專利名稱：一種安全防護用鞋頭及其制造方法
技術領域：
本發(fā)明涉及軍工及勞保安全防護用鞋頭及其制造方法。其中，鞋頭或皮鞋包頭是用在足部的穿戴物中，用于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制成的鞋頭，然而，使用鋼制成的安全防護鞋頭，將增加防護鞋頭的重量，增加人的活動負荷。同時，對于特種部隊來講，鋼制安全鞋頭將不能通過磁場的安全檢測，將對活動造成妨礙，出于這個原因，目前已開發(fā)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制成的鞋頭，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。
由于用非環(huán)保的熱固性樹脂制成的鞋頭或者皮鞋包頭將面臨著環(huán)境污染的指控，因此，熱塑性樹脂作為安全鞋頭的材料正在開發(fā)當中，是今后的趨勢所在。
最初用熱塑性樹脂復合材料作為該類鞋頭的制作材料，是將含有加強纖維的熱塑性樹脂制成片材，再由片材模壓制成鞋頭的。具體來講，是將含有加強纖維的熱塑性樹脂的片材根據(jù)鞋頭被切成梯形的形狀并進行稱量。此時，很難將片材切成固定的重量。因此，為調(diào)節(jié)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，并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，將處于軟化狀態(tài)下的片材10放置到一個成形模具或工具11b的凹穴12內(nèi)，在施加壓力和熱量的情況下進行壓縮模制而成鞋頭。
由上述方法成型將造成如下問題(1)由于成片狀的材料必須再次通過熔融來進行增塑處理，因此材料趨向于氧化和熱劣化；(2)當片材經(jīng)過切割及熱熔作用之后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(nèi)。因此很難實現(xiàn)自動化及合理化；(3)使用片材來對片材進行重量調(diào)節(jié)會導致這樣一些問題，如在形成的物品產(chǎn)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制備方法。
該專利所述及的一種防護鞋頭的制備方法是在一擬成形模具內(nèi)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于形成防護鞋鞋頭的模具內(nèi)的一個位置中，見圖3，并且向所述擬鞋頭施加壓力及熱量以壓縮模制防護鞋的鞋頭見圖4。
該專利所述及的方法及其所制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，尤其是軍用鞋頭對于鞋頭頂部位置的強度和沖擊性能要求很高，該方法制備的鞋頭難以滿足高標準鞋頭對性能的要求；(2)由于長纖維自動稱量被直接送入擬鞋頭模具中，不適合制備局部加強鞋頭；(3)由于纖維取向各向同性，又不適合采用局部加強的方式，所以制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采用了二次加熱，沒有解決材料趨向于氧化和熱劣化的問題，也同樣存在浪費能源的現(xiàn)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(chǎn)效率，同時造成能源浪費。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的一個目的是提供一種更高性能的安全防護用鞋頭。采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(qū)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(fā)明的另一個目的是提供一種安全防護用鞋頭的生產(chǎn)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(chǎn)出更高強度的防護鞋用的鞋頭。
本發(fā)明的目的可以通過以下技術方案來實現(xiàn)一種安全防護用鞋頭，其特征在于，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于20mm，其最大長度等于鞋頭寬度。
所述的長纖維長度大于20mm，小于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(xù)或正交或呈一定角度交織連續(xù)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酰胺纖維布的一種或幾種。
一種上述安全防護用鞋頭的生產(chǎn)方法，其特征在于，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(nèi)熔融之后制成板材，再將板材切割成多塊小板，將小板加熱熔融之后，置于鞋頭模具中，壓制成型鞋頭。
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(huán)，但優(yōu)先選擇加熱效率高的遠紅外加熱方式。
本發(fā)明提供了一種安全防護鞋用的鞋頭，該鞋頭是以連續(xù)/長纖維增強熱塑性樹脂制成的，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(fā)明的一個較佳實施例中，制備鞋頭的纖維板材是三層正交連續(xù)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(xiàn)出極高的強度。
本發(fā)明還提供了一種用于制備高強度安全防護鞋頭的材料的制備方法。該制備方法是，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(diào)節(jié)加熱器箱體內(nèi)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，然后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。然后再按照一定的重量需求，將板材切割成小塊板材，用于成型鞋頭。
