浅谈鞋垫中的新材料新工艺问题

雷景彤

【摘 要】文章介绍了鞋垫制作中所用到的各种材料，对不同材料制作的鞋垫的优缺点进行了详细的对比，并阐述了新材料新工艺在鞋垫制作中的应用，尤其涉及了碳纤维鞋垫、压电陶瓷自发热智能鞋垫和3D打印技术在鞋垫制作中的应用。

【关键词】鞋垫；高分子材料；碳纤维；压电陶瓷；3D打印

中图分类号： TS943.1 文献标识码： A 文章编号： 2095-2457（2018）26-0258-002

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2018.26.117

0 前言

鞋垫是最普通的个人用品之一，市场上有各种各样的鞋垫，按材质可分为布料鞋垫、皮革鞋垫、EVA鞋垫、海绵鞋垫、硅胶鞋垫、TPR鞋垫、乳胶鞋垫等。按制作工艺可分为手工刺绣鞋垫纺织成型鞋垫、冷压成型鞋垫、热压成型鞋垫、浇注成型鞋垫、注塑成型鞋垫等。

鞋垫虽然是最普通的用品，人的一生有一半以上的时间需要穿鞋，鞋子与人们的健康有着很大的关系，不合适的鞋子会引起脚臭、香港脚、脚痛等问题，为了解决这些问题，只专注于鞋子的改变是不够的，鞋垫的作用非常重要，鞋内环境是否舒适鞋垫是关键；另一方面通过制作鞋垫也可以实现足部疾患的矫治，制作合适的鞋垫比改造鞋子更简单、易行，还可以保留足部患者选择自己喜欢鞋子的可能性，实现个性化治疗。显而易见，用于制作鞋垫的材料对鞋垫的意义重大。

1 常规的鞋垫材料

1.1 天然材料

最早的鞋垫采用棉、麻布做成，软硬适中、有弹性，穿着温暖、透气、吸汗、吸臭、不产生静电，养脚、护脚。鞋垫上的图案针脚凸起，对脚底的穴位还有很好的按摩作用，长期使用可有效预防多种脚病。随着旅游业的发展，挑花鞋垫成了欣赏、收藏的艺术品，被赋予了更多的艺术价值。绣有特殊花纹的民俗鞋垫具有美好的象征意义，如著名的四川地区十字挑花鞋垫，陕北民间的绣花鞋垫等[1，2]。

但是純棉纤维易皱、弹性差、耐磨性差，而麻纤维天然的纺锤形结构和独特的果胶质斜边扁孔结构使其具有优良的吸湿、透气、防腐、抑菌、低静电等特性，东华大学纺织学院研究了用麻、棉纤维与丙纶长丝混合生产的非织造布鞋垫，分析了纤维混合比和原料对非织造布透气性、吸湿性、耐磨性和保暖性的影响及原因。结果表明：丙纶与棉、麻纤维的混合质量比为20∶80时，可以获得能够较好满足鞋垫材料性能要求的非织造布，既具有麻、棉吸湿透气、抗菌抑菌的特性，耐磨性和传热性能也较好，同时还在一定程度上降低了成本，应用前景较为广阔[3]。

真皮鞋垫柔软、丰满而有弹性，舒适优雅，非常适合脚部出汗较少的人使用。但是皮革易老化僵硬，且真皮鞋垫吸臭不除臭，因此，脚汗较多且脚臭严重的人不易选用。

羊毛毡鞋垫，是采用羊毛毡冲切而成，利用羊毛的缩绒特性经加工粘合而成、密度紧凑性能稳定，伸缩性较好。具有耐磨和良好的保暖、富有弹性、可防震、粘合性能好、不易松散等性能。

