质轻耐磨SBS发泡鞋用材料的开发.docx
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质轻耐磨SBS发泡鞋用材料的开发
质轻耐磨SBS高发泡鞋用材料的开发及其应用
项目可行性研究报告
温岭市东亚塑胶有限公司
2014年8月
一、立项的背景和意义
随着科技的发展和社会的进步,人们的生活水平不断提高,提高各类鞋子的质量和性能,让穿着者更加安全舒适是整个制鞋行业发展的最终目标和方向。
据文献报道,鞋子重量每增加100克,穿着者的体能消耗将增加1%。
为了降低体能消耗、提高穿着舒适性,质轻发泡材料已经成为鞋底材料研制开发的主要方向。
适用于鞋底的材料有橡胶、热塑性弹性体、塑料等,其中采用橡胶材料制备的鞋底具有耐磨性优异等优点,然而其加工工序多,产生的废料无法回收利用;热塑性弹性体具有加工方便、工艺简单、废料可回收等优点,因此以苯乙烯-丁二烯-苯乙烯嵌段共聚物(SBS)为主体的热塑性弹性体材料应用十分广泛。
具有较好的低温性、显著的弹性和防滑性等优点,而且边角料可以回收利用,是理想的鞋底材料。
然而目前市场上现有的SBS鞋底多为实心底(密度一般在1.0g/cm3左右)和低发泡底(密度在0.8g/cm3以上),否则其物理性能尤其是耐磨性能将严重恶化,难以达到国家鞋用外底产品标准中规定的耐磨性能要求。
与乙烯-醋酸乙烯酯共聚物(EVA)和EVA/聚乙烯(PE)发泡鞋用材料相比,现有SBS发泡材料密度偏高(密度在0.8g/cm3以上)从而限制了其应用范围。
制备耐磨性良好的高发泡SBS材料可减轻产品重量、节约材料、提升产品的市场竞争力。
为此开发高发泡耐磨性良好的SBS鞋用材料具有重要的现实意义。
二、国内外研究现状与发展趋势
在CN1377905A和《弹性体》2002年第12卷第3期中,邬智勇和梁红文等人提供了对SBS(型号YH-788)进行发泡的发明和研究,在SBS中加入硬脂酸锌、氧化锌、聚苯乙烯(PS)、乙烯-醋酸乙烯酯共聚物(EVA)、环烷油、碳酸钙和偶氮二甲酰胺(AC)发泡剂等,在模头温度高于180℃的条件下制备发泡鞋底,其具体的配方如下:
配方1:
SBS65份、PS15份、EVA5份、环烷油15份、AC1.2份、硬脂酸锌0.8份、氧化锌1.2份。
配方2:
SBS65份、PS15份、EVA15份、环烷油15份、碳酸钙5份、AC1.2份、硬脂酸锌0.8份、氧化锌1.2份。
采用上述配方1和2分别制备的发泡鞋底材料密度分别为0.66g/cm3、0.78g/cm3。
任翔在CN1161984A中提供了热塑性发泡组合物及以其制备鞋底的方法,采用阴离子聚合的苯乙烯基质高分子量弹性三嵌段共聚物、PS、活化偶氮二酰胺发泡剂等为主要原料,制备的材料密度为0.69g/cm3。
阳范文和戴李宗等在CN1544523A中提供了热塑性弹性体发泡材料及其制备方法,其组成(质量比)为:
SBS100份、PS40份、EMA20份、环烷油40份、DNA4.0份、泡沫成核剂1.0份、碳酸钙15份、硬脂酸锌2.0份、抗氧剂0.5份。
采用上述配料比称料,在螺杆挤出机中进行共混、造粒,然后采用挤出机注射成型为片材,制备的材料密度为0.60g/cm3。
此外,关于超耐磨性SBS鞋底材料的制备也有报道。
阳范文在CN1454928中提供了一种超耐磨SBS鞋底材料的制备方法。
其组成(质量比)为:
SBS100份、PS25份、碳酸钙5份、二氧化硅10份、环烷油15份、UHMWPE50份、硬脂酸锌2.0份、抗氧剂10763.5份、热稳定剂10104.5份、光稳定剂3.5份、AC发泡剂1.0。
按上述配比称料,采用混合机预先混合均匀后,在螺杆机出机或密炼机中进行共混、造粒、干燥,然后注塑机注射成型。
所制备的鞋底耐磨性能测试结果为磨痕长度5.3mm。
