利用脱模剂改进聚氨酯鞋底表面外观

在制鞋工业里多种生产方式和材料的使用，加之其产品设计的更新换代速度之快，使得制鞋工业是如此的与众不同。有一点是最明显的：在运动鞋、休闲鞋和时尚鞋领域，为了紧跟消费潮流，产品设计每年甚至每季度都在发生变化。同样，在工作鞋和安全鞋领域，以新技术保证其舒适性和适用性的同时，必须符合严格的标准。为了满足这样的动态行业里不断变化的需求，制造鞋类产品的材料必须有广泛的适用性。
        聚氨脂被证实能满足制鞋业快速变化的需求。和这个行业里的其它材料相比，为了使聚氨脂能保持或提高其地位，必须使其发挥更大的效能。改善效能的通常做法是提升用于聚氨酯部件的脱模剂（MRA）的总体效果。那种仅仅以脱模剂为成型部件脱模的方法已经不适用了。现在很多生产商要求脱模剂能在鞋底生产的总体效能和鞋底最后外观中能发挥重要作用。
        本文将介绍Chem-Trend公司应用于聚氨酯鞋类的脱模剂技术是怎样提高生产效能的。同时说明这些技术是怎样满足各种不同需求的，而这些需求是由在制鞋行业里使用各种不同材料引起的。
         
        概述
        聚氨酯鞋底部件的生产通常从在模具的表面使用脱模剂开始。模具表面一般由金属（铝）和一些环氧树脂模具制成。应保证模具表面能被脱模剂均匀覆盖，尤其是模具和液态聚氨酯直接接触的地方。这是非常重要的。如果脱模剂薄膜上有缺陷，与聚氨酯反应的异氰酸酯就有可能与模具表面活跃的氢元素反应。此反应会导致聚氨酯部件与模具表面发生化学粘合。如果对脱模剂薄膜的使用不恰当，液态聚氨酯的成分就是其最大威胁，有可能会导致薄膜穿孔。除了避免脱模剂与部件粘合之外，脱模剂应在制模前使用，如果没有按此操作，会导致模具内的聚氨酯快速沉积，并使部件的外观难以接受，后成型的必需工序也无法完成。
        鞋底制造业中大多数用来脱模的化学品是由活性脱模物质的混合物构成，能够满足特殊客户的需求。一般来说，脱模化学品的配方包括阻隔料、活络成分、消光成分和效果添加剂。脱模剂的阻滞成分意在阻止异氰酸酯和模具表面之间可能发生的化学反应。活络成分用来减轻烘干部件从模具脱离的难度。当我们希望成型部件的表面是均匀的、低光泽度的时候，消光成分就被添加进脱模混合液了。最后，效果添加剂被用来改善或控制诸多影响因素，它们包括控制聚氨酯表层特性，改善脱模剂薄膜的形态和增强生产双密度鞋底时聚氨酯层与层之间的粘合度，但不仅仅只限于这些因素。
        借助诸多技术如擦拭或刷洗，确定脱模剂是否能应用于模具表面。首选的方法是雾状喷射。HVLP（体积大，压力小）和静电的HVLP是制鞋领域里最常用的两种喷射类型。喷雾枪可以手动控制或机器控制。如果程序设计得好，机器控制的喷射设备能喷射出覆盖整个模具的液体量并保持均匀覆盖。如果手控喷射设备，精确度和均匀度就取决于操作者，每轮班和每天的操作都会有差异。因此，手控的喷射技术使脱模剂的固态物质比机控的要少。含固态物少就可以进行更大量的喷射，而不需要过度使用脱模混合液。
         
