应用创新丨“黑科技”超临界流体发泡技术"称霸"鞋材市场？

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2024-02-22 / 行业新闻

近年来，无论是顶级竞速跑鞋，还是长距离训练鞋，对于其中底材料都愈发追求缓震性能、极致轻量化，而这类中底材料也越来越趋于同质化。

超临界发泡材料技术应用在鞋材制造领域的起步较晚，直到2013年，阿迪达斯联合德国著名化工企业巴斯夫推出第一双以TPU超临界发泡技术为核心的Boost中底科技鞋Energy BOOST，才开启了TPE超临界发泡大规模商业化的序幕。

图源：@阿迪达斯官网/侵删

阿迪达斯的Boost系列跑鞋上类似爆米花材质的中底材料，采用的是巴斯夫Infinergy，由发泡热塑性聚氨酯（E-TPU）构成，经过加压加热预处理后，使原本5毫米大小的颗粒可以像爆米花一样膨胀。

图源：@巴斯夫官网/侵删

在这个过程中，内含微型密闭气泡的椭圆形微球的体积将增大10倍，这些密闭气泡能够赋予发泡微球以优异的弹性和所需回弹效果。每只阿迪达斯跑鞋中含有2500颗泡沫微球，组合起来就能提供比较强大的弹性和缓震功能。发泡微球在压缩力的作用下，比如着地冲击，可以最多压缩至原来的一半大小，这对于足部减震而言非常重要。而在压缩力消失之后，泡沫能够迅速恢复原状，即回弹，通过吸收能量将大部分能量再反馈给跑鞋使用者。

随着发泡材料技术逐渐成熟，这类中底材料为跑鞋性能带来显著的提升，使得越来越多海内外品牌将更多目光和精力放在其技术突破上。其中，有一项中底技术已经凭借在各大领域中被广泛应用，作为一种“黑科技”成为业界主流，即超临界流体发泡材料。

01

性能独特的超临界流体发泡技术

超临界流体发泡技术是近20年快速发展起来的制备微孔材料的有效方法，而所谓的微孔结构就是前文中提到的运用在跑鞋中的爆米花结构。相较于以往传统的化学发泡会对一些材料难以实现轻质、低密度等性能，超临界发泡技术的发展，可以让更多材料实现轻量化等性能的同时，还兼具环保干净的优点，符合当前碳中和的发展战略目标。

图源@知乎/侵删

微孔发泡的基本原理，是利用气体在聚合物中的溶解度对压力和温度的依赖关系，使经过超临界流体饱和过后的聚合物混合体系在冷却过程中，进入热力学不稳定状态，诱导气核形成，进而得到微孔结构。

图：微孔发泡示意图

图源网络/侵删

超临界发泡成型是一种物理发泡成型技术，同时也是一种微孔发泡成型技术，其是在注塑、挤出以及吹塑成型工艺中，先将超临界状态的二氧化碳或氮气等其他气体注入到特殊的塑化装置中，使气体与熔融原料充分均匀混合或扩散后，形成单项混合溶胶，然后将该溶胶导入模具型腔或挤出口模，使溶胶产生大的压力降，从而使气体析出形成大量的气泡核；在随后的冷却成型过程中，溶胶内部的气泡核不断长大成型，最终获得微孔发泡的塑料制品。通常可以将孔径控制在0.1-10μm，泡孔密度一般为109～1015个/cm3。

图：超临界流体发泡技术制备流程示意图

图源：搜狐@伯乐智能/侵删

对比其他发泡方式，超临界流体发泡成型有多种方式，主要包括间歇法（模压发泡、高压釜发泡）、连续挤出法和注塑成型法。其中，间歇法属于静态发泡方式，装置的结构相对简单，可控性较强。挤出发泡和注塑发泡属于动态发泡方式，适用于连续工业化生产。

