ОБУВЬ С УЛУЧШЕННЫМ ТЕПЛОВЫМ КОМФОРТОМ
SHOES WITH IMPROVED THERMAL COMFORT

Настоящее изобретение относится к обуви с улучшенным тепловым комфортом, особенно к туфле или ботинку, как правило, включающей верх и подошву, соединенные между собой, и подошвенную стельку, расположенную во внутреннем отделе верха, предназначенном для размещения ноги; верх имеет передний мысок, задник и берец с внутренней подкладкой, выполненной из упрочняющей ткани; подошва имеет опорную переднюю часть и каблук.
Такую обувь оснащают микрокапсулами, включающими материал, меняющий фазу от жидкого состояния до твердого и наоборот при заданных температурах. Задача микрокапсул состоит в том, чтобы дать возможность ноге оставаться в окружающей среде при постоянной температуре, по существу соответствующей температуре фазового перехода, до тех пор, пока такой переход не произойдет полностью, что происходит в течение определенного периода времени, даже когда наружная температура меняется скачкообразно.
Такие ботинки разрабатывают прежде всего для холодного климата, где при переходе из нормально нагретой среды на улицу, может возникать опасность, что нога будет испытывать термический шок.
Под материалами с фазовым переходом (МФП (PCM)) подразумевают материалы, которые используют явление фазового перехода, поглощая энергию входящих потоков таким образом, чтобы запасти большое количество энергии, за счет поддержания постоянной их собственной температуры. МФП являются твердыми при более низкой температуре, чем температура перехода; когда температура поднимается и превышает определенный порог, который зависит от материала, они разжижаются за счет накопления тепла (латентное разжижение), которое выходит из тела, перегретого физической активностью. Таким же путем, когда температура понижается, материал затвердевает и высвобождает тепло (латентное затвердевание).
Такие терморегулирующие материалы предоставляют новое технологическое решение при разработке технической одежды и обуви, так как они представляют собой весьма интересную систему для смягчения колебаний температуры окружающей среды через уменьшение внутренних температурных пиков и позднее при потреблении энергии, используемой организмом человека для поддержания комфортного теплового состояния.
Требования, которым МФП должны соответствовать при использовании в одежде и при производстве обуви, включают:
- температура плавления и температура замерзания, совместимые с хорошим самочувствием человека;
- высокая теплота фазового перехода (разжижение/затвердевание);
- отсутствие токсичности, коррозии и гигроскопичности.
В настоящее время наиболее испытываемыми МФП для применения в технической одежде, имеющими такие характеристики, являются парафиновые органические соединения и углеводороды, получаемые в качестве побочных продуктов переработки нефти или путем полимеризации.
Такие материалы используют с системами локализации, и наиболее часто используемой системой является макро- и микро-капсулирование. В настоящем изобретении микрокапсулы особенно интересны, так как они могут быть легко смешаны с пенами или смолами, и они могут быть использованы даже для пропитки пористых тканей или материалов.
Из уровня техники известно нескольких документов, описывающих использование таких микрокапсул в комбинации с ботинками. Как правило, они присутствуют в туфлях и спортивных ботинках с высокими эксплуатационными характеристиками, что, однако, не улучшает внешний вид обуви.
Кстати, пример использования микрокапсул в обувной области известен из патента США № 5499460, относящегося к подошве, обогащенной микрокапсулами; международной патентной заявки № 1998/46669 (Gateway Technologies Inc.) (1998 г.), относящейся к пене, содержащей микрокапсулы; или патента США № 6660667 (2003 г.), относящегося к композиции, содержащей микрокапсулы для тканевых покрытий.
Патент США № 6892478, напротив, описывает ботинок со специфической подошвой, передняя часть которой снабжена материалом с фазовым переходом; ботинок представляет собой тип обуви, включающий подошву с тонкой внутренней стелькой и верхом с язычком; тонкая стелька включает первый полимерный материал с первыми микрокапсулами с фазовым переходом, тогда как верх включает второй полимерный материал со вторыми микрокапсулами с фазовым переходом, где два типа микрокапсул имеют разные температуры перехода.
Международная заявка на патент № 2011/027015 описывает применение микрокапсул с фазовым переходом с ботинками, а международная заявка на патент № WO 2005/020735 относится к модификациям, примененным к женской обуви, со слоем терморегулирования в тонкой внутренней стельке, выполненной из многослойного материала, с наполнителем, образованным частицами с фазовым переходом.