        聚酯和聚醚
        用于鞋底生产的聚胺酯系统是聚酯或聚醚类多羟基化合物。这两种系统类型有着各自独特的效果特性，而系统选择是由鞋底产品的最终用途决定的。附表描述了两种系统的特性。
        由于聚酯系统在室温下是固态的，其反应一般很快，而在使用前必须加热。聚酯类多羟基化合物要靠升温来保持液态，使得对它的处理要困难一些。由于泡沫系统被加热了，模具温度和烘干时间一般都会减少。不巧的是，用聚酯类多羟基化合物制成的鞋底并不耐水解，且对生物性侵扰（细菌/真菌）很敏感。这些特性最适合款式设计快速变化的鞋类市场，消费者会经常购买新款鞋来与时尚潮流保持一致。
        聚醚类多羟基化合物耐水解且不受温度变化影响。其泡沫系统在室温下呈液态且不需任何特殊的处理技术。对于聚醚类泡沫系统，一般需要更高的温度和更多的处理时间（与聚酯类相比）。用聚醚类泡沫系统制造的鞋底非常适合对耐用性要求高的市场。
        Chem-Trend脱模剂是专门为聚酯或聚醚泡沫系统的使用而量身定做的。因为反应速度快，聚酯系统需要脱模剂的阻滞成分含量少、活络成分含量高。而聚醚的反应慢，在灌注/注射已经完成后，聚醚泡沫系统会在模具表面保持液态，耗时相对多几秒。液态阶段的聚醚对模具表面的反应活性非常高，需要含阻滞效果的脱模产品来阻止此反应的发生进而阻止聚醚与模具表面的粘合。
         

图1

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        制鞋技术
        区分制鞋的不同技术需基于几种类型，本文将介绍4种，即：单密度单底、双密度单底、单密度连帮和双密度连帮。如何为每一种类型选择合适的脱模剂，下面会做出解答。
        对于单密度单底，聚胺酯泡沫系统被直接灌注于模具腔（开放式灌注），其上方有盖子封闭。烘干环节完成之后，移除盖子，对成型部件脱模。然后，单密度单底就和鞋面材料粘合起来，制鞋过程就完成了。在很多情况下，单密度单底会经过某种后成型处理以获得期望的部件外观。此类处理对脱模剂的基本要求包括脱模效果、在模腔内的沉积少以及不影响后成型处理和最后制鞋工序。
        在同样的制模工序中把中底和外底粘合起来就形成了双密度单底。外底泡沫被灌注于模具腔，采用模拟鞋楦头封住模具。模拟鞋楦头是一种临时的盖子，用来封盖模具腔，使外底的厚度适中，同时也在模具腔里为部件的中底留下了空间。在外底的烘干环节后期，移除模拟鞋楦头，接下来中底泡沫被倾注到外底后部。这时用一个新盖子封住模具，然后完成第二个烘干环节。制模的鞋底会经过后制模操作，然后如上所述那样与鞋面粘合来完成制鞋工序。脱模剂对双密度单底的要求和对单密度单底的相似，只有一点很不相同。脱模剂必须应用于模拟鞋楦头上以便将其与外底分开。因此脱模剂就能被转移到外底，但是它一定不要影响外底和中底泡沫层之间的粘合。
        顾名思义，连帮式工艺是将鞋底与帮面材料直接制模，这样就省去了粘合或缝合的需要，可以直接制成鞋。连帮要求鞋面一定由模具顶部固定，然后将聚胺酯系统注射入模具腔。对于双密度连帮工序，先用模拟的鞋楦头给外底制模，在中底注射之前，鞋面被固定进模具，连帮式工艺产生的废料必须小心处理，不然就有可能废了整只鞋。 即使不影响鞋面，在连帮式单底上完成最后的后成型工序也是非常困难的。基于这些原因，脱模剂的选择至关重要。连帮底脱模剂必须生产出无瑕疵的聚氨酯部件，同时保证外观有均匀的光泽度。光泽标准由制造商定义，但是覆盖范围广，从低（亚光的）到高（光亮的）。连帮式脱模剂的其它重要效果属性包括脱模性、在模具腔里的沉积度低和双密度粘合。
         
        影响后成型特征的要素
        要评价聚氨酯鞋底部件的后成型特性，必须考虑到几个要素。这些要素中的每一个都会对部件外观产生影响，但只有几种要素同时作用才能达到预期的效果。这一节里将列出影响部件外观的要素中的几种，同时会对脱模剂在实现这些性能中的作用进行评价。
         

