我國是全球最大的運動鞋生產(chǎn)和消費大國，據(jù)海關(guān)統(tǒng)計，2014年僅福建晉江地區(qū)出口的運動鞋高達25億雙。EVA和PU泡沫是重要的運動鞋緩沖發(fā)泡材料。EVA發(fā)泡材料采用化學發(fā)泡的方法來制備，發(fā)泡過程中涉及高分子鏈的交聯(lián)；PU發(fā)泡材料采用反應發(fā)泡的方法來制備，發(fā)泡過程中也涉及分子鏈的交聯(lián)。具有交聯(lián)結(jié)構(gòu)的聚合物發(fā)泡材料無法熔融回收，物理填埋和焚燒均易導致環(huán)境污染問題。因此，制備具有非交聯(lián)結(jié)構(gòu)、可以熔融回收、回彈性能優(yōu)異、壓縮永久形變低的聚合物柔性發(fā)泡材料受到鞋材行業(yè)的廣泛關(guān)注。
早在2011年，中科院寧波材料所超臨界流體綠色加工團隊的翟文濤研究員開展了熱塑彈性體的超臨界流體微發(fā)泡行為研究，探索超臨界流體法制備聚烯烴彈性體、聚氨酯彈性體、聚酯彈性體、苯乙烯類彈性體等發(fā)泡材料的可能性以及微發(fā)泡結(jié)構(gòu)對發(fā)泡材料性能的影響。2013-2014年間，中科院寧波材料所與晉江國盛新材料科技有限公司（簡稱國盛新材料）達成合作，建立了“環(huán)保型高彈性ETPU鞋材技術(shù)工程中心”，該中心重點針對TPU，開展了超臨界流體微發(fā)泡技術(shù)的研究開發(fā)和應用實踐。
研究人員選擇高硬度聚酯型TPU樹脂，以超臨界CO2流體為發(fā)泡劑，通過釜壓發(fā)泡技術(shù)，制備了具有微孔結(jié)構(gòu)、泡孔結(jié)構(gòu)分布均勻的TPU發(fā)泡珠粒材料；通過專用模具和專用水蒸氣成型設(shè)備，制備了TPU發(fā)泡成型制件。運動鞋終端品牌測試了TPU發(fā)泡中底材料經(jīng)1000次連續(xù)壓縮后的能量效率和動態(tài)壓縮永久形變，并與現(xiàn)有鞋用發(fā)泡材料進行比較，結(jié)果見表1。如表所示，TPU發(fā)泡中底具有最低的模量，最高的能量效率和較低的動態(tài)壓縮永久形變，高的能量效率即高的能量存儲，意味著跑步過程中運動鞋可以把更多的能量反饋給跑者，使跑步的每一步都更加輕盈。
表1. 三類中底發(fā)泡鞋材的動態(tài)性能，數(shù)據(jù)由終端品牌提供
2015年初，全球著名慢跑鞋品牌Saucony（索康尼）通過了TPU珠粒泡沫中底的應用性測試，并在2015-2016年度設(shè)計制造了“TRIUMPH ISO2”（見圖1）、“KINVARA 7”等多款含TPU泡沫的高彈性中底插件。2016年11月，TRIUMPH ISO2被國際著名的運動鞋權(quán)威評價機構(gòu)“RUNER''S WORLD”評為2016年度全球最好的運動鞋。2016-2017年度，索康尼將TPU泡沫材料覆蓋到整個中底，設(shè)計了“FREEDOM ISO”（見圖1），該款9碼男鞋重量僅為256克，F(xiàn)REEDOM ISO 落地時，前腳至腳后跟平穩(wěn)的過渡，讓踏出的每一步都非常舒適輕松。該款運動鞋獲得著名運動鞋評價機構(gòu)“OUTSIDE” 2017年夏季購鞋指南的“年度裝備”獎（Gear of the year）。
圖1、美國索康尼公司開發(fā)的包含有TPU發(fā)泡中底的專業(yè)慢跑鞋
研究團隊注重知識產(chǎn)權(quán)布局，在寧波材料所科研團隊的協(xié)助下，國盛新材料圍繞發(fā)泡技術(shù)、配方體系、成型技術(shù)、制品外觀修飾等方面設(shè)計了美國專利1項、國際專利1項，中國發(fā)明專利12項，形成了較為完整的自主知識產(chǎn)權(quán)網(wǎng)絡(luò)。2016年5月，寧波材料所與國盛新材料的合作項目“新型高回彈鞋材用熱塑性聚氨酯微發(fā)泡珠粒關(guān)鍵技術(shù)研發(fā)及產(chǎn)業(yè)化”通過了由中國輕工業(yè)聯(lián)合會組織的成果鑒定（圖2），由來自行業(yè)和學術(shù)界組成的專家鑒定委員會一致認為：“成果具有創(chuàng)新性和先進性，其技術(shù)和產(chǎn)品填補了國內(nèi)空白，整體技術(shù)達到了國際先進水平”。
圖2、成果鑒定會現(xiàn)場和科學技術(shù)成果鑒定證書
2016年8月，寧波材料所與國盛新材料合作申請的“千噸級新型高性能ETPU材料的規(guī)模化制備、成型和鞋材應用”項目得到中科院-福建省STS計劃項目的資助。在市場應用端的需求牽引下，在政府科研項目的大力支持下，國盛新材料設(shè)計搭建了產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)設(shè)備，實現(xiàn)了2000噸/年發(fā)泡珠粒材料和3萬雙/天發(fā)泡珠粒中底的量產(chǎn)能力。
TPU發(fā)泡材料質(zhì)地柔軟、回彈性能優(yōu)異、壓縮永久形變小、溫度適應性高，非常適于制備運動鞋的中底。當前，運動鞋市場對TPU發(fā)泡材料中底極為推崇，國際運動鞋品牌和國內(nèi)運動鞋知名品牌已在紛紛批量使用這種新型環(huán)保型高性能發(fā)泡材料。2017年以來，國盛新材料成功實現(xiàn)了彩色TPU發(fā)泡珠粒的規(guī)模化制備、成型，在確保材料優(yōu)異性能的同時賦予材料豐富的顏色。彩色TPU發(fā)泡材料具有多彩的外觀，這極大地拓展了TPU發(fā)泡中底的可設(shè)計性。
TPU發(fā)泡材料質(zhì)地柔軟、彈性極佳，不但適合制作運動鞋中底，還適合用于抗反復沖擊、運動防護、阻尼、家居用品、低載荷免充氣輪胎等多個領(lǐng)域。研究團隊希望多方資源盡快介入，一起拓寬新型高彈性輕量化TPU發(fā)泡材料的下游應用領(lǐng)域。
本項目得到“環(huán)保型高彈性ETPU鞋材技術(shù)工程中心”項目、中科院/福建省STS計劃項目的支持。
