(fā)出的EVA中底材料,它輕達(dá)181克(6.4盎司),具有超輕量、高回彈、更強(qiáng)耐磨耗等。與當(dāng)今市場上的大多數(shù)其他EVA發(fā)泡材料大不相同,其輕質(zhì)中底使用了斯凱奇獨(dú)家特殊配方的EVA發(fā)泡材料,這個(gè)技術(shù)是以超臨界狀態(tài)的氮?dú)饣蚨趸?,作為發(fā)泡劑,經(jīng)過精確計(jì)量后,與熱塑性塑料熔體充分混合均勻,形成均勻的熔膠/發(fā)泡劑均相體系,潛能更優(yōu)。該材料還運(yùn)用在斯凱奇2019年推出的GORUN Razor 3 Hyper 跑鞋、2020年5月推出的GOMEB SPEED 6 HYPER 競賽型輕質(zhì)跑鞋等
ETPU-半路殺出的中堅(jiān)力量
TPU是熱塑性聚氨酯彈性體的英文簡稱,是一種由二異氰酸酯、擴(kuò)鏈劑、多元醇組成的嵌段共聚物。其中多元醇組成的軟段表現(xiàn)出柔性和韌性,而二異氰酸酯作為硬段,賦予材料硬度和剛性,并且硬段結(jié)晶后作為物理交聯(lián)點(diǎn),使TPU表現(xiàn)出高彈性。因此TPU具有拉伸強(qiáng)度高、伸長率大,長期壓縮永久變形率低等顯著優(yōu)點(diǎn),而發(fā)泡后的TPU即ETPU,會有良好的回彈性,一般泡沫落球回彈值可達(dá)到60%。
●相比傳統(tǒng)的EVA中底,ETPU中底采用物理發(fā)泡的聚氨酯材料, 成型后呈爆米花狀,具有優(yōu)異的回彈性和形變恢復(fù)性,性能也遠(yuǎn) 超傳統(tǒng)的EVA材質(zhì)。優(yōu)勢:優(yōu)異的耐磨性,低溫性能好,超輕密度,極佳環(huán)保性,耐屈撓性能好,耐黃變,有良好的回彈性,一般泡沫落球回彈值可達(dá)到60%。
Adidas于2013年正式推出以TPU發(fā)泡技術(shù)為核心的Boost中底科技鞋款,給在死亡線掙扎的adidas注入一針強(qiáng)心劑。隨后包括UB、NMD、YEEZY等鞋款銷量爆棚風(fēng)靡世界,adidas憑借Boost中底科技將銷量提升至北美市場第二名。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發(fā)泡為核心研發(fā)的中底技術(shù),贏得了很多跑者的信任。
阿迪達(dá)斯的Boost科技——全片式地采用了巴斯夫的ETPU,在巴斯夫的內(nèi)部,他們把傳統(tǒng)的TPU顆粒通過發(fā)泡膨脹制成的半成品材料稱之為“Infinergy”,這個(gè)發(fā)泡的過程非常像玉米粒變成爆米花的過程。一般來說,一顆5mm的TPU顆粒經(jīng)過加熱和加壓的處理器后,可以直接膨脹直徑增加。在研發(fā)出“Infinergy”半成品材料之后,adidas和巴斯夫通過專利合作的方式,共同研發(fā)了三年,最后成功把它變成了視覺沖擊力極強(qiáng)的BOOST顆粒,將BOOST顆粒通過加壓的方式連接在一起,就變成了我們看到了BOOST中底的樣子。BOOST中底研發(fā)出來不久,adidas就推出了他的第一雙BOOST中底跑鞋“Energy BOOST”。
●巴斯夫官網(wǎng)的測試資料顯示:“在ISO 8307(球回彈測試)和DIN 53512(使用預(yù)先設(shè)定的擺錘)的彈性測試中,BOOST的回彈高度可以高達(dá)約55%。另外還測試了BOOST在連續(xù)負(fù)載下的表現(xiàn),使用每秒5個(gè)循環(huán)的動態(tài)負(fù)載和250千帕的恒定壓力的高頻測試,材料的性能比EPE(Expandable Polyethylene 可發(fā)性聚乙烯)好75%。40000次加載循環(huán)后,原本厚40mm的BOOST的厚度變成了37mm,作為對比測試的EPE則直接被壓扁了,同樣40mm的EPE測試完之后變成了9mm。還在零下20℃的極低溫度下進(jìn)行了測試,BOOST仍然非常柔軟,有彈性,還沒有變硬。
以上可以看得出來BOOST中底出色的緩沖和回彈表現(xiàn),在adidas把BOOST中底發(fā)光發(fā)熱的同時(shí),TPU發(fā)泡技術(shù)也變得更加成熟,也有越來越多的品牌開始選擇這種材料并且研發(fā)自己的中底技術(shù)。
PUMA作為首先與巴斯夫接觸研究“infinergy”材料的企業(yè),在2011年adidas與巴斯夫達(dá)成大家合作后,不得不尋求Huntsman Corp的合作,研發(fā)出了NRGY泡沫緩震科技,并在2014年推出了搭載NRGY中底的鞋款(比UltraBOOST第一代正式推出還早),這其中與adidas的官司糾紛,在此就不再贅述。
●跑鞋品牌Saucony在2016年推出了自己的全新中底材料EVERUN,同樣由TPU材料發(fā)泡而成,在形狀上和性能上都和BOOST比較接近。根據(jù)Saucony的實(shí)驗(yàn)室數(shù)據(jù),由EVERUN科技構(gòu)成的的觸地區(qū)域可提供出色的沖擊防護(hù),持續(xù)緩震時(shí)間比普通的EVA長3倍,同時(shí)提供83%的能量回饋。
●美國的跑步品牌Altra,他們在2017年研發(fā)出了全新的Ego中底,也是由TPU材料發(fā)泡而成。
●越野跑品牌Salomon,他們研發(fā)出了Opal技術(shù),這種用TPU發(fā)泡制成的材料能夠很好地提升中底的緩沖和回彈性能。
總的來說,TPU作為常用鞋材彈性體,其爆發(fā)式增長一方面是因?yàn)榘⒌螧oost系列的巨大產(chǎn)量以及顛覆性影響,另一方面其優(yōu)異性能吸引著眾多鞋材上下游廠家去進(jìn)行研究。TPU彈性體的發(fā)展前景廣闊!
