雷景彤

【摘 要】文章介紹了鞋墊制作中所用到的各種材料，對(duì)不同材料制作的鞋墊的優(yōu)缺點(diǎn)進(jìn)行了詳細(xì)的對(duì)比，并闡述了新材料新工藝在鞋墊制作中的應(yīng)用，尤其涉及了碳纖維鞋墊、壓電陶瓷自發(fā)熱智能鞋墊和3D打印技術(shù)在鞋墊制作中的應(yīng)用。

【關(guān)鍵詞】鞋墊；高分子材料；碳纖維；壓電陶瓷；3D打印

中圖分類號(hào)： TS943.1 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A 文章編號(hào)： 2095-2457（2018）26-0258-002

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2018.26.117

0 前言

鞋墊是最普通的個(gè)人用品之一，市場(chǎng)上有各種各樣的鞋墊，按材質(zhì)可分為布料鞋墊、皮革鞋墊、EVA鞋墊、海綿鞋墊、硅膠鞋墊、TPR鞋墊、乳膠鞋墊等。按制作工藝可分為手工刺繡鞋墊紡織成型鞋墊、冷壓成型鞋墊、熱壓成型鞋墊、澆注成型鞋墊、注塑成型鞋墊等。

鞋墊雖然是最普通的用品，人的一生有一半以上的時(shí)間需要穿鞋，鞋子與人們的健康有著很大的關(guān)系，不合適的鞋子會(huì)引起腳臭、香港腳、腳痛等問題，為了解決這些問題，只專注于鞋子的改變是不夠的，鞋墊的作用非常重要，鞋內(nèi)環(huán)境是否舒適鞋墊是關(guān)鍵；另一方面通過制作鞋墊也可以實(shí)現(xiàn)足部疾患的矯治，制作合適的鞋墊比改造鞋子更簡(jiǎn)單、易行，還可以保留足部患者選擇自己喜歡鞋子的可能性，實(shí)現(xiàn)個(gè)性化治療。顯而易見，用于制作鞋墊的材料對(duì)鞋墊的意義重大。

1 常規(guī)的鞋墊材料

1.1 天然材料

最早的鞋墊采用棉、麻布做成，軟硬適中、有彈性，穿著溫暖、透氣、吸汗、吸臭、不產(chǎn)生靜電，養(yǎng)腳、護(hù)腳。鞋墊上的圖案針腳凸起，對(duì)腳底的穴位還有很好的按摩作用，長(zhǎng)期使用可有效預(yù)防多種腳病。隨著旅游業(yè)的發(fā)展，挑花鞋墊成了欣賞、收藏的藝術(shù)品，被賦予了更多的藝術(shù)價(jià)值。繡有特殊花紋的民俗鞋墊具有美好的象征意義，如著名的四川地區(qū)十字挑花鞋墊，陜北民間的繡花鞋墊等[1，2]。

但是純棉纖維易皺、彈性差、耐磨性差，而麻纖維天然的紡錘形結(jié)構(gòu)和獨(dú)特的果膠質(zhì)斜邊扁孔結(jié)構(gòu)使其具有優(yōu)良的吸濕、透氣、防腐、抑菌、低靜電等特性，東華大學(xué)紡織學(xué)院研究了用麻、棉纖維與丙綸長(zhǎng)絲混合生產(chǎn)的非織造布鞋墊，分析了纖維混合比和原料對(duì)非織造布透氣性、吸濕性、耐磨性和保暖性的影響及原因。結(jié)果表明：丙綸與棉、麻纖維的混合質(zhì)量比為20∶80時(shí)，可以獲得能夠較好滿足鞋墊材料性能要求的非織造布，既具有麻、棉吸濕透氣、抗菌抑菌的特性，耐磨性和傳熱性能也較好，同時(shí)還在一定程度上降低了成本，應(yīng)用前景較為廣闊[3]。

真皮鞋墊柔軟、豐滿而有彈性，舒適優(yōu)雅，非常適合腳部出汗較少的人使用。但是皮革易老化僵硬，且真皮鞋墊吸臭不除臭，因此，腳汗較多且腳臭嚴(yán)重的人不易選用。

