新型环保材料在运动鞋中的应用与性能优化研究

新型环保材料在运动鞋中的应用与性能优化研究

安立凤*，同金玉，卢芳洲

（际华三五一四制革制鞋有限公司，河北 石家庄 050081）

摘 要：随着环保理念的深入人心，新型环保材料在运动鞋制造领域的应用逐渐受到广泛关注。这些材料不仅能够降低碳排放，还能在保障鞋类产品舒适性和耐用性的同时减少环境污染。文章首先对新型环保材料的主要类型及其特性进行概述，分析生物质材料、可降解高分子材料及其复合材料在运动鞋制造中的应用优势。其次，探讨当前环保材料在运动鞋领域应用过程中所面临的技术工艺适配性、成本高企、性能稳定性不足等问题。最后，基于上述问题，提出了优化制鞋工艺、降低生产成本、改性环保材料等具体优化策略，以期推动环保材料在运动鞋行业的规模化应用，为可持续制鞋技术的发展提供借鉴。

关键词：运动鞋；环保材料；可降解高分子；生物基材料

Application and Performance Optimization of New Eco-Friendly Materials in Sports Shoes

AN Lifeng*, TONG Jinyu, LU Fangzhou

(Jihua 3514 Leather & Shoe Making Co., Ltd., Shijiazhuang 050081, China)

Abstract: With the growing awareness of environmental protection, the application of new eco-friendly materials in the sports shoe manufacturing industry has gained increasing attention. These materials not only contribute to reducing carbon emissions but also enhance the comfort and durability of footwear while minimizing environmental pollution. This study first provides an overview of the main types and characteristics of new eco-friendly materials, analyzing the advantages of biomass materials, biodegradable polymers, and composite materials in sports shoe manufacturing. It then explores the challenges associated with their application, including process adaptability, high costs, and stability issues. Finally, targeted optimization strategies are proposed, such as improving footwear manufacturing processes, reducing production costs, and modifying eco-friendly materials, to promote the large-scale adoption of these materials in the sports shoe industry. The findings aim to provide insights into sustainable footwear manufacturing technologies.

Keywords: sports shoes; eco-friendly materials; biodegradable polymers; bio-based materials

第一作者简介：安立凤（1991－），女，本科，学士，工程师，技术员，研究方向为皮革、鞋靴、毛皮、服装、手套。

0 引言

在可持续发展理念的驱动下，环保型制鞋材料的研发与应用已成为全球鞋类产业技术革新的核心议题。近年来，主流运动品牌通过材料创新践行环境责任，如阿迪达斯与Parley for Oceans合作推出的Ultraboost系列，每双鞋平均使用11个回收塑料瓶①；耐克开发的Space Hippie系列，每双运动鞋所含的回收再利用废料占整体重量的25%~50%，尽可能的减少了鞋款的碳足迹②；新兴品牌Allbirds则首创甘蔗基EVA中底材料SweetFoamTM，充分实现生物基碳替代③。然而，尽管环保材料在环保性和资源可持续利用方面展现出优势，其在运动鞋制造中的大规模应用仍面临诸多挑战，限制了其进一步的推广应用。因此，行业亟需通过跨学科协作优化材料改性技术，构建多方参与的绿色供应链生态系统，以实现环境效益与商业价值的动态平衡。

1 新型环保材料概述

随着近些年人们环保意识的增强，环保型制鞋材料的研发和应用逐渐深入，各大品牌也相继推出了新型环保鞋材产品。例如，阿迪达斯推出了使用海洋回收塑料制作的运动鞋，耐克采用生物基材料和回收橡胶制作环保鞋底，Allbirds则使用美利奴羊毛和甘蔗基泡沫材料，降低碳足迹。这些创新材料不仅体现了品牌的环保责任，也推动了行业向可持续方向发展。目前，新型环保材料大致可分为生物质材料、可降解高分子材料及其复合材料，其各自特性及优势如表1所示。

从表1可以看出，不同类型的环保材料各具优势，能够满足运动鞋在耐久性、舒适性、环保性等方面的多重需求。生物基材料因其可再生特性和优异的机械性能，在鞋底和鞋面应用中占据重要地位。可降解高分子材料虽然具有环保优势，但在耐磨性和稳定性方面仍需进一步优化。复合材料结合了不同材料的优势，提高了运动鞋的整体性能，并在轻量化和耐用性方面展现出较好的发展潜力[1]。

2 新型环保材料在运动鞋中应用现状

2.1 环保材料制鞋的技术工艺仍需完善

随着环保材料在运动鞋制造中的应用不断拓展，如何使这些新型材料适应传统的制鞋工艺，成为当前行业面临的重要课题。相比传统石化基材料，环保材料在可降解性、可再生性等方面具有显著优势，但其在加工性能、材料相容性和生产效率等方面仍存在一定的技术壁垒，制约了其大规模应用。