OBCS-不太一般的開創(chuàng)嘗試
陶氏成功針對運(yùn)動鞋,特別是跑鞋所需要使用的中底緩震材料,研發(fā)了一種名為INFUSE的烯烴嵌段共聚物(OBCs = Olefin Block Copolymers ),該材料是一種烯烴嵌段共聚物,具有質(zhì)量輕、回彈性好、質(zhì)地柔軟等特性,純OBCs材料的回彈性可達(dá)到65%以上。OBCs與EVA、POE相容性很好,基本每一個(gè)EVA橡塑配方里面都會有這三個(gè)組合,OBCs質(zhì)量份一般在10-20phr,用于提高整體鞋中底發(fā)泡材料的性能。
它所針對的市場材料競品,就是傳統(tǒng)的EVA和巴斯夫研發(fā)的E-TPU。在陶氏化學(xué)做出這個(gè)產(chǎn)品之前,有業(yè)界報(bào)道是這么描述的:“在聚烯烴彈性體化學(xué)領(lǐng)域,從未有人能夠?qū)崿F(xiàn)軟性高分子和硬質(zhì)高熔點(diǎn)高分子的混合。”可見,這是完全一個(gè)新的化學(xué)原料,實(shí)現(xiàn)了做高彈耐用鞋材的突破口,與以往的PU聚氨酯和EVA乙烯-醋酸乙烯共聚物都不一樣了。下圖中表示,OBC的彈力比E-TPU,也就是BOOST的原型產(chǎn)品,更加好。
而Under Armour與陶氏化學(xué)合作,找到了不一樣的道路,他們在2018年推出了全新的中底材料HOVR,HOVR的原材料不是TPU,采用的是聚烯烴材料。這種烯烴材料制成的中底泡棉具備高回彈性、快速恢復(fù)、低收縮性的特點(diǎn)。根據(jù)陶氏化學(xué)的官方測試數(shù)據(jù):由40%的烯烴泡棉制成的中底在回彈測試中要比100%的EVA材料高7%,同時(shí)比40%高彈EVA材料的高5%,不過在這項(xiàng)測試中烯烴泡棉的回彈表現(xiàn)低于TPU材料。但如果是采用100%的烯烴泡棉,它的回彈性比TPU中底高出7個(gè)百分點(diǎn)。
PEBAX-閃亮登場的嶄新未來
回到我們一開始說的PEBAX,PEBAX彈性體是一款極高性能熱塑性聚合物,是由剛性聚酰胺嵌段和軟聚醚嵌段組成的嵌段共聚物。
這些獨(dú)特聚合物保持延續(xù)了傳統(tǒng)概念中聚酰胺相關(guān)的韌性和聚醚的彈性相結(jié)合。在反復(fù)彎曲過程中,PEBAX彈性體可以提供極其高效能量回收。穿著PEBAX中底技術(shù)鞋款可以將能量損耗系數(shù)降到更低,且擁有極強(qiáng)的抗冷沖擊性。此外PEBAX彈性體在熱性塑料品類中的重量是最低的,要比很多的低密度聚合物輕20%,回彈率可以達(dá)到70%-80%,且堅(jiān)固性絲毫不會下降
不過這種材料也并非完美,如果各位手中有PEBAX鞋款會發(fā)現(xiàn),即使是新品中底部分依然有大量褶皺。這是由于PEBAX的分子之間支撐性能不好所導(dǎo)致,此外PEBAX發(fā)泡技術(shù)的成本和廢品率都比較高,導(dǎo)致造價(jià)昂貴。廢品率高到Nike可以用他的廢料再做一款鞋子。
PEBAX盡管優(yōu)秀,但現(xiàn)在僅適用于高端跑鞋,售價(jià)頗高,且不耐用。而TPU材料做中底的跑鞋幾乎適合所有人,從剛?cè)腴T的跑者到職業(yè)跑者,到頂級選手均可使用。不管怎樣,一雙好的跑鞋,離不開材料研發(fā)人員的不懈努力!而彈性體發(fā)泡材料能做到的,還有很多。