目前环保理念深入人心，一些天然的材料如秸秆、丝瓜络、竹纤维等也用于制作鞋垫。如我国发明CN 103637505 A公开了用秸秆88-98、胶粘剂3-6（重量份）制得的鞋垫，其保暖性和透气性都很好，而且这种材料制备的鞋垫能够腐烂成肥，消失在土壤中，非常环保[4]。其中竹纤维分为竹浆纤维、竹碳纤维和竹原纤维三类，具有良好的抑菌性能和吸附性能，是天然的抑菌产品，符合鞋品逐渐向轻质、弹性、透气、吸水和健康方面发展的要求。福建鑫华股份有限公司进行了新型竹原纤维鞋垫材料的开发，并与当前市场上以乙烯-醋酸乙烯共聚物（EVA）和聚氨酯（PU）为基材的主流鞋垫材料的性能进行比较，研究表明，竹原纤维鞋垫材料的透气性、吸湿性和力学性能均超过EVA材料和PU材料。利用竹原纤维天然抑菌的特性，不用添加化学助剂就能有效抑菌，使鞋垫更环保、舒适和安全。因此竹原纤维鞋垫材料是一种新型的鞋垫材料，将会有广阔的市场前景[5]。

1.2 高分子材料

高分子材料又称聚合物或高聚物，由一种或几种分子或分子团（结构单元或单体）以共价键结合成具有多个重复单体单元的大分子，其分子量高达104～106。它们可以是天然产物如纤维、蛋白质和天然橡胶等，也可以是用合成方法制得的，如合成橡胶、合成树脂、合成纤维等。高分子材料是材料科学中的一个重要分支，制鞋业中大量使用到高分子材料，其中鞋垫中用到的柔软材质就有聚乙烯、聚烯烃类板材、聚氨酯类材料（海绵的主要成分）、泡沫材料、橡胶材料、有机硅人体仿生材料等等[6-8]。

一般来说，高分子材料有热塑性及热固性两种，热固性材料于加热成型后，若再予加热，无法再次软化。热塑性材料于加热成型后，若再予以加热，则仍会再次软化，故可重复定型利用。在鞋垫制造时所用的材料大部分为热塑性材料。依材质的不同在100～200℃加热软化，再成型加工。

聚乙烯简称PE，是一种热塑性树脂，无臭，无毒，能耐大多数酸碱的侵蚀，电绝缘性能优良。聚乙烯泡沫塑料是目前鞋垫中应用最普遍的软性材质，加热到250～300℃后压模成型，可以达到各种密度。但聚乙烯对环境应力（化学与机械作用）敏感，耐热老化性差。聚烯烃类板材具有热塑性，有一定的强度与韧性，常作为硬质材料制作的足部矫形器用于矫正不正常的足部问题。

聚氨酯是一种新兴的有机高分子材料，多用于制造高档皮鞋、运动鞋、旅游鞋等。聚氨酯材料的鞋底，质地柔软，穿着舒适轻便；耐磨性能、减震、防滑。目前在足部器具中主要就是用于聚氨酯泡沫弹性体（PU）来制作半硬性和软性鞋垫。半硬性足垫，可以降低足低压力，矫正足部至正常的姿势。既有吸震作用，又可达到支撑及矫正的效果。软性鞋垫可提供良好的吸震和缓冲性能，并有效降低足部压力，起到矫正功效。聚氨酯弹性体的拉伸强度是天然橡胶和合成橡胶的2-3倍，聚氨酯材料的高强度和高伸长率保证了负载支撑容量大，不易塌陷变形。

泡沫材料是由大量气体微孔分散在固体塑料中形成的一类高分子材料，具有质量轻、隔热、吸音、减震等特性，以乙烯-醋酸乙烯聚合物（EVA）为代表。EVA材料是鞋垫材料中的元老，具有很多优点：①因其为密闭泡孔结构，所以不易吸水，防潮。②耐腐蚀，抗菌，无毒、无味、无污染。③易于进行压热、剪裁、涂胶、贴合等加工。④回弹性和抗张力高、韧性强、具有良好的防震缓冲性能。⑤隔热、保温防寒、低温性能优异，可耐暴晒。但是EVA鞋垫也存在不透气的缺点，脚汗多者、脚臭者应避免使用。