上述发明和研究存在如下不足:
1)关于质轻SBS发泡材料的研究,发泡材料的最低密度为0.60g/cm3,如此大的比重限制了其应用范围。
如拖凉鞋鞋底、运动鞋中底和内底。
2)关于超耐磨SBS鞋底材料的研究,为了改善其耐磨性能,在体系中引入了过多的UHMWPE(50份),这样会降低SBS发泡材料的“脚感”。
3)上述的研究具有单一性,具质轻、耐磨为一体的SBS发泡材料未见报道。
如何制得高发泡SBS鞋用材料使鞋子轻便,同时具有良好耐磨等物理性能,成为该项目研究的主要研究内容和研究目标,也是本项目的关键技术所在。
三、研究开发内容和技术关键
1、研究内容
本项目的研究内容主要包括以下三方面的内容:
高发泡SBS鞋用材料的关键技术研究
SBS热塑性弹性体熔体粘度较大,从而在一定程度上抑制了泡孔的形成和生长,故单纯的SBS发泡只能得到低发泡材料。
为了得到高发泡材料,考虑引入功能性助流动剂如
-甲基苯乙烯共聚物、乙烯丙烯酸共聚物(EthyleneAcrylicAcid简称EAA),降低体系的熔体粘度,显著提高泡孔的形成数量,并使其在较低的熔体粘度下,泡孔孔径迅速增长,从而提高热塑性弹性体的发泡倍率,得到高发泡SBS鞋用材料。
-甲基苯乙烯共聚物是优良的加工助剂,能显著减少或消除热塑性弹性体在加工过程中的剪切应力,降低平衡扭矩,促进塑化性能,提高流动性及产能性。
对模具充填性好,大大改善制品的表观性能。
可调节热塑性弹性体SBS的硬度,降低溶融扭矩使加工容易进行,提高其抗撕裂性及耐磨性。
乙烯丙烯酸共聚物(EAA)是一种优良的聚烯烃改性剂,熔融态对金属等极性材料有很强的粘合能力,能显著改善体系的流动性和提高SBS发泡材料的粘合性能,同时由于EAA具有较高的玻璃化转变温度,有利于提高发泡倍率,降低发泡材料的密度,得到质轻鞋用材料。
②耐磨高发泡SBS材料的关键技术研究
高发泡SBS材料的实现,密度降低,得到了质轻鞋用材料,然而其耐磨性、抗撕裂性能等严重恶化。
为了得到质轻耐磨SBS发泡材料,考虑引入耐磨性功能助剂如热塑性聚氨酯弹性体(TPU)、超高分子量聚乙烯(UHWMPE)、高苯乙烯橡胶(HS),改善其耐磨性能和撕裂性能。
热塑性聚氨酯弹性体(TPU)是无毒环保的高分子聚合物,具有其它高分子材料所无法比拟的强度高、韧性好、耐磨、耐寒、耐油、耐水、耐老化、耐气候等特性,同时他具有高防水性透湿性、防风、防寒、抗菌、防霉、保暖等许多优异的功能。
TPU是目前鞋用材料中综合性能最佳的材料之一,它的范围50A-82D。
本项目拟采用此材料来提高其材料的耐磨性能及抗撕裂性能。
超高分子量聚乙烯(UHWMPE)是热塑性工程塑料。
它综合了大部分高分子材料的优越性能,耐冲击、耐低温、耐磨损、耐化学腐蚀、自身润滑、吸收冲击能,这六种特性是目前高分子材料中所具有的最高数值。
近年来,这种新型材料在欧美各国得到广泛使用,该材料是本项目拟采用的另一种耐磨改性剂。
高苯乙烯橡胶(HS)的结合苯乙烯量可达95%,但以60%-80%者较为通用。
随共聚物中苯乙烯结合量的增加,聚合物的拉伸强度、撕裂强度、刚度和硬度提高。
高苯乙烯橡胶的不饱和度低,抗氧化能力强,耐老化性能好,高苯乙烯橡胶还具有优良的抗腐蚀性,耐酸、碱、水和其他化学品的腐蚀性能。
它最突出的特点是对弹性体的补强性能,可以提高其耐磨性,可以减少胶料的复原性,降低压延收缩率。
该材料是本项目拟采用的第三种耐磨改性剂。
以上拟采用的三种耐磨改性剂,从性能、价格方面各有不同,在实际应用中可以根据不同的应用需要,选择不同的耐磨改性剂,以适应当前消费者对多元化鞋用材料的需求。
③发泡成型方法及其工艺研究
本项目拟采用两种成型方法,即模压成型和注射成型。
经前期试验得知,与注射成型工艺相比,模压成型工艺能得到发泡倍率更高的发泡材料。
