高性能聚合物发泡鞋材在鞋类中的应用与发展(上)

碳纤维/热塑性复合材料成就运动鞋高性能表现

Carbitex的柔性碳纤维/热塑性复合材料板采用了创新性的工程设计，从而消除了运动鞋的设计缺陷。

增强高性能运动鞋

华盛顿初创公司Carbitex的碳纤维/热塑性复合材料产品旨在消除鞋类应用中稳定性和柔韧性方面的材料冲突做出的让步。图为Carbitex的DFX产品。

多年来，碳纤维中底板（midsole plates），铁芯（shanks）和其他组件一直在提高性能并减轻顶级运动鞋的重量。 但是，Carbitex Inc.（美国华盛顿州肯尼威克）的创始人兼董事长Junus Khan解释说，即使使用复合材料，制鞋开发商在选择中底板的材料时通常也必须做出妥协：在足够坚硬的材料之间进行选择。 尽管脚可能不灵活，笨重，或者是重量轻且柔软但不能提供足够支撑的材料，但在所需的活动过程中可以支撑脚。 无论是选择哪种方法，还是采用介于两者之间的折衷材料，都会使鞋子（以及穿着者）固有地效率低下，Carbitex表示，通过开发柔性碳纤维/热塑性复合材料产品线，已经能够克服这一问题。

但是，Khan指出，他最初并未打算改变制鞋业。大约10多年前，Khan拥有经济学背景，但通过在汽车行业工作而了解了碳纤维复合材料，他考察了行李箱市场，想知道为什么箱包制造商试图用弹道尼龙和其他织物来模仿碳纤维的美学，而不是使用真正的碳纤维。由于找不到一家能生产出适合箱包市场的柔软、柔韧的碳纤维产品的公司，他决定亲自动手制造。

自2010年起，Khan就开始利用业余时间在车库里研究各种碳纤维材料，并于2011年在美国能源部西北太平洋国家实验室测试了他的第一种材料和工艺。那时，他说：“我有一个可行的概念，并且对材料空间有了更好的了解，”他决定将这个概念转变为一家公司，目标是继续开发并最终销售材料。Carbitex Inc.成立于2012年2月。

AFX和DFX：改造鞋类

专注于鞋类

尽管期望能尽快进入其他行业，但到目前为止，Carbitex将其大部分发展重点放在了制鞋业。

在过去的几年中，Carbitex发布了两种新的复合技术，称为AFX和DFX。Khan认为，与“典型复合材料”的刚度由纤维取向和层长度控制的不同，Carbitex碳纤维片材的硬度在整个长度上都是均匀的。他说，在其他复合材料可能由一种树脂系统和纤维组成的情况下，Carbitex的材料更加复杂，涉及复杂的聚合物片层和织物层，以实现所需的柔韧性。他说：“我们的AFX材料的非常简单的版本可能将两种不同类型的碳纤维夹在另外两种或三种不同类型的聚合物之间。” “这是一个复杂的分层系统，您必须了解如何将这些层合并在一起以实现[所需]属性。”

通常，制造过程首先将可以用粘合剂或其他织物处理方法处理过的织物和聚合物片层合到面板中。尽管汗表示，Carbitex的大多数产品都包含美国Toray Composite Materials公司（美国华盛顿州塔科马市）生产的纤维，并且经常使用Hexcel（美国康涅狄格州斯坦福市）生产的丝束织物，但仍使用来自不同供应商的各种纤维。聚合物也因应用而异，但通常具有热塑性，以提供柔韧性和可成型性，“尽管有时根据应用的不同，它不是完全热塑性的，”他补充道。

这些面板在热压机中合并在一起；一旦移除，将通过水刀切割并成型单个零件。Khan说，与传统的叠层相比，采用面板制造而不是单个零件叠层可以提高产量。

制造工艺

首先，将特定的机织织物，预浸料和聚合物薄膜层堆叠在一起形成面板。

接下来，将面板在加热压机中固结。

通过喷水从固化的面板上切下特定的组件

Carbitex说，避免单独的零件叠置可以提高生产率。

所得的碳纤维复合材料中底（图中为DFX组件）将组装到最终的鞋类应用中。

但是，除了要兼顾刚性和柔韧性之外，开发鞋类还面临另一个挑战：人的脚只能在一个方向弯曲而不会过度伸展或折断，因此鞋材需要具有在某些方向弯曲的多功能性，而在其他方向则没有弯曲性。Khan说，Carbitex通过控制层压板的弯曲或弯曲来实现这一目标。Khan说：“通常在复合材料中，“屈曲”一词归因于失败，但我们想出了使纤维屈曲而不断裂的方法。” 他补充说，这项发明最初是偶然产生的，因为一位同事意识到纤维和聚合物层的某种组合导致一种材料仅在一个方向上弯曲。Khan说：“我们意识到这样做必须有某种好处，因此我们开始剥离这些层，了解它是如何发生的，然后了解我们如何有目的地做到这一点。”

