材料的勝利！細數跑鞋中的彈性體發(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紀念的一天?；諉谈裨诰S也納以1小時59分40秒02的成績突破了馬拉松2小時大關，盡管這一成績不被國際田聯認可，但仍然激起了大家對馬拉松破2的興趣。但隨后不久，多位馬拉松選手聯合向國際田聯和運動誠信組織投訴稱：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，都有哪些結構？
●一雙跑鞋分為三個部分：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，吸收運動中產生的沖擊力，在運動中提供保護和比較溫和的腳感。
而跑鞋的中底，則是高科技的聚集地。
相比近年又是限量，又是聯名的AJ，DUNK，在拋去奢侈品屬性之后，剩下的卻是數十年前的鞋底科技，拿炒賣價較高的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，科技方面，跑鞋完全可以站在鄙視鏈的最尖端——因為每一次跑鞋的更新換代，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，質量含量在 26%-40%之間，乙烯作為結晶鏈段，整體表現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材料的出現顛覆了人們對鞋中底材料的認知，純EVA發(fā)泡的回彈性一般在40-45%，遠比PVC、橡膠等材料回彈性好，且具有材質輕、易加工等特點，從而在鞋中底得到大量的應用。然而以EVA為基礎的發(fā)泡材料產品耐老化性能、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柔軟結晶性、TPE柔軟性等以達到共混改性目的，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)泡材料價格優(yōu)勢，在未來的很長時間仍然是大眾運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181克（6.4盎司），具有超輕量、高回彈、更強耐磨耗等。與當今市場上的大多數其他EVA發(fā)泡材料大不相同，其輕質中底使用了斯凱奇獨家特殊配方的EVA發(fā)泡材料，這個技術是以超臨界狀態(tài)的氮氣或二氧化碳，作為發(fā)泡劑，經過精確計量后，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 競賽型輕質跑鞋等
ETPU-半路殺出的中堅力量
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，并且硬段結晶后作為物理交聯點，使TPU表現出高彈性。因此TPU具有拉伸強度高、伸長率大，長期壓縮永久變形率低等顯著優(yōu)點，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性，性能也遠 超傳統(tǒng)的EVA材質。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到60%。
Adidas于2013年正式推出以TPU發(fā)泡技術為核心的Boost中底科技鞋款，給在死亡線掙扎的adidas注入一針強心劑。隨后包括UB、NMD、YEEZY等鞋款銷量爆棚風靡世界，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，贏得了很多跑者的信任。
阿迪達斯的Boost科技——全片式地采用了巴斯夫的ETPU，在巴斯夫的內部，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”。
●巴斯夫官網的測試資料顯示：“在ISO 8307（球回彈測試）和DIN 53512（使用預先設定的擺錘）的彈性測試中，BOOST的回彈高度可以高達約55％。另外還測試了BOOST在連續(xù)負載下的表現，使用每秒5個循環(huán)的動態(tài)負載和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，在adidas把BOOST中底發(fā)光發(fā)熱的同時，TPU發(fā)泡技術也變得更加成熟，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。
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Saucony的實驗室數據，由EVERUN科技構成的的觸地區(qū)域可提供出色的沖擊防護，持續(xù)緩震時間比普通的EVA長3倍，同時提供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，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)式增長一方面是因為阿迪Boost系列的巨大產量以及顛覆性影響，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，具有質量輕、回彈性好、質地柔軟等特性，純OBCs材料的回彈性可達到65%以上。OBCs與EVA、POE相容性很好，基本每一個EVA橡塑配方里面都會有這三個組合，OBCs質量份一般在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。在陶氏化學做出這個產品之前，有業(yè)界報道是這么描述的：“在聚烯烴彈性體化學領域，從未有人能夠實現軟性高分子和硬質高熔點高分子的混合?！笨梢?，這是完全一個新的化學原料，實現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的原型產品，更加好。
而Under Armour與陶氏化學合作，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、低收縮性的特點。根據陶氏化學的官方測試數據：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%，同時比40%高彈EVA材料的高5%，不過在這項測試中烯烴泡棉的回彈表現低于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個百分點。
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。
這些獨特聚合物保持延續(xù)了傳統(tǒng)概念中聚酰胺相關的韌性和聚醚的彈性相結合。在反復彎曲過程中，PEBAX彈性體可以提供極其高效能量回收。穿著PEBAX中底技術鞋款可以將能量損耗系數降到更低，且擁有極強的抗冷沖擊性。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%，回彈率可以達到70%-80%，且堅固性絲毫不會下降
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，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致，此外PEBAX發(fā)泡技術的成本和廢品率都比較高，導致造價昂貴。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，但現在僅適用于高端跑鞋，售價頗高，且不耐用。而TPU材料做中底的跑鞋幾乎適合所有人，從剛入門的跑者到職業(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。
