一種安全防護用鞋頭及其製造方法
2023-05-02 01:33:56
專利名稱：一種安全防護用鞋頭及其製造方法
技術領域：
本發明涉及軍工及勞保安全防護用鞋頭及其製造方法。其中，鞋頭或皮鞋包頭是用在足部的穿戴物中，用於從結構上局部加強鞋子的鞋尖，從而提高鞋子的安全性。
背景技術：
為防止腳尖受到意外的強烈撞擊而受傷，最初的安全鞋頭使用中有用鋼製成的鞋頭，然而，使用鋼製成的安全防護鞋頭，將增加防護鞋頭的重量，增加人的活動負荷。同時，對於特種部隊來講，鋼製安全鞋頭將不能通過磁場的安全檢測，將對活動造成妨礙，出於這個原因，目前已開發出由以玻璃纖維之類的加強纖維增強的熱固和熱塑性樹脂製成的鞋頭，從而以此來減輕防護鞋的重量，同時，對特種部隊來講，能順利通過特殊場所的安檢。
由於用非環保的熱固性樹脂製成的鞋頭或者皮鞋包頭將面臨著環境汙染的指控，因此，熱塑性樹脂作為安全鞋頭的材料正在開發當中，是今後的趨勢所在。
最初用熱塑性樹脂複合材料作為該類鞋頭的製作材料，是將含有加強纖維的熱塑性樹脂製成片材，再由片材模壓製成鞋頭的。具體來講，是將含有加強纖維的熱塑性樹脂的片材根據鞋頭被切成梯形的形狀並進行稱量。此時，很難將片材切成固定的重量。因此，為調節切出的片材的重量，通常將一片適當形狀的片件運用到片材上的適當位置處，並例如通過遠紅外加熱爐對形成的片材進行加熱，使材料熔融軟化。如圖1所示，將處於軟化狀態下的片材10放置到一個成形模具或工具11b的凹穴12內，在施加壓力和熱量的情況下進行壓縮模製而成鞋頭。
由上述方法成型將造成如下問題(1)由於成片狀的材料必須再次通過熔融來進行增塑處理，因此材料趨向於氧化和熱劣化；(2)當片材經過切割及熱熔作用之後進給到一成型模具中時，它必須被強制彎曲以放置到模具內。因此很難實現自動化及合理化；(3)使用片材來對片材進行重量調節會導致這樣一些問題，如在形成的物品產生焊縫或鞋頭的強度下降或變化。
為解決上述問題，專利02129732.0述及一種防護鞋頭的製備方法。
該專利所述及的一種防護鞋頭的製備方法是在一擬成形模具內放置長纖維加強型熱塑性樹脂的纖維顆粒材料，在施加熱量的情況下擠壓所述纖維顆粒材料以初步形成一擬鞋頭1，見圖2。將形成的擬鞋頭放置到用於形成防護鞋鞋頭的模具內的一個位置中，見圖3，並且向所述擬鞋頭施加壓力及熱量以壓縮模製防護鞋的鞋頭見圖4。
該專利所述及的方法及其所製備的鞋頭存在以下不足(1)長纖維在鞋頭中沒有取向，各處強度大致均勻，但是防護鞋頭，尤其是軍用鞋頭對於鞋頭頂部位置的強度和衝擊性能要求很高，該方法製備的鞋頭難以滿足高標準鞋頭對性能的要求；(2)由於長纖維自動稱量被直接送入擬鞋頭模具中，不適合製備局部加強鞋頭；(3)由於纖維取向各向同性，又不適合採用局部加強的方式，所以製備相同性能標準的鞋頭，所需要的玻纖體積含量較高，無形中增加了鞋頭的重量；(4)與前述方法一樣，該專利所述方法同樣採用了二次加熱，沒有解決材料趨向於氧化和熱劣化的問題，也同樣存在浪費能源的現象；(5)該方法要對鞋頭模具加熱至將擬鞋頭熔融，因此，需要將模具再次冷卻，鞋頭方可以成型，這樣將影響生產效率，同時造成能源浪費。
發明內容
本發明的一個目的是提供一種更高性能的安全防護用鞋頭。採用這種鞋頭的安全防護鞋可以避免上述問題，纖維含量及各類增強物合理分布，局部區域性能更高，滿足更高安全性能的要求，同時使其重量更輕。
本發明的另一個目的是提供一種安全防護用鞋頭的生產方法。這種方法可以解決上述那些諸如浪費能源，不能局部加強等問題，從而生產出更高強度的防護鞋用的鞋頭。
本發明的目的可以通過以下技術方案來實現一種安全防護用鞋頭，其特徵在於，該鞋頭由長纖維增強熱塑性樹脂和纖維布壓制而成，鞋頭頂部用纖維布作局部增強和包裹，鞋頭的纖維重量含量在25～70％之間。
