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【深度热点】没有分析,就没有运动鞋的发展

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2018-05-17 10:22
来源:实验与分析
Dr. Angelika Scheiflinger-Latal
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  诚然,未经训练的跑步运动员甚至不会立即制作高科技跑鞋。尽管如此,运动鞋是不同材料和部件的完美组合,对其功能进行了精细调整。真正的材料科学和必要的分析技术。

  每天我我的运动鞋在衣柜,让我明白了,笑了:“来,跟我走,我很舒服,空气填充,防水,带你翻山越岭,甚至是热沥青路面离开我唯一的冷” - 一个“高科技优质产品“。令人难以置信的,从日常生活中的一个项目,具有各种复杂的功能,适合于预期的用途。使用过的材料及其加工过程是针对这一精确指定的目的开发和优化的 在这里出现的问题是,运动鞋现在所处的位置与材料科学的研究领域相关。

  材料科学的定义是一门跨学科的科学,其重点是材料的制作及其表征。随后,这个跨学科领域还包括材料的开发和实际使用中材料和材料行为的调查。材料科学的跨学科方法涵盖了广泛的材料类别,如陶瓷,聚合物,半导体或磁性材料。由于它的跨学科性质,该领域正在不断近年来,除了传统的科学领域,如物理,化学和工程,也举行了生命科学的收集,例如,用于生物相容性材料的发展不断扩大等。

  为了改进,修改或开发各种全新的材料,必须从多个不同的角度对这些材料进行分析和表征。使用地点,使用时间,各种环境影响等也起着重要作用,因为这些影响材料的性质。

  运动鞋:混合了许多材料和组件

  回到示例运动鞋。运动鞋是多种不同材料和部件的混合体,通过各自的最佳协调和功能优化使用成为高科技日常用品。如果将运动鞋解剖成其组件,人们会找到主要不同的尼龙,PVC,合成纤维以上的合成材料,直至皮革或金属部件。每种材料都带有定制的特性,以适应特定的应用。例如,鞋底必须具有耐磨性,耐温性,耐压性和耐水性,以便由于行走和跑步造成的压力在短时间内不会破裂。

  然而,整个鞋底的层结构中的衬垫和鞋底夹层必须​​是柔性的,具有一定的柔软度并且还应具有较低的重量。经常填充凝胶的填料本身必须具有减震和触变性能,以便在加载和卸载过程中恢复到其原始状态。脚跟帽也由合成材料如尼龙或PVC制成,但应保持尺寸稳定并具有一定的强度,但仍具有足够的灵活性以便舒适地坐在脚上。乍一看,这似乎是一个矛盾,但通过发达的结构材料特性,我们在外部感知的物理特性可以在那里发展。

  看上面的鞋子,其他属性对消费者来说很重要。例如,运动鞋应该透气,但防水,有弹性和防撕裂。对于上面鞋子的时尚设计也收到不同的颜色。所使用的颜色必须具有某些特性,例如抗紫外线,对相应材料具有良好的粘附性以及在生产中良好的混合和溶解性。

  鞋垫和衬里是与人脚直接接触的部分。因此,鞋内底和衬里具有气味和吸汗特性,并且还应当能够透过湿气和空气。最后,鞋带,就应该有高的抗拉强度,通过扣眼好滑,不吸水,而且应该是彩色的,不褪色。部件本身 - 鞋底,上鞋和内鞋 - 通常粘在鞋制造中,而不是缝制。为此,需要使用特殊的粘合剂,这些粘合剂可承受负载并与不同材料形成良好的粘合。

  与运动鞋等日常用品一样,所使用的材料需要具有丰富的必要特性。要知道,当开发的材料,如尼龙,PVC,硬橡胶或网状材料现在​​所期望的特性,在它们的发展和修改必要的步骤需要许多伴随的分析和表征技术。对材料的原子和分子结构的基本知识和理解是至关重要的,因为这些决定了所得到的物理材料特性。

  伴随的分析和表征至关重要

  因此,在各种材料的分析和表征具有纹理结构分析方法(例如,光谱仪,X射线分析)的物理机械方法(例如,压痕,摩擦学,里兹测试仪),对于表面电荷测定,流变方法,制造化合物的定义为颗粒表征和工艺技术合成过程的方法的化学/电化学方法和纳米粒子同等重要。

  高品质测量仪器制造商Anton Paar为材料科学和材料表征领域提供了广泛的产品组合。基于微波的合成法是靶向合成新分子和化合物的最准确和最快速的方法之一,随后还导致具有确定性质的纳米颗粒。这里可以根据明确定义的温度/压力/时间方案进行一步和多步合成,并且可以将反应引导至期望的方向,从而避免形成不需要的副产物并增加产量。

  在结构分析是安东帕小和广角测量系统(SAXS,WAXS,GISAXS),和高/低温度,压力和湿度测量室的X射线衍射的主要供应商,该结构上的原子级的一方面的,但在另一方面,可以在分析与其他物质和环境影响的相互作用。流变分析方法可以高度准确地测定流动性和粘度。

  日常使用运动鞋有特殊要求

  在日常使用中,两个表面之间总是存在接触,这可能是相同或不同的材料。诸如压力,温度,湿度,运动速度等许多其他因素对使用的材料产生重大影响。通过摩擦计,两个表面之间的摩擦,磨损,磨损和润滑特性可以得到最好的分析,并且这些知识经过优化使用。安东帕为固体材料系统提供世界上最广泛的摩擦测量选项,并结合针对相应应用量身定制的液体材料(润滑)。

  其他机械分析方法包括硬度,划痕测试仪和膜厚测量仪以确定硬度,杨氏模量,耐刮擦性和表面层厚度。在此,表征层和基材的复合体系并确定参数如粘附力和摩擦力。用于确定材料表面拓扑结构的另一种机械分析方法是原子力显微镜(AFM),它在视觉上显现表面纹理。

  表面电荷还对不同材料彼此之间的粘附,例如油漆和粘合剂的粘附,以及对不同液体的润湿性有显着影响。通过用于确定电荷性质的电动力学方法,可以确定吸附和解吸行为,并且可以对材料例如聚合物和膜进行改性,使得例如防止或改善污垢,水,粘合剂或油漆的粘附。例如,在生物相容性材料的情况下,可以识别表面上的有害成分,并据此调整材料生产。

  许多末端材料的起始材料是粉末,颗粒或分散体,其颗粒性质(尺寸,ζ电势,透射率,分子量,折射率)必须被表征以获得质量一致的材料。

  一种可能性是溶液中粒子的光散射(DLS =动态光散射)。为了测定干粉中的粒径,以及液体分散体,激光衍射(LD)是选择的方法。所有这些方法都携手合作,各自代表拼图的表征和材料特性的理解中不可或缺的一部分。在这样的日常用品,如因此运动鞋卡不仅许多不同的匹配材料,而且具有良好的技术诀窍。

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