天然橡胶复合材料篮球鞋用料制备及性能研究

徐思丹

（陕西学前师范学院，西安710000）

0 引言

篮球鞋鞋底由多种材料而制，其中使用较为广泛且能达到一定舒适性的材料则是天然橡胶复合材料。天然橡胶自身高弹性、耐腐蚀、绝缘化、高减震等特征让其占据优势地位；而与天然橡胶复合而成的材料其耐磨性更胜一筹，从而保证篮球鞋的使用寿命。为减少或避免篮球运动员脚部关节受损，文章对篮球鞋结构及其性能展开研究、研发一款新型采用天然橡胶复合材料的高性能篮球鞋。

1 天然橡胶复合材料制备实验

1.1 实验用料制备

在天然橡胶复合材料制备实验中充分表明实验结果，需要用到全乳胶天然橡胶、氯化下基橡胶1066、纯度为92%的碳纳米管、C9型号石油树脂等。以上材料为本次实验主要研究对比对象，其型号及规格选择需按实验要求完成，材料名称、规格等如表1所示。

表1 实验研究主要原料Tab.1 Main raw materials of the experimental study

1.2 材料制备实验过程

首先将纯净NR 或纯CIIR 在双棒混合机中塑化2min；其次将ZnO、MgO、TMTD、硬脂酸、CZ、S、DM、CB 与石油树脂融合15min，准备片剂制备[1]。NR/CIIR 共混物主要橡胶包括纯NR 与纯CIIR，是采用相同方法制备而成。将所有化合物融合温度控制在50°C 以下，制备过程中规定材料融合时间为10min，并在融合开始后5min 之内完成两种共混物融合，待所有化合物融合完毕后，将橡胶材料在干燥环境中放置24h后再对其进行性能测试。使用硫化机对硫化胶进行性能测定，硫化橡胶的硫化温度及固化时间分别为135℃、T90+2min；最后使用红外测试仪对硫化胶性能进行测试。基于天然橡胶具有稳定机械性能，所以对不同橡胶机械性能进行对比分析，表2 为纯CR及纯CIIR的配方[2]。

表2 纯CR及纯CIIR配方Tab.2 Formula of pure CR and pure CIIR

根据表2 中材料相应值，通过熔炉提取基础橡胶。测试结果显示，NR最大扭矩大于CIIR橡胶，而最小扭矩与之相反。在图1可以看出，随着CIIR橡胶容量增多，共混物最大及最小扭矩并未出现明显异常[3]。导致此结果发生重要原因是在硫化过程中，混合物中发生添加剂转移现象；另一原因则是CIIR橡胶及NR硫化体系与类型存在差异，因此该实验最大扭矩与最小扭矩不会随硫化速度、硫化时间变化而变化。纯NR、纯CIIR及NR/CIIR混合物应力-应变曲线，如图1所示。

图1 纯NR、纯CIIR及NR/CIIR共混物应力应变曲线Fig.1 Stress-strain curves of pure NR，pure CIIR and NR/CIIR blends

分析NR/CIIR 共混物向行为之前，优先选择没有任何干扰因素的独立峰位置开展实验。实验中，研究对象为835cm-1处吸收光谱NR拉伸方向与在1240cm-1处吸收光谱CIIR拉伸方向[4]。在偏振红外光谱中能够看出：当未拉伸NR时，NR的平行及垂直红外光谱未发生改变；拉伸NR 后，红外光谱图发生明显改变，垂直红外光谱图吸光度为834cm-1，与平行红外光谱图吸光度相比前者较大，差值随拉伸度增加而扩大；此外，由于应变因素引起结晶现象发生，应变数值逐渐扩大，NR 对应峰位也随之移动。在不同应变条件下，CIIR的平行红外光谱与垂直红外光谱之间未出现明显变化。

由此便可得出结论：分子链是否具备完整性、分子链结晶属性是否明显都会对橡胶应变诱导结晶现象产生影响。NR 拉伸结晶具备力学性质归结于其具有统一、整齐排列方式的顺式聚异戊二烯分子链，其也是天然橡胶具有抗拉伸性能的主要原因[5]。但是，氯化后硫化成丁基橡胶的交联网与氯化前效果存在一定差别，分子链排列完整性与规则性相比天然橡胶较差。因此在室温环境中，丁基橡胶氯化物不会产生应变因素至结晶现象产生。

1.3 材料制备实验结果

经过实验验证得出：CNTs在NR中具有良好分散性，但其CIIR 中会发生聚集严重现象；将CNTs 添加到NR 中能够增加结晶速度、加强结晶效果；添加CNTs后的NR具备高强度抗拉伸性能，从而降低拉伸强度，对CIIR抗张强度仅产生较小影响[6]。因此，在篮球鞋底制作材料中加入天然橡胶复合材料能够增加其抗张强度及使用期限，一定程度提高其使用性能及舒适性。