所述的長纖維為玻璃纖維或碳纖維。
所述的熱塑性樹脂為聚丙烯、尼龍、聚對苯二甲酸乙二酯(PET)、聚碳酸酯的一種或幾種。
所述的長纖維長度大於20mm，其最大長度等於鞋頭寬度。
所述的長纖維長度大於20mm，小於鞋頭外形尺寸時呈無序排列，而其尺寸與鞋頭尺寸相仿時，呈單向連續或正交或呈一定角度交織連續排列。
所述的纖維布是玻璃纖維布、碳纖維、聚丙烯纖維布或者聚醯胺纖維布的一種或幾種。
一種上述安全防護用鞋頭的生產方法，其特徵在於，將長纖維顆粒料和起增強或包裹作用的纖維布，在加熱器內熔融之後製成板材，再將板材切割成多塊小板，將小板加熱熔融之後，置於鞋頭模具中，壓製成型鞋頭。
所述的板材是將長纖維顆粒料和纖維布鋪層，在1到5MPa壓力下、180～280℃的溫度下成型的。
所述的加熱器的加熱方式可以是電阻熱空氣循環，但優先選擇加熱效率高的遠紅外加熱方式。
本發明提供了一種安全防護鞋用的鞋頭，該鞋頭是以連續/長纖維增強熱塑性樹脂製成的，該熱塑性樹脂也可以是通過玻璃纖維布或者聚合物纖維布局部加強或者包裹的板材。
在本發明的一個較佳實施例中，製備鞋頭的纖維板材是三層正交連續纖維增強的熱塑性樹脂板材，鞋頭的頂部使用300tex的纖維布局部增強，鞋頭中纖維含量為65％，該鞋頭重量輕，表現出極高的強度。
本發明還提供了一種用於製備高強度安全防護鞋頭的材料的製備方法。該製備方法是，先將長纖維顆粒料均勻放置在一鐵板上，連同鐵板一起通過一加熱器，比如遠紅外加熱箱，該加熱箱最好帶有鏈條傳輸裝置，通過調節加熱器箱體內的溫度，一般在180～280℃之間，以及物料的傳輸速度，使物料從加熱器另一頭出來的時候正好均勻熔融，然後將物料連同鐵板一起放到板材成型模具中冷壓成型。
在該方法的一個較佳實施例中，長纖維顆粒料長度75mm以上，直至可以和板材的長度和寬度一樣長。將長纖維顆粒料正交平鋪至少三層，在上下兩個表面再鋪上局部加強用的300tex玻璃纖維布，用上述方法即可成型板材。板材的纖維重量含量為25～70％，板材的厚度為2～8mm。然後再按照一定的重量需求，將板材切割成小塊板材，用於成型鞋頭。
本發明還提供了一種用於生產防護鞋用鞋頭的方法，該方法的特點在於包括將切割完且具有一定質量的小塊板材放置於加熱器箱體內，該加熱箱最好帶有鏈條傳輸裝置。讓小板材以一定的速度通過加熱器，使之完全熔融。然後用人工或者機械手將完全熔融的小板材放置到鞋頭成型的模腔中，模芯往下運動，對板材施以一定的壓力，最終成型鞋頭。
在該方法的一個較佳實施例中，先製備長度和寬度都為150mm的板材，長纖維顆粒料長度與板材的長度和寬度一樣，即以連續纖維的形態存在，在板材的上下表面有起局部加強作用的玻璃纖維布，將板材切割成重量約75克的小板材。再將小板材放置於一帶有鏈條傳輸裝置的遠紅外加熱器內，遠紅外加熱器的溫度可以在220～270℃之間調節，小板材以一定的速度通過加熱器，使之完全熔融。然後用機械手將完全熔融的小板材放置到鞋頭成型的模腔裡，模具溫度在40～120℃之間。模芯往下運動，對板材施以40MPa的壓力，2min後冷卻定型，取出後經過簡單的修理，得到最終的鞋頭。
與現有技術相比，本發明安全防護用鞋頭纖維含量及各類增強物合理分布，局部區域性能更高，滿足更高安全性能的要求，同時使其重量更輕，這種鞋頭能滿足加拿大、美國和歐洲對安全鞋頭的最高標準；同時，本發明方法可以解決上述諸如浪費能源，不能局部加強等問題，從而生產出更高強度的防護鞋用的鞋頭。
