运动鞋中底的超临界发泡技术与材料选型

超临界发泡成型技术应用于跑步鞋中底，只有短短十年的时间，但很快就得到了广泛的应用，逐渐成为鞋材领域的“黑科技”，并逐步从高端跑鞋向普通运动鞋普及。

相较于使用化学品发泡的传统技术，超临界流体发泡的运动鞋更轻、回弹性更好、且生产过程更加绿色环保。

超临界发泡技术从概念的提出，到在鞋材上的爆发性应用，作为一个经典案例，揭示了化学技术的变革是如何引领社会进步的。

️一、运动鞋中底CTQs

运动鞋可以分为三个部分：鞋面(Upper)，中底(Midsole)，大底(Outsole)。其中，中底的作用是提供缓冲和回弹，吸收运动中产生的冲击力，提供温和舒适的脚感以及保护的作用。

对于中底的设计与制造，有一套严格的标准和要求。其性能直接影响到鞋的舒适性、支撑性、缓震性以及耐用性。可以说，中底是运动跑鞋的灵魂。中底的材料和发泡技术，是区别各大品牌核心科技的标志。

️鞋材的性能要求

️缓震性能：材料需具备足够的弹性，可以有效吸收地面冲击力，减轻足部受到的冲击。

️支撑性能：材料应具备足够的强度和韧性，以确保中底在各种运动状态下都能保持形状稳定，防止脚部在运动过程中发生扭曲或过度内旋。

️抗压缩性：以保证长时间运动的舒适性。

️回弹性：能够在承受压力后迅速恢复原状，提供持续的缓震效果。

️轻量化：发泡材料的发泡比例越大，材料的比重越小，鞋的重量就越轻，就越能提高运动过程中的灵活性和持久性。

️耐用性：材料需要有一定的耐磨性。

️耐环境性：材料具备一定的耐高低温性能、耐水解性能、耐户外老化性能、耐洗涤剂性能等。

️二、中底发泡工艺

️原料的选择

通常选取具有特定熔融流动速率（MFR）的树脂作为主要基材。用于发泡成型的EVA，其MFR通常在2-5g/10min左右，能够确保在发泡过程中树脂的流动性与稳定性。

同时，为增强材料的力学性能和耐磨性，会添加一定比例的EPDM和粉末NBR。发泡剂以超临界状态的CO2或N2替代有机发泡剂。

发泡板材模压工艺流程

️发泡过程

实际生产中，中底发泡的过程和设备更加复杂，这四种工艺在业内几乎都有采用，甚至会采用两种工艺进行多次发泡，目前市面上典型的发泡工艺路径有以下几种。

️一、以BOOST为代表的爆米花中底（珠粒发泡）

️1.1 挤出机造粒+高压釜内超临界发泡+模具内水蒸气/微波辐射加热成型+模压定型

首先，利用混炼机+挤出机+切粒设备，把TPU、EVA、TPEE等原料和添加剂（不包括发泡剂）进行混合、挤出、切粒。

接着，把混合物颗粒装入高压釜内，浸渍超临界CO2或N2，或者两者的混合气体，进行泄压发泡。这也是我们俗称的“爆米花”。

最后，使用成型机，将上一步的产物通过管路充入中底的模具内，使用水蒸气加热，使颗粒互相熔结、水冷定型。不过，绝大部分还需要再次进行模压成型，才能得到我们最终见到的外观。

️1.2 超临界挤出机+模具内水蒸气/微波辐射加热成型+模压定型

在造粒阶段就完成超临界发泡，这种方法生产效率更高，资源浪费少，避免了高压釜可能爆炸的危险。

超临界挤出机里面也是螺杆，加入的各种原料在螺杆的剪切以及外部电加热装置的作用下不断熔化、混合。

同时，通过管路加入超临界流体。当混合物被挤出机器的时候，被刀切成颗粒。由于压力骤降，流体转变为气体，颗粒瞬间膨胀。

️二、以ZOOM X为代表，挤出板材+超临界发泡+切削+模压定型

利用高压釜完成发泡，是其独特之处。Zotefoams公司是用2个高压釜完成发泡，其余厂商几乎都是仅用1个高压釜。究其原因，一方面是来自于成本，另一方面是没有能承受那么高压力的高压釜。

