专利名称：一种安全防护用鞋头及其制造方法
技术领域：
本发明涉及军工及劳保安全防护用鞋头及其制造方法。其中，鞋头或皮鞋包头是用在足部的穿戴物中，用于从结构上局部加强鞋子的鞋尖，从而提高鞋子的安全性。
背景技术：
为防止脚尖受到意外的强烈撞击而受伤，最初的安全鞋头使用中有用钢制成的鞋头，然而，使用钢制成的安全防护鞋头，将增加防护鞋头的重量，增加人的活动负荷。同时，对于特种部队来讲，钢制安全鞋头将不能通过磁场的安全检测，将对活动造成妨碍，出于这个原因，目前已开发出由以玻璃纤维之类的加强纤维增强的热固和热塑性树脂制成的鞋头，从而以此来减轻防护鞋的重量，同时，对特种部队来讲，能顺利通过特殊场所的安检。
由于用非环保的热固性树脂制成的鞋头或者皮鞋包头将面临着环境污染的指控，因此，热塑性树脂作为安全鞋头的材料正在开发当中，是今后的趋势所在。
最初用热塑性树脂复合材料作为该类鞋头的制作材料，是将含有加强纤维的热塑性树脂制成片材，再由片材模压制成鞋头的。具体来讲，是将含有加强纤维的热塑性树脂的片材根据鞋头被切成梯形的形状并进行称量。此时，很难将片材切成固定的重量。因此，为调节切出的片材的重量，通常将一片适当形状的片件运用到片材上的适当位置处，并例如通过远红外加热炉对形成的片材进行加热，使材料熔融软化。如图1所示，将处于软化状态下的片材10放置到一个成形模具或工具11b的凹穴12内，在施加压力和热量的情况下进行压缩模制而成鞋头。
由上述方法成型将造成如下问题(1)由于成片状的材料必须再次通过熔融来进行增塑处理，因此材料趋向于氧化和热劣化；(2)当片材经过切割及热熔作用之后进给到一成型模具中时，它必须被强制弯曲以放置到模具内。因此很难实现自动化及合理化；(3)使用片材来对片材进行重量调节会导致这样一些问题，如在形成的物品产生焊缝或鞋头的强度下降或变化。
为解决上述问题，专利02129732.0述及一种防护鞋头的制备方法。
该专利所述及的一种防护鞋头的制备方法是在一拟成形模具内放置长纤维加强型热塑性树脂的纤维颗粒材料，在施加热量的情况下挤压所述纤维颗粒材料以初步形成一拟鞋头1，见图2。将形成的拟鞋头放置到用于形成防护鞋鞋头的模具内的一个位置中，见图3，并且向所述拟鞋头施加压力及热量以压缩模制防护鞋的鞋头见图4。
该专利所述及的方法及其所制备的鞋头存在以下不足(1)长纤维在鞋头中没有取向，各处强度大致均匀，但是防护鞋头，尤其是军用鞋头对于鞋头顶部位置的强度和冲击性能要求很高，该方法制备的鞋头难以满足高标准鞋头对性能的要求；(2)由于长纤维自动称量被直接送入拟鞋头模具中，不适合制备局部加强鞋头；(3)由于纤维取向各向同性，又不适合采用局部加强的方式，所以制备相同性能标准的鞋头，所需要的玻纤体积含量较高，无形中增加了鞋头的重量；(4)与前述方法一样，该专利所述方法同样采用了二次加热，没有解决材料趋向于氧化和热劣化的问题，也同样存在浪费能源的现象；(5)该方法要对鞋头模具加热至将拟鞋头熔融，因此，需要将模具再次冷却，鞋头方可以成型，这样将影响生产效率，同时造成能源浪费。
发明内容
本发明的一个目的是提供一种更高性能的安全防护用鞋头。采用这种鞋头的安全防护鞋可以避免上述问题，纤维含量及各类增强物合理分布，局部区域性能更高，满足更高安全性能的要求，同时使其重量更轻。
本发明的另一个目的是提供一种安全防护用鞋头的生产方法。这种方法可以解决上述那些诸如浪费能源，不能局部加强等问题，从而生产出更高强度的防护鞋用的鞋头。
本发明的目的可以通过以下技术方案来实现一种安全防护用鞋头，其特征在于，该鞋头由长纤维增强热塑性树脂和纤维布压制而成，鞋头顶部用纤维布作局部增强和包裹，鞋头的纤维重量含量在25～70％之间。
