宁波材料所与国盛新材料在TPU发泡鞋材应用方面取得系列进展
我国是全球最大的运动鞋生产和消费大国，据海关统计，2014年仅福建晋江地区出口的运动鞋高达25亿双。EVA和PU泡沫是重要的运动鞋缓冲发泡材料。EVA发泡材料采用化学发泡的方法来制备，发泡过程中涉及高分子链的交联；PU发泡材料采用反应发泡的方法来制备，发泡过程中也涉及分子链的交联。具有交联结构的聚合物发泡材料无法熔融回收，物理填埋和焚烧均易导致环境污染问题。因此，制备具有非交联结构、可以熔融回收、回弹性能优异、压缩永久形变低的聚合物柔性发泡材料受到鞋材行业的广泛关注。
早在2011年，中科院宁波材料所超临界流体绿色加工团队的翟文涛研究员开展了热塑弹性体的超临界流体微发泡行为研究，探索超临界流体法制备聚烯烃弹性体、聚氨酯弹性体、聚酯弹性体、苯乙烯类弹性体等发泡材料的可能性以及微发泡结构对发泡材料性能的影响。2013-2014年间，中科院宁波材料所与晋江国盛新材料科技有限公司（简称国盛新材料）达成合作，建立了“环保型高弹性ETPU鞋材技术工程中心”，该中心重点针对TPU，开展了超临界流体微发泡技术的研究开发和应用实践。
研究人员选择高硬度聚酯型TPU树脂，以超临界CO2流体为发泡剂，通过釜压发泡技术，制备了具有微孔结构、泡孔结构分布均匀的TPU发泡珠粒材料；通过专用模具和专用水蒸气成型设备，制备了TPU发泡成型制件。运动鞋终端品牌测试了TPU发泡中底材料经1000次连续压缩后的能量效率和动态压缩永久形变，并与现有鞋用发泡材料进行比较，结果见表1。如表所示，TPU发泡中底具有最低的模量，最高的能量效率和较低的动态压缩永久形变，高的能量效率即高的能量存储，意味着跑步过程中运动鞋可以把更多的能量反馈给跑者，使跑步的每一步都更加轻盈。
表1. 三类中底发泡鞋材的动态性能，数据由终端品牌提供
2015年初，全球著名慢跑鞋品牌Saucony（索康尼）通过了TPU珠粒泡沫中底的应用性测试，并在2015-2016年度设计制造了“TRIUMPH ISO2”（见图1）、“KINVARA 7”等多款含TPU泡沫的高弹性中底插件。2016年11月，TRIUMPH ISO2被国际著名的运动鞋权威评价机构“RUNER'S WORLD”评为2016年度全球最好的运动鞋。2016-2017年度，索康尼将TPU泡沫材料覆盖到整个中底，设计了“FREEDOM ISO”（见图1），该款9码男鞋重量仅为256克，FREEDOM ISO 落地时，前脚至脚后跟平稳的过渡，让踏出的每一步都非常舒适轻松。该款运动鞋获得著名运动鞋评价机构“OUTSIDE” 2017年夏季购鞋指南的“年度装备”奖（Gear of the year）。
图1、美国索康尼公司开发的包含有TPU发泡中底的专业慢跑鞋
研究团队注重知识产权布局，在宁波材料所科研团队的协助下，国盛新材料围绕发泡技术、配方体系、成型技术、制品外观修饰等方面设计了美国专利1项、国际专利1项，中国发明专利12项，形成了较为完整的自主知识产权网络。2016年5月，宁波材料所与国盛新材料的合作项目“新型高回弹鞋材用热塑性聚氨酯微发泡珠粒关键技术研发及产业化”通过了由中国轻工业联合会组织的成果鉴定（图2），由来自行业和学术界组成的专家鉴定委员会一致认为：“成果具有创新性和先进性，其技术和产品填补了国内空白，整体技术达到了国际先进水平”。
图2、成果鉴定会现场和科学技术成果鉴定证书
2016年8月，宁波材料所与国盛新材料合作申请的“千吨级新型高性能ETPU材料的规模化制备、成型和鞋材应用”项目得到中科院-福建省STS计划项目的资助。在市场应用端的需求牵引下，在政府科研项目的大力支持下，国盛新材料设计搭建了产业化生产设备，实现了2000吨/年发泡珠粒材料和3万双/天发泡珠粒中底的量产能力。TPU发泡材料质地柔软、回弹性能优异、压缩永久形变小、温度适应性高，非常适于制备运动鞋的中底。当前，运动鞋市场对TPU发泡材料中底极为推崇，国际运动鞋品牌和国内运动鞋知名品牌已在纷纷批量使用这种新型环保型高性能发泡材料。2017年以来，国盛新材料成功实现了彩色TPU发泡珠粒的规模化制备、成型，在确保材料优异性能的同时赋予材料丰富的颜色。彩色TPU发泡材料具有多彩的外观，这极大地拓展了TPU发泡中底的可设计性。
TPU发泡材料质地柔软、弹性极佳，不但适合制作运动鞋中底，还适合用于抗反复冲击、运动防护、阻尼、家居用品、低载荷免充气轮胎等多个领域。研究团队希望多方资源尽快介入，一起拓宽新型高弹性轻量化TPU发泡材料的下游应用领域。
本项目得到“环保型高弹性ETPU鞋材技术工程中心”项目、中科院/福建省STS计划项目的支持。
（高分子事业部 翟文涛）