模压发泡成型比注塑发泡成型工艺成熟,投资较少,但生产效率低,产生的边角料约为5%。
本部分主要研究模压发泡中温度、时间、压力与发泡材料性能之间的关系,确定最佳的工艺条件。
本部分的研究目的主要针对有模压设备而无注射发泡设备的厂家,减少投资,可以在原有模压设备的基础上生产本项目所开发的发泡材料。
注射发泡是近年来出现的一种新型加工技术,要求有专门的注塑发泡设备和模具作保证,投资比较大,但其产品性能较好,边角料少。
从经济效益、模具设计等角度来考虑,将大幅度降低制造成本、产品设计更多样化及功能化,有大量取代模压发泡成型技术的趋势。
所以相对于模压发泡成型,注射成型的研究更具有发展前景和现实意义。
本部分拟研究注射机的注塑工艺(温度、压力、注射速度等)与发泡材料性能之间的关系,筛选最佳工艺条件。
发泡材料的性能不但取决于材料的配方组成,而且与成型工艺密切相关,这就需要对发泡配方、工艺条件做反复地试验。
2、技术关键
本项目在研究过程中拟解决的技术关键包括:
高发泡SBS鞋用材料制备关键技术
热塑性弹性体SBS熔体粘度较大,从而在一定程度上抑制了泡孔的形成和生长,故单纯的SBS发泡只能得到低发泡材料。
为了得到高发泡材料,考虑引入功能性助流动剂如
-甲基苯乙烯共聚物、乙烯丙烯酸共聚物,降低体系的熔体粘度,显著提高泡孔的形成数量,并使其在较低的熔体粘度下,泡孔孔径迅速增长,从而提高热塑性弹性体的发泡倍率,得到高发泡SBS鞋用材料。
耐磨高发泡SBS鞋用材料制备关键技术
高发泡SBS材料的实现,密度降低,得到了质轻鞋用材料,然而其耐磨性、抗撕裂性能等严重恶化,难以达到国家鞋用外底产品标准中规定的耐磨性能要求。
为了得到质轻耐磨SBS发泡材料,考虑引入耐磨性功能助剂如热塑性聚氨酯弹性体(TPU)、超高分子量聚乙烯(UHWMPE)、高苯乙烯橡胶(HS),改善其耐磨性能和撕裂性能。
发泡成型方法及其工艺优化技术
本项目拟采用两种成型方法,即模压成型和注射成型。
经前期试验得知,与注射成型工艺相比,模压成型工艺能得到发泡倍率更高的发泡材料。
发泡材料的性能不但取决于材料的配方组成,而且与成型工艺密切相关,这就需要对发泡配方、工艺条件做反复地试验,对其成型方法和工艺条件进行筛选和优化。
从而实现集质轻和优异的物理性能为一体的SBS发泡鞋用材料的开发技术,这正是该项目的亮点,也是本项目的关键技术、创新所在。
3、创新性
本项目研究将高发泡SBS的制备与耐磨SBS发泡鞋用材料的制备关键技术相结合并将其应用于鞋用材料,可以将质轻、耐磨融合为一体,开发质轻、耐磨,同时抗湿滑性、压缩永久变形性良好、对环境无污染的新一代鞋用材料。
这种研究思路目前在国内外均无报道,其特色与创新之处在于创造性地制备出集质轻、耐磨为一体的SBS发泡材料应用于鞋底,利用SBS本身所具有的较好的低温性、显著的弹性、抗湿滑性能优异的特性,以及采用高发泡、耐磨鞋用材料的制备关键技术,使SBS发泡鞋用材料具有轻便性、优异的抗撕裂性能,同时又具有优异的抗湿滑性、环保性,制备出了一种理想的新一代鞋底材料。
本项目的研究思路和研究方案在国内外均无相关报道,具有明显的新颖性、创新性和实用性。
四、预期目标
1、主要技术指标:
本项目要达到的主要技术指标:
(1)密度0.5~0.7g/cm3;
(2)耐磨性能:
磨痕长度≤10mm;(3)硬度(阿斯卡型)55~65度;(4)耐曲折性能(常温)>4万次;(5)抗撕裂性能≥80N/mm;(6)防滑指数干>1,湿>0.4。
2、主要经济指标:
本项目中SBS鞋用材料的开发,在大幅度降低SBS发泡材料密度的同时,保证其具有良好的物理性能。
这正是鞋业制造商迫切需要的理想的制鞋材料,是应对目前鞋用原材料暴涨的最佳途径。
该项目开发的SBS材料,适用于高档凉拖鞋、休闲鞋底材、运动鞋中底等。