首先，加工性能限制了环保材料在制鞋过程中的适应性。以PLA（聚乳酸）和PHA（聚羟基脂肪酸酯）为代表的生物降解材料，因其在制鞋过程中结晶速率较低，导致材料成型时间延长，影响来生产效率[2]。其次，复合材料的相容性问题仍然是环保鞋材推广应用的关键障碍。以PLA和PBAT（聚己二酸-对苯二甲酸丁二酯）共混材料为例，尽管PBAT能够增强PLA的韧性，改善其脆性问题，但二者因极性差异较大，在加工过程中容易发生相分离，导致材料性能不稳定。为了解决这一问题，部分企业需要添加增容剂或相容剂，以改善材料的分散性和相容性，但这也增加了生产成本，还可能影响到材料的可降解性能。因此，提高环保材料的加工适应性、优化材料配方和增容技术，是推动其在运动鞋行业广泛应用的关键。

2.2 环保材料成本较高制约大规模应用

近年来，随着环保理念的深入推广，越来越多的制鞋企业开始关注可持续材料的应用。然而，新型环保材料的生产涉及原材料成本、加工工艺和市场供应链等多个环节，其经济性尚未达到大规模产业化的要求。

首先，原材料成本较高，使环保材料的价格居高不下。例如，生物基TPU依赖生物质原料（如植物基多元醇）进行合成，而生物质提取和加工的技术尚未完全成熟，这导致其生产成本比传统石化基TPU高出约30%~50%。同时由于市场供应链尚未完善，生物基TPU的生产规模较小，进一步推高了材料成本。其次，环保材料的复杂加工工艺也增加了生产成本。例如，石墨烯的纳米级片层结构虽然能显著提升PLA的机械性能，使其更适合运动鞋制造。这些分散工艺不仅需要额外的设备投入，还会增加生产时间和能耗，使得PLA/石墨烯复合材料难以实现大规模、低成本生产。因此，如何降低环保材料的生产成本，提升其市场竞争力，成为推动其规模化应用的关键。

2.3 环保材料的性能对产品质量的影响

在运动鞋制造中，材料的稳定性是影响产品质量和耐用性的关键因素。然而，相较于传统石化基材料，许多新型环保材料在不同环境条件下的性能波动较大，导致其在运动鞋领域的应用受到一定限制。

首先，生物可降解材料（如PLA、PBS）在高湿度环境中易发生水解降解，导致机械强度下降。PLA的分子结构长期暴露于高湿环境时，容易发生水解反应，使得材料逐渐变脆，韧性和抗弯曲能力逐渐下降。随着材料的刚性增加，鞋底在受力时的形变能力减弱，难以有效分散冲击力，便会导致其导致支撑力下降，缓震效果减弱。这一特性便导致了采用PLA作为鞋底或鞋面材料的运动鞋在潮湿环境下易发生鞋底变硬、支撑力下降、缓冲效果减弱等情况，影响用户长时间穿着的舒适性和耐用性。PBS虽然在韧性方面优于PLA，但其抗水解能力同样有限，在潮湿环境下长时间使用后，力学性能同样会逐步下降，影响用户的穿着体验。

其次，环保材料的抗氧化能力普遍较弱，导致其在长期使用过程中容易老化。传统石化基材料如EVA、橡胶等经过长时间使用后仍能保持较好的力学性能，而部分环保材料在长期紫外线照射下易发生光降解，使得材料的颜色、强度和弹性均受到影响。不仅会影响鞋子的美观度，还可能导致材料失去应有的支撑性，从而降低运动鞋的整体耐用性。

3 新型环保材料在应用中的优化策略

3.1 优化制鞋工的适配性与生产效率

3.1.1 超临界发泡工艺优化鞋底材料结构

实验研究表明，在40-80 ℃温度和10-15MPa压力下进行二氧化碳超临界发泡，可使PBS、PLA等环保材料的密度降低约20%~30%，并可保持良好的弹性和回弹力[3]。因此，相关生产企业可在鞋底制造过程中引入超临界二氧化碳发泡工艺，来提升环保材料的适配性与生产效率。

3.1.2 低温熔融共混技术提升材料相容性

PLA和PBAT等环保材料在共混过程中相容性较差，易出现相分离，影响其力学性能。有研究表明，在PLA与PBAT的共混体系中，引入低温熔融共混技术，可降低相分离现象，使材料的韧性提高约40%，提升其加工适应性[4]。因此，制鞋企业可采用低温熔融共混技术，提升环保材料的相容性。但在引入该技术时，应注意以下几个方面：首先，应将PLA、PBAT的共混温度控制在160~180 ℃（低于PLA的降解温度），以减少降解，提高材料的均匀性。其次，可在共混过程中加入适量的马来酸酐接枝PBAT增容剂，进一步增强PLA和PBAT的相容性，使其具备更好的延展性和耐冲击性能。