圖1為示意性說明使用模製片材來形成鞋頭的傳統步驟的實例的一局部剖視圖，其中示出的是壓縮模製之前的情況；圖2為示意性說明可以用在本發明中的擬鞋頭的實例的立體圖；圖3為示意性說明用於形成此前專利中描述的擬鞋頭的一個步驟的實例的局部剖視圖，其中示出的是在壓縮模製之前的情況；圖4為示意性說明用於在壓縮模製時形成本發明的鞋頭的一個步驟的實例的局剖剖視圖；圖5為示意性說明長纖維顆粒料製備的連續纖維增強的板材；圖6為示意性說明帶有鏈條傳輸裝置的遠紅外加熱裝置。
具體實施例方式
本發明的安全防護鞋的鞋頭是由連續/長纖維加強型熱塑性樹脂製成的，在生產鞋頭的一種較佳方法中，基本特徵包括將一定長度的長纖維顆粒料製成有單向連續纖維增強或者還有玻璃纖維布局部增強的板材；將板材加熱到熔融的程度；將得到的熔融的板材放置到鞋頭成型模具中；對熔融物料施加一定的壓力，從而壓縮模製成安全防護鞋頭。
具體來說，用於生產根據本發明的鞋頭的方法的第一特徵基於這樣一個實際情況，此前使用的長纖維粒料直接做成的擬鞋頭，或者此前使用片材成型的鞋頭在性能上都不能滿足安全性要求高的鞋頭。本發明所描述的方法中長纖維顆粒料須先製成板材，纖維的長度可以與板材的長度和寬度一樣，且平行正交排列，在板材的上下表面可以有局部增強作用或用來包裹防玻纖外露的聚合物纖維布，這樣的板材可以滿足更高性能的要求。
第二特徵基於這樣一個實際情況，與此前的普通片材模壓成鞋頭及顆粒料先成型擬鞋頭，再模壓成鞋頭不一樣，將熔融的小板材直接放到模具中成型鞋頭，可以避免熔融接縫及形成擬鞋頭用的模具費用。
在傳統的方法中，片材的增塑一般是通過使用一種遠紅外線系統裝置實現的，為了對材料進行增塑處理，這種遠紅外線系統裝置會大大增加生產成本並花費大量時間。為解決上述問題，專利02129732.0採用長纖維加強型熱塑性樹脂的纖維顆粒料，因其較薄，所以可以在較短時間內在擬鞋頭模具中直接加熱增塑處理，但是該專利由此帶來諸如要增加生產效率就必須做許多擬鞋頭模具，而且直接將纖維置於擬鞋頭中模壓，纖維處於無序狀態，沒有局部加強等問題。
在本發明所描述的方法中，小板材的熔融處理是放在帶有鏈條循環傳輸裝置的遠紅外加熱箱體內的，這樣的連續加熱方式大大提高了生產效率，降低了設備的製造費用，更重要的是能製造更高安全性要求的防護鞋。這種方法製備的防護鞋頭不僅能滿足JIS(日本工業標準)T8101中各級別防護鞋頭的安全性要求，還能滿足有更高要求的加拿大、美國和歐洲對各級別防護鞋的安全性要求。
以下將參照附圖對本發明進行詳細描述。
在根據本發明的用於安全防護鞋的鞋頭的生產中，如下文所要描述的，首先根據安全鞋頭對安全性要求的級別，確定長纖維加強型熱塑性樹脂顆粒料的長度。如果是JIS標準級別的，則確保長纖維顆粒料的長度在20mm以上，如果是加拿大或者美國標準則使長纖維顆粒料的長度與所要製得的板材尺寸一樣，及製得連續纖維增強的板材，如果安全防護鞋頭是歐洲標準中最高級別的，則在板材的上下兩個表面再加上一層玻璃纖維布，起局部增強作用。纖維板材的厚度一般在2～8mm，具體厚度根據鞋頭安全級別來確定，一般地，安全級別越高，板材所需厚度越厚。圖5是連續纖維增強但沒有局部增強的纖維板。
然後，根據鞋頭所需重量，將板材切割成一定重量的小板2。將小板放在有鏈條傳輸裝置3的加熱器4內，該加熱器可以是循環熱空氣或者遠紅外線加熱器。加熱器的溫度在180～280℃之間，鏈條的傳輸速度根據板材的厚度及加熱器的溫度進行調整，使小板達到完全熔融的程度。圖6是放有小板的帶有鏈條傳輸裝置的遠紅外加熱器。
在將小板加熱熔融之後，用人工或者機械手將小板放到鞋頭壓縮模具中，如圖1所示。模芯13往下運動，並給熔融小板施以25～120MPa的壓強，使之最終成型，如圖4所示，圖中15是頂出用推桿。