以年产量为100万双鞋子的鞋底生产企业为例,若采用本项目技术替代50%原产品,则年增产值800万元,年增利润60万元,年增税金65万元。
3、应用前景
鞋底是鞋类的重要部件,决定着鞋类穿着的舒适性和安全性;高性能材料的开发已成为鞋类技术的热点之一;加之近年来石油价格的暴涨,如何降低成本是制造商关注的焦点问题,在保证其主要物理性能指标符合产品要求的前提下,实施高发泡技术不失为良策之一。
本项目的独特之处在于大幅度降低密度的同时具有良好的耐磨性、防滑性和屈挠性等物理性能。
本项目的实施正符合鞋类市场的迫切需求。
该项目研制的高发泡高性能SBS材料,适用于高档凉拖鞋、休闲鞋底材的生产。
我国的凉拖鞋产量巨大,年产量达40亿双。
该项目在拖凉鞋领域将有广阔的应用市场。
而且据文献报道,2003年在制鞋业领域我国SBS的消费量约为21.3万吨,预计到2008年达到24.7万吨,2003至2008年的年均增长率约为3%,可生产40万吨鞋底料。
若以高发泡产品替代50%的现有产品,每年可节省SBS鞋底料为6到10万吨。
此外,随着项目承担单位与不同鞋材厂家的进一步合作,也正在为本项目开发的高性能高发泡SBS材料寻找新的应用途径,进一步扩大其应用范围,市场容量大。
我国加入WTO,制鞋行业同众多行业一样要面对国际市场的严峻挑战,以前的贸易壁垒有可能转变为技术壁垒和绿色壁垒,就鞋底材料而言,轻便耐用、安全舒适、环保型鞋底材料将成为鞋底材料的主流。
欧美国家的环保法规日趋严格,PVC材料在制鞋材料领域越来越受到限制,因此研制符合环保要求的高性能材料是未来的发展方向。
目前,国内的拖凉鞋材料大部分为低密度PVC、EVA、PE等发泡材料,这些材料抗湿滑能力差,直接导致其穿着的安全性差,且压缩永久变形大,有异味。
因此,从根本上提高我国凉拖鞋鞋底材料的性能已迫在眉睫,本项目开发的SBS以其防滑耐磨、弹性优良、无异味、安全舒适等优点,是替代PVC、EVA拖凉鞋鞋底的理想材料。
综上所述,凭其优异的性能和适中的价格优势,本项目开发的SBS发泡材料具有很强的市场竞争能力,具有良好的应用前景。
五、研究方案、技术路线、组织方式与课题分解
1、研究方案
热塑性弹性体SBS熔体粘度较大,从而在一定程度上抑制了泡孔的形成和生长,故单纯的SBS发泡只能得到低发泡材料。
为了得到高发泡材料,考虑引入功能性助流动剂如
-甲基苯乙烯共聚物、乙烯丙烯酸共聚物,降低体系的熔体粘度,显著提高泡孔的形成数量,并使其在较低的熔体粘度下,泡孔孔径迅速增长,从而提高热塑性弹性体的发泡倍率,得到高发泡SBS鞋用材料。
高发泡SBS材料的实现,密度降低,得到了质轻鞋用材料,然而其耐磨性、抗撕裂性能等严重恶化,难以达到国家鞋用外底产品标准中规定的耐磨性能要求。
为了得到质轻耐磨SBS发泡材料,考虑引入耐磨性功能助剂如热塑性聚氨酯弹性体(TPU)、超高分子量聚乙烯(UHWMPE)、高苯乙烯橡胶(HS),改善其耐磨性能和撕裂性能。
本项目拟采用两种成型方法,即模压成型和注射成型。
经前期试验得知,与注射成型工艺相比,模压成型工艺能得到发泡倍率更高的发泡材料。
发泡材料的性能不但取决于材料的配方组成,而且与成型工艺密切相关,这就需要对发泡配方、工艺条件做反复地试验,对其成型方法和工艺条件进行筛选和优化。
从而实现集质轻和优异的物理性能为一体的SBS发泡鞋用材料的开发技术。
2、技术路线
将SBS、环烷油于常温下经高速混合机搅拌,进行充油;然后将改性树脂、发泡剂、发泡助剂、交联剂等按一定比例在高速混合机中均匀混合数分钟,接着在单螺杆挤出机中以120℃-160℃挤出,然后在开炼机上开炼出片,然后在平板硫化机模压发泡成型。
其工艺条件为上下模板温度160-180℃、压力14.5MPa下,模压时间3-12min下发泡成型,经稍冷却,得到一系列SBS发泡鞋用材料样品。
技术路线如下图所示。
本项目预计可以获得以下几项主要研究成果:
高发泡SBS鞋用材料制备关键技术,可以大幅度降低SBS发泡材料的比重,提高SBS材料的轻便性。
耐磨高发泡SBS发泡鞋用材料制备关键技术,在使SBS发泡鞋用材料具有轻便型的同时,可以大幅度提高鞋用材料的耐磨性和抗撕裂性能。
发泡成型方法及其工艺优化技术,优化SBS发泡材料的成型工艺,根据不同需求,可选择不同的成型方法和工艺条件。
3、组织方式
本项目由承担单位和协作单位组成项目组具体实施,定期对项目的进度进行检查和评估,保证项目按计划顺利进行。
4、课题分解
本项目下设三个子课题:
课题一、高发泡SBS鞋用材料的关键技术研究。
课题二、耐磨高发泡SBS鞋用材料制备关键技术研究。
课题三、发泡成型方法及其工艺优化技术研究。
六、计划进度安排
本项目研究周期为12个月,计划进度安排如下:
2014.02-2014.06
资料收集和人员、实验场地的安排,拟订详细的研究开发计划;
②对影响SBS发泡的因素进行考察和实验,寻找出制备SBS发泡的基本配方和工艺条件;
③系统制备一系列发泡SBS材料,寻找制备高发泡SBS所需要的配方和工艺条件;
2014.07-2014.12
①在研究高发泡SBS的配方和工艺的条件下,加入各种耐磨改性剂,探索合适的配方和工艺条件;制备出重复性良好的耐磨性SBS发泡材料,并初步测试性能,总结并分析实验过程中的现象及问题,调整实验方案。
重点进行项目立项指标与关键影响因素之间的变量研究。
测试各项性能指标,并对其性能进行综合评价。
②整理和总结实验资料,撰写和发表2篇学术论文,并撰写项目结题报告和准备验收。
③准备各种资料,进行项目验收。
七、现有工作基础和条件
承担单位:
温岭市东亚塑胶有限公司
公司始建于1997年,是一家集研发、制造、销售管理为一体的现代化鞋底制造企业。
专业致力于鞋底的制造,以高标准的产品质量为客户提供业界领先的产品与服务。
十多年来公司以“开拓、务实、创新、奋进”的企业理念,使公司发展成为本地区鞋底制造行业规模最大的龙头企业之一。
公司设有二、三、五厂区,现有员工600多人,其中研发人员占公司总人数的10%。
2013年公司产值超亿元;上缴利税490万元。
公司多年来深受社会各界一致好评,获得了“浙江省AA级重合同守信用企业”、“浙江省皮革行业先进企业”、“台州名牌产品”、“台州著名商标”“市级100强企业”、“市级重点工业企业”、“纳税大户”、“温岭市级技术中心”。
协作单位:
中国皮革和制鞋工业研究院温岭研究所
中国皮革和制鞋工业研究院温岭研究所隶属于中国皮革和制鞋工业研究院温州研究所管辖,是中国皮革和制鞋工业研究院在温岭设立的窗口单位,中国皮革和制鞋工业研究院是我国皮革和制鞋工业科研、信息、标准检测、行业生产力促进中心,拥有大量科研人才和科研设备,完备的实验及生产条件。
在过去的四十多年中,本院一直致力于皮革、制鞋、毛皮、皮件行业的技术、工艺、材料、设备、仪器、环保、标准、检测、信息等领域的研究与开发,承担并完成了国家、部委和地方重大科研项目200余项,荣获国家级及省部级各类科技奖励60多项,众多科研成果在行业中得到广泛应用,并取得良好的经济效益和社会效益。
为本研究的顺利实施奠定了基础。
八、经费预算
本项目开发和相关的费用的总经费预算为80万元,其中自筹60万元,申请温岭市科技项目经费20万元。
1、实验设备费23万元
2、研究人员费用8万元
3、能源材料费25万元
5、调研费3万元
6、验收费2万元
7、设计试验费15万元
8、信息费2万元
8、其他费用2万元
- 配套讲稿:
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- 特殊限制:
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