羊毛氈鞋墊，是采用羊毛氈沖切而成，利用羊毛的縮絨特性經(jīng)加工粘合而成、密度緊湊性能穩(wěn)定，伸縮性較好。具有耐磨和良好的保暖、富有彈性、可防震、粘合性能好、不易松散等性能。

目前環(huán)保理念深入人心，一些天然的材料如秸稈、絲瓜絡(luò)、竹纖維等也用于制作鞋墊。如我國(guó)發(fā)明CN 103637505 A公開了用秸稈88-98、膠粘劑3-6（重量份）制得的鞋墊，其保暖性和透氣性都很好，而且這種材料制備的鞋墊能夠腐爛成肥，消失在土壤中，非常環(huán)保[4]。其中竹纖維分為竹漿纖維、竹碳纖維和竹原纖維三類，具有良好的抑菌性能和吸附性能，是天然的抑菌產(chǎn)品，符合鞋品逐漸向輕質(zhì)、彈性、透氣、吸水和健康方面發(fā)展的要求。福建鑫華股份有限公司進(jìn)行了新型竹原纖維鞋墊材料的開發(fā)，并與當(dāng)前市場(chǎng)上以乙烯-醋酸乙烯共聚物（EVA）和聚氨酯（PU）為基材的主流鞋墊材料的性能進(jìn)行比較，研究表明，竹原纖維鞋墊材料的透氣性、吸濕性和力學(xué)性能均超過EVA材料和PU材料。利用竹原纖維天然抑菌的特性，不用添加化學(xué)助劑就能有效抑菌，使鞋墊更環(huán)保、舒適和安全。因此竹原纖維鞋墊材料是一種新型的鞋墊材料，將會(huì)有廣闊的市場(chǎng)前景[5]。

1.2 高分子材料

高分子材料又稱聚合物或高聚物，由一種或幾種分子或分子團(tuán)（結(jié)構(gòu)單元或單體）以共價(jià)鍵結(jié)合成具有多個(gè)重復(fù)單體單元的大分子，其分子量高達(dá)104～106。它們可以是天然產(chǎn)物如纖維、蛋白質(zhì)和天然橡膠等，也可以是用合成方法制得的，如合成橡膠、合成樹脂、合成纖維等。高分子材料是材料科學(xué)中的一個(gè)重要分支，制鞋業(yè)中大量使用到高分子材料，其中鞋墊中用到的柔軟材質(zhì)就有聚乙烯、聚烯烴類板材、聚氨酯類材料（海綿的主要成分）、泡沫材料、橡膠材料、有機(jī)硅人體仿生材料等等[6-8]。

一般來說，高分子材料有熱塑性及熱固性兩種，熱固性材料于加熱成型后，若再予加熱，無法再次軟化。熱塑性材料于加熱成型后，若再予以加熱，則仍會(huì)再次軟化，故可重復(fù)定型利用。在鞋墊制造時(shí)所用的材料大部分為熱塑性材料。依材質(zhì)的不同在100～200℃加熱軟化，再成型加工。

聚乙烯簡(jiǎn)稱PE，是一種熱塑性樹脂，無臭，無毒，能耐大多數(shù)酸堿的侵蝕，電絕緣性能優(yōu)良。聚乙烯泡沫塑料是目前鞋墊中應(yīng)用最普遍的軟性材質(zhì)，加熱到250～300℃后壓模成型，可以達(dá)到各種密度。但聚乙烯對(duì)環(huán)境應(yīng)力（化學(xué)與機(jī)械作用）敏感，耐熱老化性差。聚烯烴類板材具有熱塑性，有一定的強(qiáng)度與韌性，常作為硬質(zhì)材料制作的足部矯形器用于矯正不正常的足部問題。