Однако, в примерах такой обуви не удается соединить установленные эстетические характеристики, поскольку требуется не нарушать обычную форму обуви как таковой, с реальным комфортом, когда при ношении обувь подвергается сильным тепловым ударам, например, от зимних условий с температурами сильно ниже 0°С до перегретого помещения, как это часто бывает в холодных регионах и в горах.
Ключевым фактором, обеспечивающим приемлемый комфорт, является продолжительность перехода, а также превосходное сцепление между элементами обуви и ногой с тем, чтобы последняя могла успешно воспользоваться температурами перехода, которые всегда поддерживаются в приемлемом интервале температур.
Цель настоящего изобретения состоит в разработке обуви, позволяющей преодолеть недостатки, упомянутые со ссылкой на известный уровень техники.
Такая цель достигается с помощью ботинка, который описан выше, в котором подошвенная стелька имеет на преднем участке отверстия на передней части подошвы, в толщине которой получено углубление, и при этом:
- верх, у задника и переднего мыска, имеет слой пены с эффектом памяти, включающий микрокапсулы с фазовым переходом;
- внутренняя подкладка и тонкая стелька наполнены микрокапсулами с фазовым переходом;
- упомянутое углубление заполнено микрокапсулами с фазовым переходом,
причем указанные микрокапсулы с фазовым переходом имеют температуру затвердевания в интервале от 18 до 23°C, а температура плавления составляет от 24 до 32°C.
Ботинок с улучшенным тепловым комфортом, который описан ранее, гарантирует эффективное сохранение комфортной температуры в течение длительного периода за счет создания для ноги наиболее хороших возможных условий на каждом ее участке как при переходе из тепла в холод, так и наоборот.
Настоящее изобретение будет описано исключительно в качестве примера, а не в целях ограничения, со ссылкой на прилагаемые чертежи.
ФИГ. 1 показывает вид сверху ботинка в соответствии с изобретением.
ФИГ. 2 показывает вид сбоку ботинка ФИГ. 1 в частичном разрезе.
ФИГ. 3 показывает разрез ботинка ФИГ. 1, иллюстрирующий его внутреннюю часть.
ФИГ. 4 показывает детализированный и увеличенный вид детали с ФИГ. 3.
ФИГ. 5, 6 и 7 иллюстрируют с помощью видов в перспективе подошву в сборке.
Что касается описанного выше ботинка, то под пеной с эффектом памяти обычно подразумевают полиуретаны с добавлением химических продуктов, которые повышают вязкость и плотность. Их часто называют вспененным вязкоэластичным полиуретановым материалом или упругодеформируемой пенополиуретановой пеной (LRPu). Вспененная резина с эффектом памяти высокой плотности размягчается в ответ на тепло тела, что позволяет ей принимать форму тела за нескольких минут. Пена низкой плотности с эффектом памяти чувствительна к давлению и быстро адаптируется к форме тела при надавливании на нее, возвращаясь к своей первоначальной форме после снятия давления.
Верх обычно изготавливают из кожи, полученной из шкуры животных, которую после процесса дубления делают гнилостойкой. Кожа, по существующей формулировке также называемая кожевенным сырьем или кожсырьем, имеет очень высокую стойкость и, самое главное, гигиенические характеристики, которые делают ее особенно подходящей для производства обуви, способствующие потоотделению, а затем исключающие размножение грибков, плесени и других патологий кожи и стопы, вызываемых застоем влаги внутри обуви. Особенная структура кожи, образованная трехмерным переплетением коллагеновых волокон, приводит к тому, что кожа обладает теплоизолирующими свойствами, особенно полезными в зимний период.
Помимо кожи животного происхождения имеются альтернативные материалы, которые имитируют кожу, похожие визуально, но которые, однако, не обладают другими функциональными и поведенческими характеристиками, которые существуют вследствие особенной структуры натуральной кожи.
Что касается чертежей, то ботинок, обозначенный целиком позицией 1, может быть изготовлен вручную.
Ботинок состоит из верха 2 и подошвы 3, соединенных между собой. Внутренняя часть ботинка 1 вмещает тонкую подошвенную стельку 13, размещенную в отделе внутренней части верха 2, предназначенном для размещения ноги.
Верх 2 имеет передний мысок 4, задник 7 и берец 6 с внутренней подкладкой из упрочняющей ткани.
Подошва 3 имеет переднюю опорную часть и каблук 8, соединенный с задней частью 9 подошвы 3, соответствующей пяточной кости.