不仅如此，当聚合物中的泡孔尺寸小于材料内部缺陷时，泡孔的存在并不会降低材料的强度；相反，裂纹在应力条件下拓展时，微孔还能够起到使裂纹尖端锐化的作用，阻止裂纹进一步扩展，不仅不会造成材料力学性能的损失，还可以减少产品残余应力，改善制品翘曲变形等性能。

同时，超临界流体还能加强聚合物的自由体积，有效提高分子链的运动能力，降低聚合物的玻璃化转变温度及体系黏度，具有显著的增塑作用，能够在一定程度上改善高熔体的黏度及聚合物的加工性能，使得发泡的泡沫更为纯净，着色性能更佳。

此外，超临界流体发泡过程干净无污染，对环境和发泡制品都非常友好。而且CO2和N2的化学性质稳定，无毒无害，价格也较为低廉。物理发泡材料也没有改变其化学结构，不存在残留问题，可以回收并循环利用。

02 复杂的中底设计，赋予跑鞋极佳防震效果

2023年，我国举办了超3000场马拉松赛事，运动选手们频频刷新了各项记录。伴随着马拉松赛事的话题越来越多，运动员脚下超级跑鞋的讨论度也越来越高。

中底技术设计在鞋材制造中发挥着至关重要的作用。如今的马拉松赛场上，由各种新式发泡中底材料构成的“超级跑鞋”牢牢占据了主流，其已然成为跑者们公认的有效提升跑步速度的科技手段之一。

“超级跑鞋”开始从几年前Nike的“一家独大”逐渐演变为群雄逐鹿的局面。各大跑鞋品牌都有了自己的厚底碳板竞速鞋，不同品牌的产品之间，差距在日渐缩小，“超级跑鞋”的产品概念逐渐趋于成熟。

跑鞋之间的性能差异，大部分来自于中底材料，这也是跑鞋创新研发的关键所在。由超临界流体技术作为发泡剂制成的中底，成为“超级跑鞋”最具竞争力的手段。

截止目前，中底技术的发展大致可分为三个阶段：第一阶段是以亚瑟士和美津浓为代表的传统EVA中底；第二阶段是阿迪达斯在2013年推出的Boost，可谓是传统中底到超级跑鞋中底的过渡。相较于EVA材质，Boost拥有更轻、更弹、更省力的性能，且在低温下表现更好，Boost曾一度让阿迪达斯在跑鞋市场中独占鳌头；直到2017年，运用超临界发泡技术中底的Nike vaporfly出现并迅速席卷市场，跑鞋的中底技术革新正式进入第三阶段。

图源：@Nike官网/侵删

相较于传统的发泡技术，超临界发泡技术制成中底材料的跑鞋具有明显优势。其一是超轻的重量，由超临界发泡技术制造出细小而均匀的气泡，密度更低的中底使得整个跑鞋更为轻盈舒适。其二是出色的缓震性能，超临界发泡技术使气泡均匀地分布在中底材料中，其所形成的缓震性能可以在一定程度上降低跑步对身体的冲击，减少受伤的风险，提供更稳定的跑步体验。其良好的弹性和回弹力可以更好地适应跑者的步幅和着地方式，增加跑步的舒适性的同时，其细腻质感为跑者带来更好的触感和穿着体验。

以Nike的Zoomx为例，其作为曾两度陪伴基普乔格在马拉松赛场上打破世界纪录的传奇中底材料，本身实力不容小觑。

Zoomx是一种由PEBAX超临界板材发泡而成的弹性体，其能量回馈率最高可达85%，比Boost科技高15%~20%；密度可以控制在0.1g/cm3之内，比传统的EVA材质轻45%。该材料还具有极好的抗冷性能，在低温下也能保持弹性不变硬。