图2

        多孔性
        表层多孔性可以定义为聚氨酯部件外表层存在多个微孔的特性。表面多孔性的存在并非总是能够被裸眼观察到。表面多孔可由不适当的生产条件如模具温度低、泡沫混合不合比例、或过度使用脱模剂。脱模剂的构成不当，同样会导致多孔问题。在某些情况下，即使有理想化的生产条件，多孔情况也可能会发生，这就需要含有化学添加剂的脱模剂来改善聚氨酯部件的表层结构。这种情况多见于聚醚类泡沫系统。
        尽管可见的多孔情况属于不可接受的表面外观，显微镜下的多孔情况（裸眼不可见）却可以成为生产效果的优势。显微镜显示的多孔结构使涂料或粘合剂能与烘干的聚氨酯表面达到强力的机械性黏合。这对于后成型的喷漆工序是有利的，因为增强了双密度层之间的粘合力，同时对部件与后成型的鞋面材料粘合也是有利的。
         
        涂覆性能
        涂覆性能最适合用来描述成型的聚氨酯部件能被喷涂的性能，以便达到最终的外观效果，而这在制模工序中是无法实现的。影响成型部件涂覆性能的关键是清洗步骤、部件表面的多孔情况以及涂料和/或脱模剂的构成。当聚氨酯部件从模具腔中移出之后，一些脱模剂会残留在部件上。如果处理不当，残留的脱模剂会影响部件的涂覆性能。因此，脱模剂的配方会考虑到如何改良其水洗性。这可以通过增加效果添加剂来实现，在清洗过程中，这种效果添加剂可以提高脱模剂残留物的兼容性。
        如上所述，聚氨酯部件表层多孔结构对涂覆能力有着重要影响。为了能和部件表面粘合，涂料也必须有粘合能力。表面多孔结构给涂料附着在部件表面提供了必需的固定点。如果没有多孔结构，可以在涂料中加入能软化聚氨酯的溶剂或在喷漆之前涂在部件上。即使如此，仍然必须清除残留的脱模剂。从部件表面完全清除脱模剂是可能的，但是，由于没有多孔结构，仍然会出现涂料粘附问题。另一方面，如果微孔太多，则会在已干涂料薄膜上出现针眼式的瑕疵。
        最后一个影响涂覆性能的是部件从模具里移出到开始涂覆之间所需的时间。当聚氨酯部件从制模工序中移除的时候，泡沫未被完全烘干，这就意味着在部件表面还残留有可以反应的聚氨酯。因此，一个已经成型的聚氨酯部件在后成型将继续被烘干。如果喷漆工序在部件完全被烘干前进行，涂料就有可能在部件表面与没有被烘干的聚氨酯起化学反应并粘合在一起。需要注意的是，涂料与部件表面发生的化学性粘合取决于涂料的成分，并不是所有的涂料都会起反应。
        使用脱模剂时，改进生产的最重要的潜力在于能够生产出预期的最终鞋底外观，而不需任何后续工序。在很多情况下，鞋底会被喷漆以期达到某种特定的效果。如上所述，喷漆过程不仅仅包括涂料使用，还包括一个必须的步骤—清除附着在部件表面多余的脱模剂。Chem-Trend 已经成功地研制出了这种脱模剂化学产品，这使得部件从模具中出来就能满足特殊的外观规格，从而省去了后成型的工序。
        光泽度
        光泽是用来描述部件表面的闪光度或光泽度的，并能用一台小型手动装置测量，该装置叫做表面反射性测量器。在制模过程中，部件上残留的脱模剂对其外观光泽度有很大影响。控制成型部件光泽度的脱模剂总是含有消光成分。最常用的消光成分是石蜡。必须仔细选择石蜡消光剂来保证它们能不费力地应用于模具表面，这样它们就能使成品有均匀的外观。尽管石蜡是最好的消光剂，它们也会带来一些问题。最严重的问题是模具腔内的沉积物和对模具的过度喷射。当模具腔内的沉积物增加时，由于颗粒变得不清晰，被测量过的成型部件的光泽度也会增加（这一点会在下文谈到）。这会引起部件的外观不一，那么就需要时常对模具进行清洗来保持预期的光泽效果。
        Chem-Trend生产的最新用于聚氨酯鞋类的脱模剂技术使用了消光剂混合物里所有的液态成分。和石蜡类产品相比，这些液态成分已经被证明可以达到同样的低光泽度效果，也没有上述的那种沉积问题。正因为它们是液态，消光剂可以被均匀地涂到成型部件上，以达到更均匀一致的外观效果。这些脱模剂产品的沉积度低，这样就延长了清理模具的时间间隔，同时也保证了充足的光泽度测量时间，从第一个到最后一个。
         