橡胶类材料很早就应用于鞋垫的制作。天然橡胶柔软，弹性佳，适合于各种室内运动鞋，但很不耐磨。乳胶是天然的橡胶汁液，乳胶鞋垫具有很好的弹性，防菌、透气、防臭脚，乳胶本身能散发出令蚊虫不敢靠近的香味，健康环保，并可以清洗，经久耐用。乳胶鞋垫是比较健康实用的好鞋垫，被称之为鞋子的礼物，也是未来鞋类的主要趋势。人工合成的耐磨橡胶的耐磨性和韧性好，耐用，一般在网球鞋的大底上使用。粘性橡胶的柔韧性比较好，非常防滑，一般用在室内运动鞋上。TPR橡胶鞋垫晶莹剔透，类似果冻，摸上去感觉凉凉的，不变形，回弹力好。由于其漂亮的外观，在女鞋中比较常见。

有机硅人体仿生材料由聚烯基、硅氢基等硅氧烷类聚合物制备，与人体相容性好、无毒无刺激，易于成型加工的特点，适于做成各种形状的管、片等制品，在医用在康复用品用具中应用最广。如有机硅硅凝胶脚垫，采用食品级液体硅胶在胶水作用下与绒布等材质粘在一起，采用热硫化、注塑一体成型，一般用于医用硅胶脚垫，但不透气，常添加防臭成分。

2 鞋垫新材料与新工艺

材料是人类赖以生存和发展的物质基础，人类社会的发展历程，是以材料为主要标志的。信息、材料和能源成为社会文明的支柱。材料科学的进步不仅满足了经济建设、国防建设的发展和需要，也关系到人民的日常生活，小小的鞋垫里就有许多材料学新技术的体现。

2.1 碳纤维材料

为了解决脚汗和脚臭问题，市面上出现了竹碳鞋垫、活性碳鞋垫等，利用材料的高吸附性能采用物理吸附的辦法即时去除足部的汗液与臭味。但是这种鞋垫所使用的竹碳、活性碳均为粉状，需要洒在涂胶的布上，制成碳布后再制成鞋垫。这样存在“碳载量”小、碳粉的外表面有相当一部分会被胶封住而使孔道堵塞的问题，导致其吸附能力大打折扣[9]。

活性碳纤维（ACF），亦称纤维状活性碳，是继活性碳和粒状活性碳之后的第三代新型高科技产品吸附材料[10]。它是由纤维状前驱体，经一定的程序碳化活化而成。其超过50%的碳原子位于内外表面，构筑成独特的纳米空间和吸附结构，发达的比表面积和较窄的孔径分布使得它具有较快的吸附脱附速度和较大的吸附容量，并且可方便地加工为毡、布、纸等形状，碳纤维鞋垫所用的吸附材料就为“活性碳纤维毡”。

鞋垫所用碳毡的厚度不小于1mm，其“碳载量”自然远高于那些“碳粉鞋垫”，鞋垫制作过程中不使用任何粘结剂。碳纤维鞋垫是以活性碳纤维作为内芯辅以多种植物精华及杀菌剂，外衬棉布，穿着柔软、舒适、吸汗、杀菌、除臭，可有效的防治脚癣、脚气等疾病。虽然目前活性碳纤维在国际市场上的价格每吨高达数十万元，为竹碳、活性碳的100倍，但从吸附性能上对比，活性碳纤维的吸附能力为竹碳的20倍，吸附速度为竹碳的1000倍，“一双活性碳纤维鞋垫能顶100双竹碳鞋垫”，这种说法不无道理。活性碳纤维毡还公认是一种极好的保温材料，用活性碳纤维做成的鞋垫不仅轻、薄，而且高度保暖。