Подошвенная стелька 13 на переднем участке имеет отверстия 14 на указанной передней части подошвы 3; в ее толщине образовано углубление 40, заполненное слоем 41 микрокапсул с фазовым переходом (ФИГ. 6).
Верх 2, на заднике 7 и переднем мыске 4, имеет слой 22 пены с эффектом памяти, включающей в подходящей смеси микрокапсулы с фазовым переходом одного типа со слоем 41.
В частности, задник 7 имеет наружный слой 20 и внутреннюю прокладку 23, между ними вставлен указанный слой пены 22, и, кроме того, лицевые поверхности 21 наружного слоя 20, обращенные к пене, к тому же покрыты слоем смолы, наполненной микрокапсулами.
Ботинок 1 включает равномерно расположенные шнурки 11 и язычок 10, снабженный к тому же композитной структурой; структура состоит из наружного слоя 27, окрашенного изнутри путем осаждения внутреннего покрытия 26 из микрокапсул, со слоем пены 25, опирающимся на подкладку 24.
Кроме того, толщина 30 верха 2 включает наружный слой 31, изготовленный, например, из кожи, и подкладку 33 со слоем 32 микрокапсул, вставленным между ними.
Также стельку 13, особенно ее заднюю часть, наполняют микрокапсулами с фазовым переходом.
Как сказано ранее, микрокапсулы с фазовым переходом имеют температуру затвердевания, находящуюся в интервале между 18 и 23°C, а температура плавления составляет от 24 до 32°C.
Пример - Материалы и методы
Вариант осуществления вставки, изготовленной из ткани, наполненной микрокапсулами с фазовым переходом (микроМФП (microPCMs))
Тканевая основа, выполненная из хлопка перкаля:
размеры - 205±1 мм × 435±1 мм × 0,20±0,01 мм;
масса - 11,95±0,01 г.
Связующее средство, используемое для фиксации микроМФП на хлопке перкале:
АCRLEM RP6005, акриловая смола с высоким содержанием сухой фракции - 60%,
коэффициент разбавления - 15 мг акриловой смолы в 100 г дистиллированной воды.
Микрокапсулы с фазовым переходом (микроМФП):
микроМФП от компании Microtek Laboratories, Inc. «MPCM 28D» (D: сухой порошок);
температура плавления 28°С;
температура затвердевания 18°С;
материал, находящийся в микрокапсуле, н-октадекан
процент микроМФП, диспергированных в акриловом связующем средстве - 300% масс. из расчета на сухую фракцию связующего средства.
Получение вставки, изготовленной из ткани
На основу, изготовленную из перкалевой ткани (100% хлопок) и массой 11,95±0,01 г, краскопультом с помощью сжатого воздуха распыляют 150 г раствора (на основе акриловой дисперсии ACRILEM RP6005).
Раствор распределяют за несколько проходов (по 2 для каждой стороны) по обеим поверхностям ткани. Раствор имеет следующий состав:
Связующее средство (ACRILEM RP 6005)
15,02±0,01
г
Сухой остаток связующего средства
60%
9,01±0,01
г
Капсулы из расчета на сухой остаток связующего средства
300%
27,11±0,01
г
Дистиллированная вода
100,22±0,01
г
Вся смесь
151,36
г
После каждого прохода акрилового раствора обработанную ткань помещают в сушильную камеру приблизительно на 10 мин при 140°C, чтобы процесс обработки состоялся.
После распыления конечная масса обработанной ткани должна составлять 30,85±0,01 г при толщине 0,500±0,01 мм.
2
Из обработанной ткани с помощью выкройки из тонкого картона, используемой для раскройки верха, готовят две вставки, имеющие площадь приблизительно 113 и 202 см, соответственно, с толщиной приблизительно 0,500±0,01 мм.
Вставки размещают между подкладкой и верхом ботинка-прототипа.
Нанесение на поверхность верха и подкладки наполнителя с микрокапсулами с фазовым переходом (микроМФП)
Кожа для верха: телячья кожа тассел (Foster), дубление растительными веществами.
Кожа для подкладки: кожа ягненка хромового дубления
Отделочный раствор, наполненный микроМФП:
- Compact Baygen АР2: препарат полиуретанов и акриловой дисперсии с вспомогательными веществами, используемыми для улучшения структуры кожи;
- Baysin LN: вспомогательный агент для регулирования вязкости растворов на водной основе, используемый в процессе отделки кожи;
- грунтовка Bayderm primer APRI: полиуретановый раствор, используемый в процессе отделки кожи;
- Разбавление: вода;
- микроМФП: «MPCM 28D».