发泡高压釜

发泡好的片材会被运送到鞋材厂，使用激光切割机进行初步的裁切，获得中底的粗胚。

再使用定制的打粗机，依靠上面的砂轮进行精细打磨，获得一个基本准确的三维外形。

最后进行模压定型，将大底的橡胶片放在底下，压紧加热，两者软化粘合，就可以得到一个完整的中底+大底。

️三、射出成型+超临界发泡+模压定型

也称胚模发泡，Lightstrike Pro、C202 GT的N2中底都是这个工艺。

射出成型机的结构和挤出机类似。原料经过加热软化，像针筒挤压一样，通过孔道射入到中底模具中，进行加热成型。

在化学发泡的情况下，原料中是混有发泡剂的，会在高温下分解产生气体，从而进行发泡。但在超临界发泡中，射出成型这一步没有发泡剂，所以得到的是一个没有发泡的冷胚，然后一次性将几十个冷配置于托架上，送入高压釜中进行发泡。

所以，这里的射出成型发泡和一步法Mucell发泡成型是不同的。

发泡产品与胚料

在装入高压釜这个步骤中，有2个选择：

① 把射出的半成品暴露，放在架子上，其相对自由度较大，需要精密计算，控制发泡倍率，以求成品尺寸与设计值相符，提高良品率。

② 把半成品放入中底模具中，发泡膨胀时受到模具的限制，基本就是成品的尺寸。但如果受限过度，则会导致中底过度压缩，弹性降低。

️三、鞋材发泡材料

目前，在鞋材上应用的主流临界流体发泡材料有四种，热塑性弹性体EVA、热塑性聚氨酯TPU、热塑性聚酯弹性体TPEE、嵌段聚醚酰胺弹性体Pebax中的一种或多种组合。

️EVA

VA的含量会影响EVA树脂的性质，当VA含量为10%-20%时，EVA为塑性材料；当VA含量超过30%时，EVA为弹性材料。

当VA含量提高时，EVA材料的回弹性、柔韧性、透明度、溶解性、耐应力开裂、冲击性能和粘合性都将提高，但刚性、耐磨性和电绝缘性会减弱。

EVA分子结构式

然而，以EVA为基础的发泡材料产品，耐老化性能、耐屈挠性能、弹性和耐磨性较差，且EVA发泡材料的填充能力有限。

为了进一步提升EVA制品的物理性能，各厂家会在EVA原料中加入EPDM、POE、OBCs、TPE等材料共混使用，利用EPDM橡胶性、POE高弹性、OBCs柔软结晶性、TPE柔软性等达到改性目的。比如加入POE弹性体后，制品的回弹性通常可提高到50-55%，甚至更高。

早前EVA发泡以化学发泡为主，技术相对成熟，成本低，是大众运动鞋的主力选择。但新的技术、更具性价比的材料也在不断破局。超临界发泡相比化学发泡，表面光亮、泡孔细腻、均匀、不吸水、更耐热、回弹性更佳、而且更环保无气味、无甲酰胺等化学残留。

️TPU

2013年，阿迪达斯推出了以“爆米花”（E-TPU）为核心的BOOST中底科技鞋款，并在整个鞋材领域引起轰动。BOOST技术的横空出世，让跑鞋中底技术进步了一大截，其相比EVA具有较为明显的技术优势，不仅更轻也更缓震回弹。

BOOST应用于阿迪达斯adizero竞速跑鞋曾经创造过辉煌的历史，当年许多运动员都穿着阿迪跑鞋驰骋赛场。在基普乔格脚穿耐克打破世界纪录之前，众多世界纪录都是阿迪达斯adizero系列所创造的。

TPU是一种由二异氰酸酯、扩链剂、多元醇组成的嵌段共聚物。其中，多元醇组成的软段表现出柔性和韧性，而二异氰酸酯作为硬段，赋予材料硬度和刚性，并且硬段结晶后作为物理交联点，使TPU表现出高弹性。