2 天然橡胶材料篮球鞋性能研究

2.1 稳定弹性性能

篮球鞋与其他种类鞋子结构相同，都是由鞋舌、鞋面、鞋垫、外底及多种配饰构成。篮球鞋鞋面重要作用则是包裹脚部，并为脚部给予保护与支撑；皮面、PU 及网眼布是鞋面主要制作材料。篮球鞋鞋垫其具有透气、吸收震动、吸汗等作用；鞋垫多数由轻质且高弹性的PU 或EVA 制成[7]；不同样式的运动鞋鞋垫能够任意取出，及时做到清洁及更换，从而提高鞋垫耐用性、增加使用寿命。篮球鞋中底部通常由EVA或TPU材料制成，部分篮球鞋会配以气垫、碳板及其他外部附件提高性能。中低目的则是保证篮球鞋具备稳定回弹及缓冲性，充分吸收在运动中产生的冲击力，为篮球运动员脚部给予高度保护及舒适度。外底作为篮球鞋核心组成部分，其是由气孔橡胶、再生橡胶、碳素橡胶等高密度橡胶材料而制[8]。橡胶作为高分子聚合物，能够增加篮球鞋底部弹性及摩擦性，能够承受拉伸、弯曲、挤压等破坏性行为。因此天然橡胶是改善篮球鞋性能主要材料。

2.2 长期抗光性能

天然橡胶通常称其为生橡胶，是一种由胶乳经过稀释、筛网、固化、轧制、烘干等制作而成的弹性固体。橡胶制取方式有所不同，因此将其分为烟草橡胶、皱纹橡胶、风干橡胶，粒状橡胶。顺-1、4-聚异戊二烯作为高分子聚合物天然橡胶的主要组成部分，已在各大生产加工领域广泛使用。其成分是由92%～95%的橡胶碳氢化合物及5%～8%的碳水化合物、脂肪酸等物质构成。天然橡胶基于本身特性，具有良好绝缘性能。天然橡胶具有较多活性化学物质，极易与氧气、锍发生化学反应，除此天然橡胶中化学物质能够独立完成环化效应；由于天然橡胶具备不饱和双键，长时间接触光、臭氧、铜和锰会导致橡胶老化速度加快。在天然橡胶中添加防腐剂能够有效控制橡胶老化时间，甚至将其放置在光照强烈地方数月，天然橡胶仍不会出现较大区别。天然橡胶材料具有抗碱化学性质，其属于非极性橡胶品种，对浓酸溶液不具备耐受性，仅能承受一些极端性质溶液[9]；将天然橡胶材料浸泡在非极性溶液中会发生溶胀反应，因此证明天然橡胶材料不具耐油、耐溶液性能。天然橡胶耐溶剂性与增塑程度成正比关系。增加增塑时间，橡胶耐溶解性能便会越强，天然橡胶分子结构如图2所示。

图2 天然橡胶分子结构Fig.2 Molecular structure of natural rubber

2.3 高强度抗断裂性能

天然橡胶具备拉伸性能及结晶特性，能够导致严重变形并其具有较强抗断裂性能。然而，其自身阻尼性能未达到标准，分子结构会因反复拉伸或强制拉伸被破坏。增强改善天然橡胶阻尼性能强度，需完成微观分离、增加分子之间互相作用力，或将阻尼向、摩擦相与连续相相互融合达到提升性最终目的。天然橡胶材料优势在于其弹性与可塑性。天然橡胶在完成加工后，能够在所有较高强度运动中充分发挥优势[10]。另外天然橡胶不具有耐磨性是其目前显而易见的缺点。天然橡胶完全能够利用其化学、物理属性将高分子结构进行融合调整使其具备较强耐磨性、增加使用寿命。因此天然橡胶是制作高性能耐磨篮球鞋重要材料之一，橡胶异相结构模型如图3所示。

图3 普通橡胶异相结构模型Fig.3 Heterophase structure model of ordinary rubber

基于上述实验对天然橡胶复合材料测试分析，文章基于天然橡胶及其他材料复合研发一款新型篮球鞋。在其制作过程中不仅加入天然橡胶成分，还应加入其他具体高度耐磨性能材料，将所有材料复合而成使篮球鞋底具备耐摩擦、耐高温、耐挤压、耐水、耐弯曲、高弹性、高舒适度、鞋型稳定、恒定温度等优势特点。此具有高性能篮球鞋制作成功后，能够在一定程度避免会减少运动员脚部肌肉拉伤，提升运动鞋舒适感。

3 结语

篮球运动是一项高强度运动，运动员在训练或比赛中难免会受到身体损伤。为减少篮球运动对运动员造成的身体损伤，有必要对篮球鞋功能及舒适度进行优化。天然橡胶作为篮球鞋底重要材料之一，需对其结构、性能进行实验验证与分析研究；并将天然橡胶材料复合其他材料转变具有高耐磨性、高韧性篮球鞋底材料；在保证篮球鞋美观同时保护篮球运动员免受运动伤害。篮球鞋底制作加入天然橡胶复合材料使其更具减震性、抓地性等优势特征，为篮球运动员身体提供安全保证。