Подготовка кожи, используемой для варианта осуществления верха и подкладки, с добавлением микроМФП
В дополнение к коже, используемой для получения верха и подкладки с микроМФП «MPCM 28D», изобретение реализовано посредством способа нанесения покрытия при нанесении покрытия валиком.
Дисперсия, содержащая микроМФП и наносимая на кожу, имеет следующий состав:
<b>Состав покрывающего раствора</b>
<b>Масса (г)</b>
<b>%</b>
микроМФП «MPCM 28D»
10,00
4
Compact Bayge AP2
100,00
47
Разбавление водой
50,00
23
Baysin LN
50,00
23
Bayderm primer APV
15,00
7
Толщина пленки, нанесенной посредством способа нанесения покрытия, на поверхности кожи для верха и подкладки, составляет приблизительно 0,08±0,01 мм, тогда как толщина двух типов кожи составляет приблизительно 0,54±0,01 мм.
Из кожи с добавлением микроМФП делают детали для верха и подкладки.
Создание отсека микроМФП в плоском участке ботинка-прототипа
Из плоского участка в EVA с начальной массой 53,01 г удаляют приблизительно 12,44 г полимера так, чтобы получить полость, в которую можно было бы залить смесь клея и микроМФП. На плоский участок, на котором получена полость (конечная масса плоского участка 40,57 г), за два нанесения выливают приблизительно 34 г латексного клея, наполненного 49,89% микроМФП. После каждого нанесения смесь оставляют сохнуть в течение 24 часов.
Количество микроМФП, которое должно быть введено в клей, определяют из расчета на сухую фракцию клея (60%) так, чтобы получить концентрацию 300% в пересчете на сухую фракцию клея.
Конечная масса плоского участка после высыхания смеси должна быть приблизительно 63,27 г.
Смесь готовят в соответствии с приведенным ниже способом:
<b>Первое нанесение МФП на плоский участок</b>
Фракция (%)
Масса (г)
Клей+МФП
15,00
Клей Codex 1100 (латекс в водной дисперсии)
5,36
Сухой остаток клея
60
3,21
МикроМФП (в пересчете на сухой остаток клея)
300
9,64
Вода:Клей=1:1
5,36
Всего смеси
20,36
<b>Второе нанесение МФП на плоский участок</b>
Фракция (%)
Масса (г)
Клей+МФП
10,00
Клей Codex 1100 (латекс в водной дисперсии)
3,57
Сухой остаток клея
60
2,14
МикроМФП (в пересчете на сухой остаток клея)
300
6,43
Вода:Клей=1:1
3,57
Всего смеси
13,57
Вставки пены с эффектом памяти готовят из пластины 30×30 см, выполненной из открыто-ячеистой вязкоэластичной пены, поставляемой компанией NTT Next Technology Tecnotessile of Prato (Италия).
Пена состоит из вспененного водой пенополиуретана. В качестве опоры для пены используют ткань из полиэстера.
Пену на этапе получения наполняют 30% масс. микроМФП.
Для улучшения удобства при ношении прототипа изготовлены представленные ниже вставки:
2
вкладная стелька, имеющая массу 6 г, имеющая площадь приблизительно 104 см и толщину, меняющуюся от 1 мм в области носка до 4 мм в области пяточной кости.
2
вставка для задника, имеющая массу 5 г с площадью 75 см.
Верх в сборке
Верхнюю часть ботинка получают, помещая ткань, пропитанную микроМФП, между подкладкой и верхом. Пропитанная ткань заменяет упрочняющую ткань, обычно используемую в обуви в качестве опоры. Без поддерживающей ткани было бы невозможно собрать кожаные детали на форме-шаблоне, так как кожа может стать слишком слабой и может рваться.

Кроме того, между подкладкой и верхом помещают задник для пяточной кости (из прессованного картона), на который вставка пены с эффектом памяти нанесена заранее с помощью клея из полихлоропрена (Neoprene).
Вставку пены с эффектом памяти помещают также в язычок ботинка, опирающийся на обхват подъема. Вставку наносят с помощью того же клея, который ранее использовали для закрепления на заднике.
После сборки деталей подкладки и верха с тканью, пропитанной микроМФП и вставками пены с эффектом памяти, весь комплект размещают на форме-шаблоне.
Мультислой, образованный деталями подкладки и верха, пропитанной тканью и вставками, формуют на шаблоне и крепят к подошве при помощи полихлоропренового клея и небольших заклепок для ремонта обуви.