本發(fā)明還提供了一種用于生產(chǎn)防護鞋用鞋頭的方法，該方法的特點在于包括將切割完且具有一定質(zhì)量的小塊板材放置于加熱器箱體內(nèi)，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。然后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，先制備長度和寬度都為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(xù)纖維的形態(tài)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。再將小板材放置于一帶有鏈條傳輸裝置的遠紅外加熱器內(nèi)，遠紅外加熱器的溫度可以在220～270℃之間調(diào)節(jié)，小板材以一定的速度通過加熱器，使之完全熔融。然后用機械手將完全熔融的小板材放置到鞋頭成型的模腔里，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后冷卻定型，取出后經(jīng)過簡單的修理，得到最終的鞋頭。
與現(xiàn)有技術相比，本發(fā)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(qū)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(fā)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(chǎn)出更高強度的防護鞋用的鞋頭。


圖1為示意性說明使用模制片材來形成鞋頭的傳統(tǒng)步驟的實例的一局部剖視圖，其中示出的是壓縮模制之前的情況；圖2為示意性說明可以用在本發(fā)明中的擬鞋頭的實例的立體圖；圖3為示意性說明用于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制之前的情況；圖4為示意性說明用于在壓縮模制時形成本發(fā)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制備的連續(xù)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(fā)明的安全防護鞋的鞋頭是由連續(xù)/長纖維加強型熱塑性樹脂制成的，在生產(chǎn)鞋頭的一種較佳方法中，基本特征包括將一定長度的長纖維顆粒料制成有單向連續(xù)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，從而壓縮模制成安全防護鞋頭。
具體來說，用于生產(chǎn)根據(jù)本發(fā)明的鞋頭的方法的第一特征基于這樣一個實際情況，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(fā)明所描述的方法中長纖維顆粒料須先制成板材，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。
第二特征基于這樣一個實際情況，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(tǒng)的方法中，片材的增塑一般是通過使用一種遠紅外線系統(tǒng)裝置實現(xiàn)的，為了對材料進行增塑處理，這種遠紅外線系統(tǒng)裝置會大大增加生產(chǎn)成本并花費大量時間。為解決上述問題，專利02129732.0采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(nèi)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(chǎn)效率就必須做許多擬鞋頭模具，而且直接將纖維置于擬鞋頭中模壓，纖維處于無序狀態(tài)，沒有局部加強等問題。
在本發(fā)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(huán)傳輸裝置的遠紅外加熱箱體內(nèi)的，這樣的連續(xù)加熱方式大大提高了生產(chǎn)效率，降低了設備的制造費用，更重要的是能制造更高安全性要求的防護鞋。這種方法制備的防護鞋頭不僅能滿足JIS(日本工業(yè)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(fā)明進行詳細描述。
在根據(jù)本發(fā)明的用于安全防護鞋的鞋頭的生產(chǎn)中，如下文所要描述的，首先根據(jù)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制得的板材尺寸一樣，及制得連續(xù)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(jù)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(xù)纖維增強但沒有局部增強的纖維板。
然后，根據(jù)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(nèi)，該加熱器可以是循環(huán)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(jù)板材的厚度及加熱器的溫度進行調(diào)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后，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，并給熔融小板施以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(fā)明的長纖維加強型熱塑性樹脂的纖維顆粒制備的，并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征在內(nèi)的物理特性。
實施例1先在不銹鋼板上鋪上一層300tex的玻璃纖維布，然后將長度為150mm直徑約2mm的玻璃纖維加強型聚丙烯樹脂顆粒料(采用杰事杰公司生產(chǎn)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銹鋼板放到長度約2m的帶有鏈條傳輸裝置的溫度為220℃的遠紅外加熱箱內(nèi)，傳輸速度為2m/min。然后，將熔融好的物料放到50噸的平板壓機的平板模具內(nèi)，施以25MPa的壓強，1min后取出成型的板材，該板材尺寸為150mm×150mm×5mm。
將上述成型好的板材用沖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(nèi)加熱熔融，然后用機械手將四塊熔融好的小板放到一出四模的模具中，并且以80MPa的壓強在100℃下進行壓縮模制，生產(chǎn)出鞋頭。