所述的长纤维为玻璃纤维或碳纤维。
所述的热塑性树脂为聚丙烯、尼龙、聚对苯二甲酸乙二酯(PET)、聚碳酸酯的一种或几种。
所述的长纤维长度大于20mm，其最大长度等于鞋头宽度。
所述的长纤维长度大于20mm，小于鞋头外形尺寸时呈无序排列，而其尺寸与鞋头尺寸相仿时，呈单向连续或正交或呈一定角度交织连续排列。
所述的纤维布是玻璃纤维布、碳纤维、聚丙烯纤维布或者聚酰胺纤维布的一种或几种。
一种上述安全防护用鞋头的生产方法，其特征在于，将长纤维颗粒料和起增强或包裹作用的纤维布，在加热器内熔融之后制成板材，再将板材切割成多块小板，将小板加热熔融之后，置于鞋头模具中，压制成型鞋头。
所述的板材是将长纤维颗粒料和纤维布铺层，在1到5MPa压力下、180～280℃的温度下成型的。
所述的加热器的加热方式可以是电阻热空气循环，但优先选择加热效率高的远红外加热方式。
本发明提供了一种安全防护鞋用的鞋头，该鞋头是以连续/长纤维增强热塑性树脂制成的，该热塑性树脂也可以是通过玻璃纤维布或者聚合物纤维布局部加强或者包裹的板材。
在本发明的一个较佳实施例中，制备鞋头的纤维板材是三层正交连续纤维增强的热塑性树脂板材，鞋头的顶部使用300tex的纤维布局部增强，鞋头中纤维含量为65％，该鞋头重量轻，表现出极高的强度。
本发明还提供了一种用于制备高强度安全防护鞋头的材料的制备方法。该制备方法是，先将长纤维颗粒料均匀放置在一铁板上，连同铁板一起通过一加热器，比如远红外加热箱，该加热箱最好带有链条传输装置，通过调节加热器箱体内的温度，一般在180～280℃之间，以及物料的传输速度，使物料从加热器另一头出来的时候正好均匀熔融，然后将物料连同铁板一起放到板材成型模具中冷压成型。
在该方法的一个较佳实施例中，长纤维颗粒料长度75mm以上，直至可以和板材的长度和宽度一样长。将长纤维颗粒料正交平铺至少三层，在上下两个表面再铺上局部加强用的300tex玻璃纤维布，用上述方法即可成型板材。板材的纤维重量含量为25～70％，板材的厚度为2～8mm。然后再按照一定的重量需求，将板材切割成小块板材，用于成型鞋头。
本发明还提供了一种用于生产防护鞋用鞋头的方法，该方法的特点在于包括将切割完且具有一定质量的小块板材放置于加热器箱体内，该加热箱最好带有链条传输装置。让小板材以一定的速度通过加热器，使之完全熔融。然后用人工或者机械手将完全熔融的小板材放置到鞋头成型的模腔中，模芯往下运动，对板材施以一定的压力，最终成型鞋头。
在该方法的一个较佳实施例中，先制备长度和宽度都为150mm的板材，长纤维颗粒料长度与板材的长度和宽度一样，即以连续纤维的形态存在，在板材的上下表面有起局部加强作用的玻璃纤维布，将板材切割成重量约75克的小板材。再将小板材放置于一带有链条传输装置的远红外加热器内，远红外加热器的温度可以在220～270℃之间调节，小板材以一定的速度通过加热器，使之完全熔融。然后用机械手将完全熔融的小板材放置到鞋头成型的模腔里，模具温度在40～120℃之间。模芯往下运动，对板材施以40MPa的压力，2min后冷却定型，取出后经过简单的修理，得到最终的鞋头。
与现有技术相比，本发明安全防护用鞋头纤维含量及各类增强物合理分布，局部区域性能更高，满足更高安全性能的要求，同时使其重量更轻，这种鞋头能满足加拿大、美国和欧洲对安全鞋头的最高标准；同时，本发明方法可以解决上述诸如浪费能源，不能局部加强等问题，从而生产出更高强度的防护鞋用的鞋头。