На подошве заранее делают отверстия диаметром приблизительно 1 мм, чтобы способствовать тепловому обмену между ногой и отсеком микроМФП, размещенным в плоском участке.
Поверх тонкой стельки помещают вкладную стельку, полученную из полиуретановой пены с эффектом памяти. Чтобы исключить прямой контакт между пеной и ногой, на вкладной стельке размещают очищающую подложку, полученную из той же кожи, которую используют для подкладки, и закрепляют с помощью полихлоропренового клея. И в этом случае, чтобы способствовать тепловому обмену между ногой и отсеком микроМФП, находящимся в плоском участке, как на тонкой очищающей подложке, так и на вкладной стельке, делают отверстия, имеющие диаметр приблизительно 3 мм.
Плоский участок прикрепляют к структуре, помещенной на форме-шаблон, под тонкой стелькой с помощью полихлоропренового клея.
Плоский участок после прикрепления к верху покрывают той же кожей, которую используют для верха.
Затем закрепляют подошву, изготовленную из кожи.
И наконец, делают каблук и закрепляют. Каблук также покрывают кожей, используемой для получения деталей верха.
Описание тепловых характеристик второго ботинка-прототипа
Оценочные испытания тепловых свойств ботинка-прототипа модели «francesina» из красной кожи проводят с помощью термопар K типа и интерфейсной карты PC Pico Log TC-08.
Испытания проводят в сотрудничестве с моделью путем размещения четырех термопар, по две для каждого типа обуви, в области плюсны и подошвенной дуги. Модель носит одновременно оба ботинка (ботинок-прототип и ботинок сравнения) в течение периода времени не менее 60 мин.
Результат испытания показывает, что нога, носившая ботинок-прототип, имеет температуру ниже приблизительно на 2°С по отношению к ноге, носившей ботинок как таковой. Поэтому предложено провести тестирование терморегулирующих свойств прототипа при экстремальных условиях.
Испытание проводят путем помещения как прототипа, так и ботинка сравнения в сушильную камеру при 5O°C на два часа, а затем в морозильную камеру при -20°C еще на два часа. И в этом случае размещают четыре термопары, по две для каждого типа ботинка, в области плюсны и подошвенной дуги. Процедуру испытания повторяют с интервалами 50 мин в общей сложности течение 4 часов.
Результат испытания показывает, что в фазе нагревания ботинок-прототип в области носка имеет температуру ниже приблизительно на 10°С, чем ботинок как таковой, и температуру ниже приблизительно на 20°С в фазе охлаждения.
Кроме того, испытания показывают, что ботинок-прототип в области между подошвенной дугой и верхом имеет температуру ниже приблизительно на 7,5°С, чем ботинок как таковой, на этапе нагревания, и температуру ниже приблизительно на 13°С на этапе охлаждения.
Определение свойств вставок пены с эффектом памяти, вставленных в прототип обуви
Испытания для определения свойств вставок пены с эффектом памяти, присутствующих в обуви-прототипе, проводят при рассмотрении четырех различных типов обуви: черные туфли-декольте, выполненные из замши (размер 38), черные туфли-декольте, выполненные из лакированной кожи (размер 38), прототип красных туфель francesina (размер 37), красные туфли francesina как таковые (размер 37).

Измерения проводят с участием двух разных моделей (1 - рост 175 см, вес 64 кг, размер 38; 2 - рост 158 см, вес 54 кг, размер 37), соответствующим образом откалиброванных датчиков силы (то есть датчиков Flexiforce, Tekscan) и соответствующей системы регистрации данных.
Испытания проводят при условии опоры на две ноги (обе ноги на земле) и во время фазы отрыва пятки от земли.
Обувь-декольте в основном используют для оценки методики и экспериментальной установки.
Проведенные измерения показывают различия по показателю максимального давления для двух типов обуви francesina. В частности, максимальные значения давления, оцененные на «обуви-прототипе» в конкретных позициях, судя по всему однозначно выше, чем значения, полученные для «обуви как таковой». Такие результаты подтверждают более хорошее взаимодействие и перенос нагрузки к границе нога/обувь прежде всего в определенных анатомических областях, подчеркивая таким образом «биофункциональный» аспект «обуви-прототипа».
В вышеописанную обувь с улучшенным тепловым комфортом специалист в данной области техники с целью удовлетворения дополнительных и условных потребностей может внести некоторые дополнительные модификации и видоизменения, однако все они входят в объем защиты настоящего изобретения, который определен прилагаемой формулой изобретения.