實施例2先在不銹鋼板上鋪上一層碳纖維布，然后將長度為100mm直徑約2mm的玻璃纖維加強型聚丙烯樹脂材料料(采用杰事杰公司生產(chǎn)的LFT產(chǎn)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銹鋼板放到長度約2m的帶有鏈條傳輸裝置的溫度為220℃的遠紅外加熱箱內(nèi)，傳輸速度為2m/min。然后，將熔融好的物料放到50噸的平板壓機的平板模具內(nèi)，施以25MPa的壓強，1min后取出成型的板材。
將上述成型好的板材用沖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(nèi)加熱熔融，然后用機械手將四塊熔融好的小板放到一出四模的模具中，并且以80MPa的壓強在100℃下進行壓縮模制，生產(chǎn)出鞋頭。
實施例3先在不銹鋼板上鋪上一層300tex的玻璃纖維布，然后將長度為80mm直徑約2mm的碳纖維加強型尼龍6樹脂顆粒料(采用杰事杰公司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銹鋼板放到長度約2m的帶有鏈條傳輸裝置的溫度為270℃的遠紅外加熱箱內(nèi)，傳輸速度為2m/min。然后，將熔融好的物料放到50噸的平板壓機的平板模具內(nèi)，施以30MPa的壓強，2min后取出成型的板材。
將上述成型好的板材用沖板機切割成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(nèi)加熱熔融，然后用機械手將四塊熔融好的小板放到一出四模的模具中，并且以90MPa的壓強在260℃下進行壓縮模制，生產(chǎn)出鞋頭。
實施例4先在不銹鋼板上鋪上一層300tex的玻璃纖維布，然后將長度為120mm直徑約3mm的玻璃纖維加強型尼龍6樹脂顆粒料(采用杰事杰公司生產(chǎn)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銹鋼板放到長度約2m的帶有鏈條傳輸裝置的溫度為270℃的遠紅外加熱箱內(nèi)，傳輸速度為2m/min。然后，將熔融好的物料放到50噸的平板壓機的平板模具內(nèi)，施以30MPa的壓強，2min后取出成型的板材。
將上述成型好的板材用沖板機切割成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(nèi)加熱熔融，然后用機械手將四塊熔融好的小板放到一出四模的模具中，并且以80MPa的壓強在100℃下進行壓縮模制，生產(chǎn)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(xù)1分鐘)，以初步制備一個具有彎曲部分的擬鞋頭。而后，將所得到的擬鞋頭放入一鞋頭成型模具內(nèi)，并且在40MPa的壓力下以135℃進行壓縮模制，從而生產(chǎn)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制成的厚度為3.3mm的梯形片材，其中該熱塑樹脂在聚丙烯內(nèi)含有體積占46％的長度為20mm的玻璃纖維，以傳統(tǒng)的片材成形技術來制作鞋頭(熔融軟化約350℃持續(xù)三分鐘，壓縮模制1200kg/cm2，120℃)。
而后，根據(jù)對于皮革制成的、S級的防護鞋的HS T8101中規(guī)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(xiàn)出的強度較低。而由本發(fā)明的方法獲得的鞋頭則呈現(xiàn)出不分散的穩(wěn)定的高壓縮負載。
盡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(fā)明精神和實質(zhì)特征的前提下，本發(fā)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(fā)明的保護范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范圍內(nèi)的變化都將被包括在本發(fā)明的保護范圍中。
權利要求
1.一種安全防護用鞋頭，其特征在于，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(jù)權利要求1所述的一種安全防護用鞋頭，其特征在于，所述的長纖維為玻璃纖維或碳纖維。
3.根據(jù)權利要求1所述的一種安全防護用鞋頭，其特征在于，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(jù)權利要求1或2所述的一種安全防護用鞋頭，其特征在于，所述的長纖維長度大于20mm，其最大長度等于鞋頭寬度。
5.根據(jù)權利要求1所述的一種安全防護用鞋頭，其特征在于，所述的長纖維長度大于20mm，小于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(xù)或正交或呈一定角度交織連續(xù)排列。
6.根據(jù)權利要求1所述的一種安全防護用鞋頭，其特征在于，所述的纖維布是玻璃纖維布、碳纖維、聚丙烯纖維布或者聚酰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(chǎn)方法，其特征在于，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(nèi)熔融之后制成板材，再將板材切割成多塊小板，將小板加熱熔融之后，置于鞋頭模具中，壓制成型鞋頭。
8.根據(jù)權利要求7所述的一種安全防護用鞋頭的生產(chǎn)方法，其特征在于，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(jù)權利要求7或8所述的一種安全防護用鞋頭的生產(chǎn)方法，其特征在于，所述的加熱器的加熱方式可以是電阻熱空氣循環(huán)，但優(yōu)先選擇加熱效率高的遠紅外加熱方式。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種安全防護用鞋頭及其制造方法，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制成小板，然后將小板置于加熱器內(nèi)加熱至熔融，再將小板移至溫度為40～120℃的模具中，在一定壓力下模壓制成鞋頭。與現(xiàn)有技術相比，本發(fā)明鞋頭纖維含量及各類增強物合理分布，局部區(qū)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(yōu)先權日2005年12月30日
發(fā)明者郭惠玲, 李滿成, 楊桂生 申請人:上海杰事杰新材料股份有限公司