图1为示意性说明使用模制片材来形成鞋头的传统步骤的实例的一局部剖视图，其中示出的是压缩模制之前的情况；图2为示意性说明可以用在本发明中的拟鞋头的实例的立体图；图3为示意性说明用于形成此前专利中描述的拟鞋头的一个步骤的实例的局部剖视图，其中示出的是在压缩模制之前的情况；图4为示意性说明用于在压缩模制时形成本发明的鞋头的一个步骤的实例的局剖剖视图；图5为示意性说明长纤维颗粒料制备的连续纤维增强的板材；图6为示意性说明带有链条传输装置的远红外加热装置。
具体实施例方式
本发明的安全防护鞋的鞋头是由连续/长纤维加强型热塑性树脂制成的，在生产鞋头的一种较佳方法中，基本特征包括将一定长度的长纤维颗粒料制成有单向连续纤维增强或者还有玻璃纤维布局部增强的板材；将板材加热到熔融的程度；将得到的熔融的板材放置到鞋头成型模具中；对熔融物料施加一定的压力，从而压缩模制成安全防护鞋头。
具体来说，用于生产根据本发明的鞋头的方法的第一特征基于这样一个实际情况，此前使用的长纤维粒料直接做成的拟鞋头，或者此前使用片材成型的鞋头在性能上都不能满足安全性要求高的鞋头。本发明所描述的方法中长纤维颗粒料须先制成板材，纤维的长度可以与板材的长度和宽度一样，且平行正交排列，在板材的上下表面可以有局部增强作用或用来包裹防玻纤外露的聚合物纤维布，这样的板材可以满足更高性能的要求。
第二特征基于这样一个实际情况，与此前的普通片材模压成鞋头及颗粒料先成型拟鞋头，再模压成鞋头不一样，将熔融的小板材直接放到模具中成型鞋头，可以避免熔融接缝及形成拟鞋头用的模具费用。
在传统的方法中，片材的增塑一般是通过使用一种远红外线系统装置实现的，为了对材料进行增塑处理，这种远红外线系统装置会大大增加生产成本并花费大量时间。为解决上述问题，专利02129732.0采用长纤维加强型热塑性树脂的纤维颗粒料，因其较薄，所以可以在较短时间内在拟鞋头模具中直接加热增塑处理，但是该专利由此带来诸如要增加生产效率就必须做许多拟鞋头模具，而且直接将纤维置于拟鞋头中模压，纤维处于无序状态，没有局部加强等问题。
在本发明所描述的方法中，小板材的熔融处理是放在带有链条循环传输装置的远红外加热箱体内的，这样的连续加热方式大大提高了生产效率，降低了设备的制造费用，更重要的是能制造更高安全性要求的防护鞋。这种方法制备的防护鞋头不仅能满足JIS(日本工业标准)T8101中各级别防护鞋头的安全性要求，还能满足有更高要求的加拿大、美国和欧洲对各级别防护鞋的安全性要求。
以下将参照附图对本发明进行详细描述。
在根据本发明的用于安全防护鞋的鞋头的生产中，如下文所要描述的，首先根据安全鞋头对安全性要求的级别，确定长纤维加强型热塑性树脂颗粒料的长度。如果是JIS标准级别的，则确保长纤维颗粒料的长度在20mm以上，如果是加拿大或者美国标准则使长纤维颗粒料的长度与所要制得的板材尺寸一样，及制得连续纤维增强的板材，如果安全防护鞋头是欧洲标准中最高级别的，则在板材的上下两个表面再加上一层玻璃纤维布，起局部增强作用。纤维板材的厚度一般在2～8mm，具体厚度根据鞋头安全级别来确定，一般地，安全级别越高，板材所需厚度越厚。图5是连续纤维增强但没有局部增强的纤维板。
然后，根据鞋头所需重量，将板材切割成一定重量的小板2。将小板放在有链条传输装置3的加热器4内，该加热器可以是循环热空气或者远红外线加热器。加热器的温度在180～280℃之间，链条的传输速度根据板材的厚度及加热器的温度进行调整，使小板达到完全熔融的程度。图6是放有小板的带有链条传输装置的远红外加热器。
在将小板加热熔融之后，用人工或者机械手将小板放到鞋头压缩模具中，如图1所示。模芯13往下运动，并给熔融小板施以25～120MPa的压强，使之最终成型，如图4所示，图中15是顶出用推杆。