聚氨酯是一種新興的有機(jī)高分子材料，多用于制造高檔皮鞋、運(yùn)動(dòng)鞋、旅游鞋等。聚氨酯材料的鞋底，質(zhì)地柔軟，穿著舒適輕便；耐磨性能、減震、防滑。目前在足部器具中主要就是用于聚氨酯泡沫彈性體（PU）來制作半硬性和軟性鞋墊。半硬性足墊，可以降低足低壓力，矯正足部至正常的姿勢(shì)。既有吸震作用，又可達(dá)到支撐及矯正的效果。軟性鞋墊可提供良好的吸震和緩沖性能，并有效降低足部壓力，起到矯正功效。聚氨酯彈性體的拉伸強(qiáng)度是天然橡膠和合成橡膠的2-3倍，聚氨酯材料的高強(qiáng)度和高伸長(zhǎng)率保證了負(fù)載支撐容量大，不易塌陷變形。

泡沫材料是由大量氣體微孔分散在固體塑料中形成的一類高分子材料，具有質(zhì)量輕、隔熱、吸音、減震等特性，以乙烯-醋酸乙烯聚合物（EVA）為代表。EVA材料是鞋墊材料中的元老，具有很多優(yōu)點(diǎn)：①因其為密閉泡孔結(jié)構(gòu)，所以不易吸水，防潮。②耐腐蝕，抗菌，無毒、無味、無污染。③易于進(jìn)行壓熱、剪裁、涂膠、貼合等加工。④回彈性和抗張力高、韌性強(qiáng)、具有良好的防震緩沖性能。⑤隔熱、保溫防寒、低溫性能優(yōu)異，可耐暴曬。但是EVA鞋墊也存在不透氣的缺點(diǎn)，腳汗多者、腳臭者應(yīng)避免使用。

橡膠類材料很早就應(yīng)用于鞋墊的制作。天然橡膠柔軟，彈性佳，適合于各種室內(nèi)運(yùn)動(dòng)鞋，但很不耐磨。乳膠是天然的橡膠汁液，乳膠鞋墊具有很好的彈性，防菌、透氣、防臭腳，乳膠本身能散發(fā)出令蚊蟲不敢靠近的香味，健康環(huán)保，并可以清洗，經(jīng)久耐用。乳膠鞋墊是比較健康實(shí)用的好鞋墊，被稱之為鞋子的禮物，也是未來鞋類的主要趨勢(shì)。人工合成的耐磨橡膠的耐磨性和韌性好，耐用，一般在網(wǎng)球鞋的大底上使用。粘性橡膠的柔韌性比較好，非常防滑，一般用在室內(nèi)運(yùn)動(dòng)鞋上。TPR橡膠鞋墊晶瑩剔透，類似果凍，摸上去感覺涼涼的，不變形，回彈力好。由于其漂亮的外觀，在女鞋中比較常見。

有機(jī)硅人體仿生材料由聚烯基、硅氫基等硅氧烷類聚合物制備，與人體相容性好、無毒無刺激，易于成型加工的特點(diǎn)，適于做成各種形狀的管、片等制品，在醫(yī)用在康復(fù)用品用具中應(yīng)用最廣。如有機(jī)硅硅凝膠腳墊，采用食品級(jí)液體硅膠在膠水作用下與絨布等材質(zhì)粘在一起，采用熱硫化、注塑一體成型，一般用于醫(yī)用硅膠腳墊，但不透氣，常添加防臭成分。

2 鞋墊新材料與新工藝

材料是人類賴以生存和發(fā)展的物質(zhì)基礎(chǔ)，人類社會(huì)的發(fā)展歷程，是以材料為主要標(biāo)志的。信息、材料和能源成為社會(huì)文明的支柱。材料科學(xué)的進(jìn)步不僅滿足了經(jīng)濟(jì)建設(shè)、國(guó)防建設(shè)的發(fā)展和需要，也關(guān)系到人民的日常生活，小小的鞋墊里就有許多材料學(xué)新技術(shù)的體現(xiàn)。