以下將列舉一些實施例，在實施例中，防護鞋頭是使用本發明的長纖維加強型熱塑性樹脂的纖維顆粒製備的，並且這些實施例證實了由得到的鞋頭證明的包括強度和其它特徵在內的物理特性。
實施例1先在不鏽鋼板上鋪上一層300tex的玻璃纖維布，然後將長度為150mm直徑約2mm的玻璃纖維加強型聚丙烯樹脂顆粒料(採用傑事傑公司生產的LFT粒料，纖維重量含量65％)，正交平鋪三層，再在上面鋪一層300tex的玻璃纖維布。將鋪好的物料連同不鏽鋼板放到長度約2m的帶有鏈條傳輸裝置的溫度為220℃的遠紅外加熱箱內，傳輸速度為2m/min。然後，將熔融好的物料放到50噸的平板壓機的平板模具內，施以25MPa的壓強，1min後取出成型的板材，該板材尺寸為150mm×150mm×5mm。
將上述成型好的板材用衝板機一次性切割成四塊75mm×75mm×5mm的小板，將小板放到與上述遠紅外加熱器相類似的加熱傳輸裝置內加熱熔融，然後用機械手將四塊熔融好的小板放到一出四模的模具中，並且以80MPa的壓強在100℃下進行壓縮模製，生產出鞋頭。
實施例2先在不鏽鋼板上鋪上一層碳纖維布，然後將長度為100mm直徑約2mm的玻璃纖維加強型聚丙烯樹脂材料料(採用傑事傑公司生產的LFT產品，纖維重量含量65％)，正交平鋪三層，再在上面鋪一層碳纖維布。將鋪好的物料連同不鏽鋼板放到長度約2m的帶有鏈條傳輸裝置的溫度為220℃的遠紅外加熱箱內，傳輸速度為2m/min。然後，將熔融好的物料放到50噸的平板壓機的平板模具內，施以25MPa的壓強，1min後取出成型的板材。
將上述成型好的板材用衝板機一次性切割成四塊75mm×75mm×5mm的小板，將小板放到與上述遠紅外加熱器相類似的加熱傳輸裝置內加熱熔融，然後用機械手將四塊熔融好的小板放到一出四模的模具中，並且以80MPa的壓強在100℃下進行壓縮模製，生產出鞋頭。
實施例3先在不鏽鋼板上鋪上一層300tex的玻璃纖維布，然後將長度為80mm直徑約2mm的碳纖維加強型尼龍6樹脂顆粒料(採用傑事傑公司LFT，纖維重量含量50％)，正交平鋪三層，再在上面鋪一層300tex的玻璃纖維布。將鋪好的物料連同不鏽鋼板放到長度約2m的帶有鏈條傳輸裝置的溫度為270℃的遠紅外加熱箱內，傳輸速度為2m/min。然後，將熔融好的物料放到50噸的平板壓機的平板模具內，施以30MPa的壓強，2min後取出成型的板材。
將上述成型好的板材用衝板機切割成75mm×75mm×5mm的小板，將小板放到與上述遠紅外加熱器相類似的加熱傳輸裝置內加熱熔融，然後用機械手將四塊熔融好的小板放到一出四模的模具中，並且以90MPa的壓強在260℃下進行壓縮模製，生產出鞋頭。
實施例4先在不鏽鋼板上鋪上一層300tex的玻璃纖維布，然後將長度為120mm直徑約3mm的玻璃纖維加強型尼龍6樹脂顆粒料(採用傑事傑公司生產的LFT粒料，纖維重量含量45％)，正交平鋪三層，再在上面鋪一層300tex的玻璃纖維布。將鋪好的物料連同不鏽鋼板放到長度約2m的帶有鏈條傳輸裝置的溫度為270℃的遠紅外加熱箱內，傳輸速度為2m/min。然後，將熔融好的物料放到50噸的平板壓機的平板模具內，施以30MPa的壓強，2min後取出成型的板材。
將上述成型好的板材用衝板機切割成70mm×70mm×5mm的小板，將小板放到與上述遠紅外加熱器相類似的加熱傳輸裝置內加熱熔融，然後用機械手將四塊熔融好的小板放到一出四模的模具中，並且以80MPa的壓強在100℃下進行壓縮模製，生產出鞋頭。
比較實施例1對長度切成20mm的直徑約2mm長纖維加強型熱塑性聚丙烯樹脂，纖維重量含量50％，通過使這些顆粒在擬成形的模具中加熱而進行增塑處理(在壓強為4MPa，溫度為210℃的條件下持續1分鐘)，以初步製備一個具有彎曲部分的擬鞋頭。而後，將所得到的擬鞋頭放入一鞋頭成型模具內，並且在40MPa的壓力下以135℃進行壓縮模製，從而生產出鞋頭。