        颗粒清晰度
        聚氨酯鞋底组件的成品外观能够被颗粒所呈现的图案所修饰。颗粒图案被溶入了模具表面，并被转移到每一个成型的部件。当模具表面随着时间的推移而变脏时，沉积物很有可能会影响成型部件上颗粒的清晰度，在某些极端情况下，颗粒图案甚至完全被磨掉。这样的话，脱模剂能防止沉积物在模具表面的聚集就很重要了，这可以保证保持预期的颗粒图案。
        模具腔里的沉积物有两个来源，且都和脱模剂的构成有关。第一个来源是聚氨酯。如果脱模剂没能有效阻止模具表面与聚氨酯的反应，脱模剂的薄膜就会穿孔，聚氨酯也就会直接粘附在模具表面。模具腔里沉积物可能的第二个来源是石蜡。脱模剂里添加石蜡通常是为了降低成型部件的光泽度。尽管石蜡是有效降低光泽度的添加剂，它们也会在模具表面迅速沉积。如前所述，Chem-Trend为需要低光泽度的生产线提供了一系列不含石蜡的脱模剂产品。已经被证实，这些产品在模具上的沉积少，保证了在模具清理环节之间每个部件都有一致的颗粒图案。
         
        结论
        制鞋工业涵盖了非常广泛的产品群和各种制造技术。尽管有各种方式生产出成品，有一点是不变的，对于脱模剂技术的需求，这种技术能有效地利用制鞋业的各种要素，以满足消费者日益增长的需求。在很多情况下，脱模化学品给生产流程带来的诸多益处已经超出了“脱模剂”这个术语所能涵盖的范围。本文介绍了脱模剂对成型聚氨酯鞋类组件的外观特征的作用。此外，还说明了配方合适的脱模剂对于提高生产效率益处多多。
         
        *本文在美国2006聚氨酯技术大会上发表并获该会鞋业类别论文奖项
         
        本文作者简介：
        Christopher Surato是化学师，先后在在密歇根州大学获得化学学士与管理学硕士学位。他于1999年加入Chem-Trend L.P.公司，现在在该公司的聚氨脂干性脱模剂实验室工作，他负责脱模剂（MRA）产品的开发与研究，以及该公司在制鞋领域应用的脱模剂产品的全球的技术支持工作。
        Alexis Schweikert是Chem-Trend Deutschland GmbH的开发应用工程师，拥有超过14年的鞋业应用脱模剂配方设计经验，他负责该公司的新产品配方设计以及该公司欧洲客户的产品技术支持服务工作。
         
        附表：聚醚类系统和聚酯类聚氨酯系统之物理属性和效果特征的比较
         聚醚 聚酯
        系统类型 双组分 三组分
        室温下的物理形态 液态 固态
        密度 450-1100 kg/m3 450-1200 kg/m3
        硬度 45-75 Sh. A 45-75 Sh. A
        抗弯曲疲劳性 优 优
        冷弯曲性 优 差
        耐磨耗性能 差 一般
        水解稳定性 优 差*
        抗微生物侵扰性能 优 一般*
        油和燃料的溶胀性 差** 优
        * 可用添加剂调节；** 取决于密度
         
        图1、泡沫表面放大显示的不可接受的表面多孔情形
         
        图2、泡沫表面放大显示的可接受的表面多孔情形