2.1 碳纖維材料

為了解決腳汗和腳臭問題，市面上出現(xiàn)了竹碳鞋墊、活性碳鞋墊等，利用材料的高吸附性能采用物理吸附的辦法即時(shí)去除足部的汗液與臭味。但是這種鞋墊所使用的竹碳、活性碳均為粉狀，需要灑在涂膠的布上，制成碳布后再制成鞋墊。這樣存在“碳載量”小、碳粉的外表面有相當(dāng)一部分會(huì)被膠封住而使孔道堵塞的問題，導(dǎo)致其吸附能力大打折扣[9]。

活性碳纖維（ACF），亦稱纖維狀活性碳，是繼活性碳和粒狀活性碳之后的第三代新型高科技產(chǎn)品吸附材料[10]。它是由纖維狀前驅(qū)體，經(jīng)一定的程序碳化活化而成。其超過50%的碳原子位于內(nèi)外表面，構(gòu)筑成獨(dú)特的納米空間和吸附結(jié)構(gòu)，發(fā)達(dá)的比表面積和較窄的孔徑分布使得它具有較快的吸附脫附速度和較大的吸附容量，并且可方便地加工為氈、布、紙等形狀，碳纖維鞋墊所用的吸附材料就為“活性碳纖維氈”。

鞋墊所用碳?xì)值暮穸炔恍∮?mm，其“碳載量”自然遠(yuǎn)高于那些“碳粉鞋墊”，鞋墊制作過程中不使用任何粘結(jié)劑。碳纖維鞋墊是以活性碳纖維作為內(nèi)芯輔以多種植物精華及殺菌劑，外襯棉布，穿著柔軟、舒適、吸汗、殺菌、除臭，可有效的防治腳癬、腳氣等疾病。雖然目前活性碳纖維在國(guó)際市場(chǎng)上的價(jià)格每噸高達(dá)數(shù)十萬元，為竹碳、活性碳的100倍，但從吸附性能上對(duì)比，活性碳纖維的吸附能力為竹碳的20倍，吸附速度為竹碳的1000倍，“一雙活性碳纖維鞋墊能頂100雙竹碳鞋墊”，這種說法不無道理?；钚蕴祭w維氈還公認(rèn)是一種極好的保溫材料，用活性碳纖維做成的鞋墊不僅輕、薄，而且高度保暖。

2.2 壓電陶瓷自發(fā)熱智能鞋墊

1946年美國(guó)麻省理工學(xué)院絕緣研究室發(fā)現(xiàn)在BaTiO3鐵電陶瓷上施加直流高壓電場(chǎng)，使其自發(fā)極化沿電場(chǎng)方向擇優(yōu)取向，除去電場(chǎng)后仍能保持一定的剩余極化，具有壓電效應(yīng)，從此誕生了壓電陶瓷。壓電陶瓷是一種特殊的電介質(zhì)，最大的特性是具有壓電性，即沿著一定方向?qū)λ谋砻媸┘油饬r(shí)發(fā)生形變，內(nèi)部產(chǎn)生極化現(xiàn)象，介質(zhì)的兩個(gè)表面產(chǎn)生方向相反大小相等的電荷。2011年秦磊和王躍琦申請(qǐng)了實(shí)用新型專利“一種自動(dòng)發(fā)熱鞋墊”，鞋墊包括發(fā)熱層、導(dǎo)熱層、保溫層、布料層四層；其中發(fā)熱層采用壓電陶瓷細(xì)粉材料，當(dāng)在人腳行走時(shí)機(jī)械能轉(zhuǎn)化為電能，自動(dòng)發(fā)熱，這種鞋墊在冬天特別實(shí)用[11]。與其原理相似，2014年沈陽工業(yè)大學(xué)曹雨晨、劉樹鑫申請(qǐng)了實(shí)用新型專利“一種基于壓電陶瓷自發(fā)電加熱鞋墊”（ZL201420745605.9），利用壓電陶瓷由機(jī)械能轉(zhuǎn)換電能的特點(diǎn)，當(dāng)人在走路的時(shí)候自動(dòng)產(chǎn)生電能，繼而為鞋墊底部的發(fā)熱電阻絲供電[12]。所發(fā)明的鞋墊的特點(diǎn)是鞋墊中設(shè)置有壓電陶瓷片電路、發(fā)熱電阻絲電路和可調(diào)擋電路，鞋墊結(jié)構(gòu)為四層，依次分別為保溫層、抗菌吸汗層、發(fā)熱層和保溫層，壓電陶瓷片電路放置于鞋墊底部的保溫層用于給發(fā)熱電阻絲提供電能，而且電路可調(diào)擋電路，根據(jù)提供陶瓷片發(fā)熱的功率。這種鞋墊尤其適合北方寒冷地區(qū)人民和邊防戰(zhàn)士使用。