图源：@Nike官网/侵删

从微观上来说，Zoomx是一种由刚性聚酰胺嵌段和软聚醚嵌段组成的嵌段共聚物。聚酰胺的刚性和聚醚的弹性相结合，在反复弯曲过程中，可以使得PEBAX弹性体获得极高的能量回收，进而将能量损耗系数降到最低。并且在超临界状态下，将氮气注入PEBAX材质中，还能使其产生成千上万个细密的气孔，从而使其拥有极低的密度和极轻重量。于2019年上市的Vaporfly Next%，US9码以单只不到190g的重量惊艳亮相，直接拉开了跑鞋重量内卷的序幕，现如今各大品牌名下研发出的单只重量不到100g的跑鞋层出不穷。

03 海瑞斯：率先研发第二代超临界流体发泡技术，抢占国内外市场

随着市场竞争日益激烈，超临界流体发泡技术愈来愈成为鞋材领域的“黑科技”势力，备受各大运动品牌的青睐，市场导向更是催生了一大批专注该技术研发生产的新材料企业层出不穷，东莞海瑞斯新材料科技有限公司（以下简称“海瑞斯”）就是其中之一。

图源：@海瑞斯/侵删

2016年海瑞斯开始投入研发超临界流体发泡技术，2019年便接到了国际知名运动品牌斯凯奇的订单，其生产的鞋中底比第一代技术重量减轻了20%，回弹率提高了20%，突破了初代技术产品颜色、外观单一的局限。这一年，海瑞斯凭借第二代超临界流体发泡技术，一举荣获世界跑步领域权威杂志《RUNNER'S WORLD》季度、年度主编选择奖。

海瑞斯的超临界流体发泡技术流程可分为三个阶段：第一阶段为IP注射粗胚。IP注射成型结合了注塑和模压，原料经过加热软化，利用射出机，就像针筒挤压一样，通过孔道摄入到闭合的中底模具中，加热成型。通常在化学发泡的情况下，原料中混有化学发泡剂并在高温下分解产生气体，从而进行发泡，但在超临界发泡的射出成型中没有发泡剂，所以会得到一个没有发泡的半成品中底，即胚体。

随后进入到第二阶段——超临界发泡。将胚体送入高压釜后，再把超临界氮气或二氧化碳流体“压入”得到的中底胚体中，充分扩散后，形成二氧化碳聚合物或氮气聚合物均相饱和体系，然后通过释放压力或升高温度引发相不稳定，诱导聚合物内部成核、泡孔长大，从而制备得到发泡后的中底。

最后阶段将中底放入模压机中，模具内有中底外观的纹路，这一步同时也可以将大底的橡胶片进行加热压紧，从而得到一个完整的中底+大底。

图：海瑞斯生产的第二代超临界流体发泡鞋中底

图源：公众号@创新松山湖/侵删

相较于传统的化学发泡方式，海瑞斯生产的超临界EVA发泡中底质量更加轻盈，回弹、缓冲性能更好。不仅如此，海瑞斯还具备超强耐穿性能，在大多数品牌的运动鞋久穿之后都下降至75%左右的情况下，由海瑞斯中底构成的产品性能仍维持在90%之上。

图：运用海瑞斯中底的运动鞋

图源：公众号@创新松山湖/侵删

目前这种技术在国内已经相对成熟，但其主要难点在于控制发泡率，使得发泡后的尺寸与成品尽可能一致，进而提高良品率，降低材料浪费。多年来，海瑞斯与多个国际一流品牌达成联合研发模式，在EVA超临界微孔发泡鞋材领域，积累了丰富的经验，多项由海瑞斯生产的超临界中底的鞋款获得了国际大奖，这也从侧面证明了海瑞斯超临界流体发泡技术不同凡响的国际影响力。

超临界流体发泡技术被誉为未来的“绿色溶剂”，面世至今已经取得了相当多的瞩目成果，特别是为鞋材制造领域带来了诸多优势，蕴藏无限潜力。但其相对较高的生产成本，以及其对于中底设计及制作更精细复杂的工艺要求，使其广泛应用于市场存在一定壁垒。未来随着技术的发展和成本的降低，相信超临界流体发泡技术可以为制造“超级跑鞋”带来更多惊喜。

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