屈曲设计

根据脚部的形状限制，AFX材料的设计只能沿一个方向弯曲。

生成的产品称为AFX，其中的“ AF”代表“非对称柔性（ Asymmetrically Flexible）”，表示它在一个方向上弯曲而在另一个方向上完全刚性。根据2018年的专利申请，Carbitex的AFX产品包括机织织物层，预浸料坯层以及在它们之间的至少一个聚合物层，它们组合成一个组件，然后进行成型和固化。该专利说：“分层结构在第一方向上具有较高的抵抗力，而在相反的第二方向上具有较低的抵抗力。”

“我们的技术可在您想要的方向上实现一定程度的刚度和保护，” Khan补充道。例如，装有AFX碳纤维中底的远足靴，具有保护脚部以防止在不平坦或垂直地形上以错误的方式弯曲所需的支撑力和刚度，但“当您弯曲脚以在平坦的地面上行走时，[靴子就像跑鞋一样灵活。”他说。AFX还比通常用于加固远足靴的木板和橡胶材料轻。

Carbitex的第三种产品称为DFX，它是AFX的衍生产品，代表“动态灵活性（ Dynamically Flexible）”，这意味着鞋子中材料的刚度会随着脚的移动而变化。借助DFX，“您可以拥有一种[鞋子]，它在某些角度将具有超强的柔韧性，然后在更大的角度将变得越来越硬或呈指数变硬，” Khan说。“在鞋类中，这与性能直接相关。”根据其2020年专利申请，DFX至少由三层组成，并固化成一个层压板：粘合剂增强的柔性机织织物层；较硬的机织织物层；至少一层聚合物层。

Khan指出，当运动员在田径场上行走时，跑步鞋或防滑钉可能会柔软而有弹性，然后，一旦跑步者起飞并且脚开始以更大的角度弯曲，则鞋子会变得更硬以支撑 运动。“公司不再需要折中并选择特定的中足硬度-我们可以确定给定活动的不同功能，并设计相应的硬度。”

“另一种看待它的方式是，DFX增强了脚的性能，就像肌肉或韧带一样起作用，取决于它们被拉伸的方式而变得灵活或僵硬。AFX材料的行为更像是肘部或脚踝等关节，其设计可以使单向弯曲得非常好。”他补充说。

动态灵活性

在阿迪达斯（Adidas）的X Ghosted足球鞋防滑鞋和类似应用中，DFX材料可根据穿着者的运动提供可变的灵活性。

到目前为止，每种材料迭代都是针对特定性能范围和确定的适用于行业的制造集成水平而专门设计的，在此范围内还可以进行自定义，例如特定的刚度或耐用性要求。该公司还向潜在客户提供定制样品。“我们不断收集有关复合材料及其工作方式和原因的数据，并建立了自己的建模系统，可以根据需要快速转换不同的版本。通常，在接到询盘后的一两天内，我们就可以制作定制样品并送货上门了。

野心不止于鞋类

Khan说：“目前，我们的目标是继续在鞋类领域扩大业务，并努力抓住这一机会。” 但是，公司的长远目标是发展到其他行业，例如航空航天和医疗应用。

“矫形外科和假肢领域，甚至是机器人领域，对我们来说都是真正重要的行业，既是一个我们的产品可以真正受益的市场，又是一个与鞋类相似的市场， “ 他说。他补充说，目前假肢的动态灵活性是通过笨重而昂贵的电子系统和液压执行器来实现的。Khan设想将Carbitex产品用于膝盖或后背支架等应用中，在这种应用中可以对材料进行工程设计，以防止某些运动或过度伸展，同时允许其他运动。他补充说：“戴上牙套，您通常会固定某人身体的一部分，因为只有一个动作确实对身体有害。关键是要制造一种支撑装置，以限制该运动的一个方向，但使人能够沿其他方向运动。”为了实现这一目标，Carbitex最近开始与一家专门为儿童制作牙套的公司开发应用程序。Carbitex说，该公司的材料还被用于开发用于徒步旅行者的压缩袖子的碳纤维垫，以及用于连接足球运动员头盔和肩垫的护颈垫，以防止脖子在玩游戏时向后弹开。

在寻求其他应用时，Carbitex希望使用其产品来消除其他行业中的材料冲突做出的让步，就像它不断追求在鞋类中一样。Khan补充说：“说您正在努力寻求使自己更快，更好，更强大的产品听起来很酷，我们正在这样做-但最终，我们一直在追求效率。”

高性能聚合物发泡鞋材 | 终端产品的核心解决方案

近年来，运动鞋和休闲鞋的交易量普遍增长，但全球鞋类市场已趋于饱和。因此新概念和差异化设计对于品牌商至关重要，制鞋行业催生了对发泡产品的大量需求，进而使发泡鞋材尤其是高性能聚合物发泡鞋材成了许多应用乃至全部终端产品解决方案的核心。

低密度、舒适、高弹、低能量损失、耐久、美观、环保、低成本、高性能价比，这些消费者和厂家津津乐道的关键词，成为鞋材的发展趋势。与以前相比，如今的运动鞋已经成为名副其实的高科技产品：多种高性能材料的结合，不仅让运动鞋更加轻巧和稳定，也实现了按照跑步风格、用户期望和跑步方法对运动鞋进行精确定制。这促使制造商们一直在寻找尖端技术和创新材质来提升产品的核心竞争力。