2.3 3D打印鞋墊

當(dāng)前已進(jìn)入數(shù)字化時(shí)代，人們對(duì)鞋子的舒適性有了更高的要求。數(shù)字化建模的方式制作鞋墊的優(yōu)勢(shì)在于其可以快速實(shí)現(xiàn)曲線到面再到體的轉(zhuǎn)化，同時(shí)能快捷地對(duì)鞋墊模型進(jìn)行局部調(diào)整，達(dá)到造型要求，具有極高的設(shè)計(jì)精度和加工精度，利用3D打印技術(shù)是一種可實(shí)現(xiàn)大批量個(gè)性化定制鞋墊的生產(chǎn)模式鞋墊[13]。

2013年成立于紐約的SOLS公司是全球首家提供定制的3D打印鞋墊或足部矯形器的新生企業(yè)，消費(fèi)者只須下載SOLS的應(yīng)用，就可以實(shí)現(xiàn)完全的自定義、優(yōu)化設(shè)計(jì)和完成最終訂購(gòu)。消費(fèi)者通過智能手機(jī)攝像頭掃描腳部，上傳圖片，SOLS自動(dòng)進(jìn)行數(shù)據(jù)分析與驗(yàn)證，并經(jīng)過生物力學(xué)優(yōu)化，建立腳部模型，將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化成反映消費(fèi)者腳和個(gè)性化需求的3D數(shù)字模型，再依照這個(gè)3D模型在3D打印機(jī)上制作出消費(fèi)者的專屬鞋墊[14]。

3D打印鞋墊采用的是一種先進(jìn)的抗菌尼龍材料，包括一種航天級(jí)的材料尼龍11，同時(shí)其成分比可以自行修改優(yōu)化，以定制鞋墊的柔軟度和牢固度，并進(jìn)一步調(diào)整形狀，幫助消費(fèi)者更舒適地行走。當(dāng)然消費(fèi)者也可以選擇皮革、氯丁橡膠和羊毛等各種飾面和顏色。3D的打印的鞋墊具有足弓支撐、吸收沖擊、緩解足部腳踝和背部的疼痛并對(duì)個(gè)人步態(tài)做出反應(yīng)的能力。

據(jù)了解目前SOLS鞋墊的零售價(jià)為199美元每雙，10個(gè)工作日內(nèi)發(fā)貨。SOLS 3D打印鞋墊成本遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于傳統(tǒng)矯形器（傳統(tǒng)的足部矯正器售價(jià)在500美元以上）。SOLS公司已通過醫(yī)療渠道銷售3D鞋墊，通過與WebPT的合作，SOLS已經(jīng)出現(xiàn)在了全美650多名足病診療師的辦公室里，他們的3D打印足部矯形鞋墊已經(jīng)被用于4.3萬名患者的康復(fù)治療。該公司開始試圖直接面對(duì)消費(fèi)者定制鞋墊，未來還將進(jìn)入專業(yè)運(yùn)動(dòng)市場(chǎng)，為運(yùn)動(dòng)員提供服務(wù)。

3 結(jié)論

小鞋墊，大學(xué)問。為了獲得一雙舒適健康的鞋墊，人們?cè)谛瑝|制作過程中采用了各種各樣的材料，不同材料制作的鞋墊有不同的優(yōu)缺點(diǎn)；而且人們也在不斷探索和改進(jìn)鞋墊的材料和制作工藝，從一雙看似簡(jiǎn)單的小鞋墊上我們能感受到新材料和新技術(shù)給人們生活帶來巨大變化和發(fā)展空間。

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