因此，TPU具有拉伸强度高、伸长率大，长期压缩永久变形率低，耐磨耗等显著优点，而发泡后的TPU即ETPU，成型后呈爆米花状，具有优异的回弹性和形变恢复能力，其泡沫落球回弹值通常可达到60%。

TPU分子链结构示意图

️TPEE

TPEE是一类含有PBT(聚对苯二甲酸丁二醇酯)聚酯硬段和脂肪族聚酯或聚醚软段的线型嵌段共聚物。

TPEE分子结构式

TPEE发泡后，板材密度普遍在0.11-0.3之间，本体母料的硬度在25D-50D内，不同的应用类型可以选择不同硬度的原料。TPEE的回弹比TPU更高，在70%以上。

️PEBA

热塑性聚酰胺弹性体，又叫尼龙弹性体，英文缩写是TPAE，其本质是由聚酰胺硬段和聚醚或聚酯软段组成的线性嵌段共聚物，具有拉伸强度高、弹性恢复性好、低温抗冲击强度高、耐低温性优异等特点。

根据硬段和软段组分的不同，TPAE有比较多的种类。

目前，市面上绝大部分的尼龙弹性体为聚醚酰胺嵌段共聚物，英文名为poly(ether-block-amide)，英文缩写为PEBA。因此PEBA、尼龙弹性体是常见的叫法。

PEBA分子结构式

PEBA最大的特点是又轻又弹，正常的密度是0.07-0.08，也可以做成0.09-0.10，落球回弹性能十分优异，能达到73%-75%。

伴随耐克从4%到NEXT%的巨大成功，一种新型尼龙弹性发泡材料逐渐被人们所熟知，耐克将其命名ZoomX，其本质就是Pebax材料经过超临界发泡而成。

Pebax超高性能弹性体是目前最炙手可热、性能最好的中底材料之一，也是各家顶级竞速跑鞋普遍采用的材料之一，但次顶级鞋或者训练鞋采用Pebax材料的不算多，因为其成本比较高。

️四、小结与展望

️小结

超临界发泡工艺在鞋材弹性体上的应用日趋成熟，可以应用的鞋材弹性体材料也是百花齐放。它们为跑者带来了更好的跑步体验、更多的安全保护。

️EVA：适合日常慢跑、短距离运动。

️ETPU：具有缓震极限高、回弹性能好的特点，非常适合日常慢跑，对于大体重的人群很友好。

️TPEE：进阶版的TPE，兼具橡胶优良的弹性和热塑性塑料的易加工性，软硬度可调。

️PEBA：脚感无敌，但是稳定性差，价格昂贵，适合和板材搭配运用在专业竞速跑鞋领域。

此外，一款跑鞋的性能除了和发泡材质相关外，发泡技术与工艺的影响也不容忽视。不同的工艺参数会影响发泡制品的密度、泡孔直径、泡孔密度、均匀度等。随着技术的进步，材料愈加成熟多样，具体的选择要根据每个人的使用感受来决定。

️未来展望

由于消费者对鞋类产品舒适性、轻量化和功能性的不断追求，发泡鞋底材料作为具备这些优势的先进材料，已逐渐成为市场的新宠。同时，随着私人定制的兴起，发泡鞋底材料易于成型和加工的特点，将更容易满足消费者的个性化需求。

此外，随着科技的进步和研发的不断深入，发泡鞋底材料的性能将进一步提升，品种也将更加多样化。其有可能与其它材料相结合，形成复合材料，进一步提升鞋类产品的性能和舒适度。

预计未来一段时间内，发泡鞋底的市场需求将持续增长，应用也将更为广泛。除了运动鞋、休闲鞋和户外鞋等领域，发泡鞋底材料还有可能进军正装鞋、高跟鞋等更多领域。

同时，发泡鞋底材料在生产和使用过程中，将更加注重环保和可持续性。政府对于环保型材料的鼓励和支持政策，也将为发泡鞋底材料的发展提供有力保障。