比較實施例2通過使用由玻璃纖維加強的熱塑樹脂製成的厚度為3.3mm的梯形片材，其中該熱塑樹脂在聚丙烯內含有體積佔46％的長度為20mm的玻璃纖維，以傳統的片材成形技術來製作鞋頭(熔融軟化約350℃持續三分鐘，壓縮模製1200kg/cm2，120℃)。
而後，根據對於皮革製成的、S級的防護鞋的HS T8101中規定的方法，當趾尖處的間隙高度被壓縮到22mm時，對以上述方法成形鞋頭進行壓縮負載的測試(JIS中說明的標準為1020kg)。
表1 中給出了四個實施例和兩個比較實施例的測試結果。
表1
從表1所示的結果可以清晰地看到，比較實施例中獲得的鞋頭表現出的強度較低。而由本發明的方法獲得的鞋頭則呈現出不分散的穩定的高壓縮負載。
儘管此處揭示了特定的實施例和比較實施例，但在不脫離本發明精神和實質特徵的前提下，本發明還可以實施成其它特定的形式。因此，所述的實施例和比較實施例在所有方面被認為僅是說明性的而不是限制性的，本發明的保護範圍將由權利要求書界定，而不是由上述說明指出，因此，所有落入權利要求書的等效概念的意義和範圍內的變化都將被包括在本發明的保護範圍中。
權利要求
1.一種安全防護用鞋頭，其特徵在於，該鞋頭由長纖維增強熱塑性樹脂和纖維布壓制而成，鞋頭頂部用纖維布作局部增強和包裹，鞋頭的纖維重量含量在25～70％之間。
2.根據權利要求1所述的一種安全防護用鞋頭，其特徵在於，所述的長纖維為玻璃纖維或碳纖維。
3.根據權利要求1所述的一種安全防護用鞋頭，其特徵在於，所述的熱塑性樹脂為聚丙烯、尼龍、聚對苯二甲酸乙二酯(PET)、聚碳酸酯的一種或幾種。
4.根據權利要求1或2所述的一種安全防護用鞋頭，其特徵在於，所述的長纖維長度大於20mm，其最大長度等於鞋頭寬度。
5.根據權利要求1所述的一種安全防護用鞋頭，其特徵在於，所述的長纖維長度大於20mm，小於鞋頭外形尺寸時呈無序排列，而其尺寸與鞋頭尺寸相仿時，呈單向連續或正交或呈一定角度交織連續排列。
6.根據權利要求1所述的一種安全防護用鞋頭，其特徵在於，所述的纖維布是玻璃纖維布、碳纖維、聚丙烯纖維布或者聚醯胺纖維布的一種或幾種。
7.一種權利要求1所述的安全防護用鞋頭的生產方法，其特徵在於，將長纖維顆粒料和起增強或包裹作用的纖維布，在加熱器內熔融之後製成板材，再將板材切割成多塊小板，將小板加熱熔融之後，置於鞋頭模具中，壓製成型鞋頭。
8.根據權利要求7所述的一種安全防護用鞋頭的生產方法，其特徵在於，所述的板材是將長纖維顆粒料和纖維布鋪層，在1到5MPa壓力下、180～280℃的溫度下成型的。
9.根據權利要求7或8所述的一種安全防護用鞋頭的生產方法，其特徵在於，所述的加熱器的加熱方式可以是電阻熱空氣循環，但優先選擇加熱效率高的遠紅外加熱方式。
全文摘要
本發明涉及一種安全防護用鞋頭及其製造方法，該鞋頭由長纖維增強熱塑性樹脂和纖維布壓制而成，鞋頭頂部用纖維布作局部增強和包裹，鞋頭的纖維重量含量在25～70％之間；該方法包括先將顆粒料製成小板，然後將小板置於加熱器內加熱至熔融，再將小板移至溫度為40～120℃的模具中，在一定壓力下模壓製成鞋頭。與現有技術相比，本發明鞋頭纖維含量及各類增強物合理分布，局部區域性能更高，能滿足更高安全性能的要求，同時使其重量更輕。
文檔編號A43B23/16GK1989862SQ20051011239
公開日2007年7月4日 申請日期2005年12月30日 優先權日2005年12月30日
發明者郭惠玲, 李滿成, 楊桂生 申請人:上海傑事傑新材料股份有限公司