以下将列举一些实施例，在实施例中，防护鞋头是使用本发明的长纤维加强型热塑性树脂的纤维颗粒制备的，并且这些实施例证实了由得到的鞋头证明的包括强度和其它特征在内的物理特性。
实施例1先在不锈钢板上铺上一层300tex的玻璃纤维布，然后将长度为150mm直径约2mm的玻璃纤维加强型聚丙烯树脂颗粒料(采用杰事杰公司生产的LFT粒料，纤维重量含量65％)，正交平铺三层，再在上面铺一层300tex的玻璃纤维布。将铺好的物料连同不锈钢板放到长度约2m的带有链条传输装置的温度为220℃的远红外加热箱内，传输速度为2m/min。然后，将熔融好的物料放到50吨的平板压机的平板模具内，施以25MPa的压强，1min后取出成型的板材，该板材尺寸为150mm×150mm×5mm。
将上述成型好的板材用冲板机一次性切割成四块75mm×75mm×5mm的小板，将小板放到与上述远红外加热器相类似的加热传输装置内加热熔融，然后用机械手将四块熔融好的小板放到一出四模的模具中，并且以80MPa的压强在100℃下进行压缩模制，生产出鞋头。
实施例2先在不锈钢板上铺上一层碳纤维布，然后将长度为100mm直径约2mm的玻璃纤维加强型聚丙烯树脂材料料(采用杰事杰公司生产的LFT产品，纤维重量含量65％)，正交平铺三层，再在上面铺一层碳纤维布。将铺好的物料连同不锈钢板放到长度约2m的带有链条传输装置的温度为220℃的远红外加热箱内，传输速度为2m/min。然后，将熔融好的物料放到50吨的平板压机的平板模具内，施以25MPa的压强，1min后取出成型的板材。
将上述成型好的板材用冲板机一次性切割成四块75mm×75mm×5mm的小板，将小板放到与上述远红外加热器相类似的加热传输装置内加热熔融，然后用机械手将四块熔融好的小板放到一出四模的模具中，并且以80MPa的压强在100℃下进行压缩模制，生产出鞋头。
实施例3先在不锈钢板上铺上一层300tex的玻璃纤维布，然后将长度为80mm直径约2mm的碳纤维加强型尼龙6树脂颗粒料(采用杰事杰公司LFT，纤维重量含量50％)，正交平铺三层，再在上面铺一层300tex的玻璃纤维布。将铺好的物料连同不锈钢板放到长度约2m的带有链条传输装置的温度为270℃的远红外加热箱内，传输速度为2m/min。然后，将熔融好的物料放到50吨的平板压机的平板模具内，施以30MPa的压强，2min后取出成型的板材。
将上述成型好的板材用冲板机切割成75mm×75mm×5mm的小板，将小板放到与上述远红外加热器相类似的加热传输装置内加热熔融，然后用机械手将四块熔融好的小板放到一出四模的模具中，并且以90MPa的压强在260℃下进行压缩模制，生产出鞋头。
实施例4先在不锈钢板上铺上一层300tex的玻璃纤维布，然后将长度为120mm直径约3mm的玻璃纤维加强型尼龙6树脂颗粒料(采用杰事杰公司生产的LFT粒料，纤维重量含量45％)，正交平铺三层，再在上面铺一层300tex的玻璃纤维布。将铺好的物料连同不锈钢板放到长度约2m的带有链条传输装置的温度为270℃的远红外加热箱内，传输速度为2m/min。然后，将熔融好的物料放到50吨的平板压机的平板模具内，施以30MPa的压强，2min后取出成型的板材。
将上述成型好的板材用冲板机切割成70mm×70mm×5mm的小板，将小板放到与上述远红外加热器相类似的加热传输装置内加热熔融，然后用机械手将四块熔融好的小板放到一出四模的模具中，并且以80MPa的压强在100℃下进行压缩模制，生产出鞋头。
比较实施例1对长度切成20mm的直径约2mm长纤维加强型热塑性聚丙烯树脂，纤维重量含量50％，通过使这些颗粒在拟成形的模具中加热而进行增塑处理(在压强为4MPa，温度为210℃的条件下持续1分钟)，以初步制备一个具有弯曲部分的拟鞋头。而后，将所得到的拟鞋头放入一鞋头成型模具内，并且在40MPa的压力下以135℃进行压缩模制，从而生产出鞋头。