2.2 压电陶瓷自发热智能鞋垫

1946年美国麻省理工学院绝缘研究室发现在BaTiO3铁电陶瓷上施加直流高压电场，使其自发极化沿电场方向择优取向，除去电场后仍能保持一定的剩余极化，具有压电效应，从此诞生了压电陶瓷。压电陶瓷是一种特殊的电介质，最大的特性是具有压电性，即沿着一定方向对它的表面施加外力时发生形变，内部产生极化现象，介质的两个表面产生方向相反大小相等的电荷。2011年秦磊和王跃琦申请了实用新型专利“一种自动发热鞋垫”，鞋垫包括发热层、导热层、保温层、布料层四层；其中发热层采用压电陶瓷细粉材料，当在人脚行走时机械能转化为电能，自动发热，这种鞋垫在冬天特别实用[11]。与其原理相似，2014年沈阳工业大学曹雨晨、刘树鑫申请了实用新型专利“一种基于压电陶瓷自发电加热鞋垫”（ZL201420745605.9），利用压电陶瓷由机械能转换电能的特点，当人在走路的时候自动产生电能，继而为鞋垫底部的发热电阻丝供电[12]。所发明的鞋垫的特点是鞋垫中设置有压电陶瓷片电路、发热电阻丝电路和可调挡电路，鞋垫结构为四层，依次分别为保温层、抗菌吸汗层、发热层和保温层，压电陶瓷片电路放置于鞋垫底部的保温层用于给发热电阻丝提供电能，而且电路可调挡电路，根据提供陶瓷片发热的功率。这种鞋垫尤其适合北方寒冷地区人民和边防战士使用。

2.3 3D打印鞋垫

当前已进入数字化时代，人们对鞋子的舒适性有了更高的要求。数字化建模的方式制作鞋垫的优势在于其可以快速实现曲线到面再到体的转化，同时能快捷地对鞋垫模型进行局部调整，达到造型要求，具有极高的设计精度和加工精度，利用3D打印技术是一种可实现大批量个性化定制鞋垫的生产模式鞋垫[13]。

2013年成立于纽约的SOLS公司是全球首家提供定制的3D打印鞋垫或足部矫形器的新生企业，消费者只须下载SOLS的应用，就可以实现完全的自定义、优化设计和完成最终订购。消费者通过智能手机摄像头扫描脚部，上传图片，SOLS自动进行数据分析与验证，并经过生物力学优化，建立脚部模型，将数据转化成反映消费者脚和个性化需求的3D数字模型，再依照这个3D模型在3D打印机上制作出消费者的专属鞋垫[14]。

3D打印鞋垫采用的是一种先进的抗菌尼龙材料，包括一种航天级的材料尼龙11，同时其成分比可以自行修改优化，以定制鞋垫的柔软度和牢固度，并进一步调整形状，帮助消费者更舒适地行走。当然消费者也可以选择皮革、氯丁橡胶和羊毛等各种饰面和颜色。3D的打印的鞋垫具有足弓支撑、吸收冲击、缓解足部脚踝和背部的疼痛并对个人步态做出反应的能力。

据了解目前SOLS鞋垫的零售价为199美元每双，10个工作日内发货。SOLS 3D打印鞋垫成本远远低于传统矫形器（传统的足部矫正器售价在500美元以上）。SOLS公司已通过医疗渠道销售3D鞋垫，通过与WebPT的合作，SOLS已经出现在了全美650多名足病诊疗师的办公室里，他们的3D打印足部矫形鞋垫已经被用于4.3万名患者的康复治疗。该公司开始试图直接面对消费者定制鞋垫，未来还将进入专业运动市场，为运动员提供服務。

3 结论

小鞋垫，大学问。为了获得一双舒适健康的鞋垫，人们在鞋垫制作过程中采用了各种各样的材料，不同材料制作的鞋垫有不同的优缺点；而且人们也在不断探索和改进鞋垫的材料和制作工艺，从一双看似简单的小鞋垫上我们能感受到新材料和新技术给人们生活带来巨大变化和发展空间。

【参考文献】

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[4]许会君.一种利用秸秆制作的鞋垫[P].CN 103637505 A，2014-3-19公开.

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[10]贺福.碳纤维及其应用技术[M].北京：化学工业出版社，2004.

[11]秦磊，王跃琦.一种自动发热鞋垫[P].CN 201020506426.1， 2011-3-30公开.

[12]曹雨晨，刘树鑫.一种基于压电陶瓷自发电加热鞋垫[P]. CN201420745605.9，2015-04-22公开.

[13]曹萍，吴小高.3D打印技术在矫形鞋垫中的应用进展[J].中国康复理论与实践，2015，21（7）：753-756.

[14]王雪玉.3D打印鞋垫改变人们走路的方式[J].金融科技时代，2015（3）：18-18.