3.2 加强研发降低环保材料的生产成本

3.2.1 采用生物质填充材料降低原料成本

环保材料的高成本仍是制约其大规模应用的重要因素，降低生产成本是推动其市场化的关键。有研究表明，在PLA基体中加入可再生生物质填充材料，如农作物秸秆、废纸纤维，可在降低成本的同时提升材料的力学性能。实验数据显示，当废纸纤维填充量控制在10%~25%时，复合材料的生产成本可降低15%~30%，韧性则能提高10%~20%。基于此，生产企业可通过将废纸纤维粉碎至50~200μm粒径，采用机械搅拌或熔融共混的方式将其均匀分散于PLA基体中，以优化材料的力学性能和耐久性。此外，该填充方法无需改变现有的注塑或挤出生产设备，即可直接应用于运动鞋的鞋底和鞋面制造，使环保材料的推广更具可行性。

3.2.2 开发纳米改性技术提高材料性价比

除了生物质填充技术，开发低成本的纳米改性技术也是提升材料性价比的有效途径。相比传统增强剂，纳米纤维素（NCF）因其来源广泛、成本较低，已成为PLA等环保材料的优选改性材料。研究表明，当纳米纤维素的添加量控制在1%~3%时，PLA复合材料的拉伸强度可提高20%~35%，进而可减少制鞋过程中PLA的使用量，使整体成本下降约10%~15%。基于这一研究结果，生产企业可采用高剪切均质化处理或超声波分散技术，降纳米纤维素均匀分散在PLA基体中的，从而提升材料的耐冲击性和结构稳定性。而且该技术与传统复合材料的共混工艺兼容，无需再对制鞋生产流程进行额外调整，便可直接应用于环保鞋底和鞋面材料的生产，进一步降低了制造成本。

3.3 改性环保材料增强稳定性与耐用性

环保材料在运动鞋制造中的应用仍面临耐磨性不足、抗老化性能较弱、力学稳定性较差等问题，影响其在高强度运动场景下的使用寿命。因此，生产企业可通过扩链改性提升材料结构稳定性，并使用纳米填充剂改善耐磨性和耐候性。

3.3.1 采用BETT扩链改性提高耐磨性和强度

实验研究表明，在PLA/PBAT共混体系中添加0.5%~2% BETT（双端羟基封端扩链剂），可通过双酯交换反应延长分子链，提高材料的分子量和韧性，使拉伸强度提升25%~40%，耐磨性提高20%~30%。因此，生产企业可在PLA/PBAT熔融共混过程中加入BETT扩链剂，以增强材料的界面结合力，改善其力学性能和耐磨性。而且该改性方法亦可直接适用于现有的制鞋生产线，无需额外设备改造，降低了技术应用门槛。

3.3.2 添加纳米氧化硅提高耐磨性耐候性

研究表明，添加纳米氧化硅（SiO2）填充剂也可使环保鞋材的耐磨性和耐候性得到显著提高。数据显示，当纳米氧化硅的填充量控制在2%~5%时，材料的耐磨性可提高30%~50%，抗紫外线老化能力增强35%~45%[5]。然而，由于纳米氧化硅的比表面积大，如果分散不均匀，可能导致材料局部强化不足，影响整体性能稳定性。因此，为确保纳米氧化硅在PLA基体中的均匀分散，生产企业可采用溶胶-凝胶法或高能球磨分散技术，从而提高复合材料的耐磨性能和抗老化能力。此外，该改性方案可直接在环保鞋材生产流程中引入，特别适用于长期户外使用的运动鞋制造。

4 结语

新型环保材料的应用为运动鞋行业的可持续发展提供了重要支持，但在推广过程中仍面临诸多挑战。生物质材料、可降解高分子材料及复合材料各具优势，在鞋底、鞋面等部位的应用不断拓展，未来，随着制鞋技术的进步和环保材料研发的深入，其在运动鞋制造中的应用将更加成熟，为鞋类行业的绿色可持续发展提供有力支撑。

注释：

①数据来源：https://www.clii.com.cn/zhhylm/zhyylmKeJiHuanBao/2016

②数据来源：https://www.nike.com.cn/space-hippie/behind-the-design-1

③数据来源：http://www.htt.hk/?p=155547

参考文献：

[1]王佳玫.低碳经济背景下生物质在鞋材中的应用及发展趋势[J].中国皮革，2024，53（12）：71-74.

[2]吴奇宗，姚庆达，许春树，等.可生物降解聚合物及其复合材料研究进展[J].皮革与化工，2022，39（05）：31-39.

[3]熊祖江，李斌.生物可降解材料在运动鞋材中的应用展望[J].中国皮革，2023，52（06）：79-86.

[4]马郡，蒋晓斌，刘晶芝，刘锋.废纸纤维改性聚乳酸复合材料性能研究：以应用于运动鞋领域为例[J].造纸科学与技术，2024，43（08）：67-70.

[5]景江浩.运动鞋的触觉舒适性研究进展[J].中国皮革，2024，53（10）：83- 88.

原载：《西部皮革》杂志2025年4月第7期