比较实施例2通过使用由玻璃纤维加强的热塑树脂制成的厚度为3.3mm的梯形片材，其中该热塑树脂在聚丙烯内含有体积占46％的长度为20mm的玻璃纤维，以传统的片材成形技术来制作鞋头(熔融软化约350℃持续三分钟，压缩模制1200kg/cm2，120℃)。
而后，根据对于皮革制成的、S级的防护鞋的HS T8101中规定的方法，当趾尖处的间隙高度被压缩到22mm时，对以上述方法成形鞋头进行压缩负载的测试(JIS中说明的标准为1020kg)。
表1 中给出了四个实施例和两个比较实施例的测试结果。
表1
从表1所示的结果可以清晰地看到，比较实施例中获得的鞋头表现出的强度较低。而由本发明的方法获得的鞋头则呈现出不分散的稳定的高压缩负载。
尽管此处揭示了特定的实施例和比较实施例，但在不脱离本发明精神和实质特征的前提下，本发明还可以实施成其它特定的形式。因此，所述的实施例和比较实施例在所有方面被认为仅是说明性的而不是限制性的，本发明的保护范围将由权利要求书界定，而不是由上述说明指出，因此，所有落入权利要求书的等效概念的意义和范围内的变化都将被包括在本发明的保护范围中。
权利要求
1.一种安全防护用鞋头，其特征在于，该鞋头由长纤维增强热塑性树脂和纤维布压制而成，鞋头顶部用纤维布作局部增强和包裹，鞋头的纤维重量含量在25～70％之间。
2.根据权利要求1所述的一种安全防护用鞋头，其特征在于，所述的长纤维为玻璃纤维或碳纤维。
3.根据权利要求1所述的一种安全防护用鞋头，其特征在于，所述的热塑性树脂为聚丙烯、尼龙、聚对苯二甲酸乙二酯(PET)、聚碳酸酯的一种或几种。
4.根据权利要求1或2所述的一种安全防护用鞋头，其特征在于，所述的长纤维长度大于20mm，其最大长度等于鞋头宽度。
5.根据权利要求1所述的一种安全防护用鞋头，其特征在于，所述的长纤维长度大于20mm，小于鞋头外形尺寸时呈无序排列，而其尺寸与鞋头尺寸相仿时，呈单向连续或正交或呈一定角度交织连续排列。
6.根据权利要求1所述的一种安全防护用鞋头，其特征在于，所述的纤维布是玻璃纤维布、碳纤维、聚丙烯纤维布或者聚酰胺纤维布的一种或几种。
7.一种权利要求1所述的安全防护用鞋头的生产方法，其特征在于，将长纤维颗粒料和起增强或包裹作用的纤维布，在加热器内熔融之后制成板材，再将板材切割成多块小板，将小板加热熔融之后，置于鞋头模具中，压制成型鞋头。
8.根据权利要求7所述的一种安全防护用鞋头的生产方法，其特征在于，所述的板材是将长纤维颗粒料和纤维布铺层，在1到5MPa压力下、180～280℃的温度下成型的。
9.根据权利要求7或8所述的一种安全防护用鞋头的生产方法，其特征在于，所述的加热器的加热方式可以是电阻热空气循环，但优先选择加热效率高的远红外加热方式。
全文摘要
本发明涉及一种安全防护用鞋头及其制造方法，该鞋头由长纤维增强热塑性树脂和纤维布压制而成，鞋头顶部用纤维布作局部增强和包裹，鞋头的纤维重量含量在25～70％之间；该方法包括先将颗粒料制成小板，然后将小板置于加热器内加热至熔融，再将小板移至温度为40～120℃的模具中，在一定压力下模压制成鞋头。与现有技术相比，本发明鞋头纤维含量及各类增强物合理分布，局部区域性能更高，能满足更高安全性能的要求，同时使其重量更轻。
文档编号A43B23/16GK1989862SQ20051011239
公开日2007年7月4日 申请日期2005年12月30日 优先权日2005年12月30日
发明者郭惠玲, 李满成, 杨桂生 申请人:上海杰事杰新材料股份有限公司