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鞋技中心與英國製鞋技術研究中心(SATRA),舉辦「2014鞋類檢測新技術研討會」活動花絮!
鞋品與鞋材
  • 影響鞋品抗滑關鍵因素暨摩擦力檢測標準分析
  • 2013/6/24

  隨著消費者品質意識抬頭,各國政府持續修訂更嚴格的產品安全法規,助長世界各國的賠償文化。為了預防責任索賠,製造商、供應商和零售商持續投入相關研究並採取合理的措施,來確保安全產品的提供與銷售,鞋品的抗滑效能測試重要性也持續成長。鞋底與地面的摩擦力是鞋品抗滑效能最重要的影響因素之一,足夠的摩擦力可以防止滑倒,過高的摩擦力則可能增加絆倒的危險性。為了協助製鞋產業對鞋底與地面抗滑關鍵因素的瞭解,本文將針對滑倒原因分析、鞋底材質與花紋、與鞋品抗滑測試標準進行說明,分述如下:

 

滑倒原因分析

 

  林頌凱醫師在運動筆記「鞋子該怎麼挑?」專欄指出日常生活中站立、步行及跑步都靠我們的雙腳來支撐身體的重量,走路時腳部所支撐的重量大概是身體重量的1~2倍;慢跑時可以增加到三倍;劇烈運動時雙腳所負荷的重量可能高達六倍以上,選擇適合自己的鞋子,可以減輕壓力、避免滑倒與受傷1

 

  「勞工衛生研究相關技術資料彙編」提到滑倒形成主因為身體無法適當支撐其重量而失去平衡,而影響走路的因素、速度、鞋底接觸面積、官能特性及人體神經系統功能等特性都可能導致滑倒。一般人體步行步幅約70.5cm,速度約1.1~1.2m/s,若步行速度加快會增加滑倒的可能性,若腳滑動距離超過4mm,就極可能造成滑倒的危險。Sherman, R.M.提出安全之步行乃基於摩擦係數值維持大於作用於地板水平力與垂直力之比值,於步行狀態下,若單純考慮力學觀點,摩擦力變化實為嚴重影響滑倒之行為2

 

  滑動摩擦力分為靜摩擦力與動摩擦力,靜摩擦力為可變值,是兩個靜止之接觸表面,避免其移動之反力;動摩擦力為一定值,是當一表面滑過另一表面,防止其移動的反力。摩擦係數是一表面相對另一移動所需的力與作用於表面的總垂直力的比值,最大靜摩擦係數為當運動開始前瞬間,在一表面相對另一移動所需的力與作用於表面的總垂直力的比值;動摩擦係數為當運動開始時,在一表面相對另一移動所需的力與作用於表面上的總垂直力的比值。摩擦力取決於摩擦係數,「最大靜摩擦係數」與「動摩擦係數」為抗滑效能評估的重要指標。

 

  安全摩擦係數目前尚無定論,行政院公共工程委員會委託臺灣銀行公告之共同採購契約在鞋品中規範男女皮鞋、休閒鞋、消防救護用安全鞋及第1、2項運動鞋等的抗滑靜摩擦係數乾式需0.5(含)以上;濕式需0.3(含)以上,其他鞋類則依不同用途而有不同的規範。依李正隆的研究指出動摩擦係數值相較靜摩擦係數更為重要,因為無潤滑接觸面上,後腳跟著地後瞬間往往處於滑動的狀態下。在正常步行時,動摩擦係數最小需求值為0.15~0.30,在其實驗中,地板水平力與垂直力比之尖峰值係出現在腳跟著地後0.1秒,當鞋與地板無打滑時,其比值平均值約為0.17;在不預知滑倒情形下,產生滑動或再次回復平衡的比值為0.13;當因打滑而導致跌倒時,其比值為0.072

 

鞋底材質與花紋對表面摩擦力的影響

 

  影響鞋底摩擦力因素包含材質應用、紋路與實際接觸面積、鞋底軟硬度及場地表面等。鞋底材質軟硬度對摩擦力具有絶對相關性,較柔軟的材質與地面接觸時,會產生比較大的形變,而與接觸表面產生微細不規則的塑性變形,產生更大的接觸面積,抗滑效果會比較好,但過於柔軟的鞋底材料,可能造成其他基本物性變差。步行場地表面較常見的有磁磚、水泥地、柏油路、玻璃、人型地磚等,其種類、傾斜度、表面的覆物污物對應不同的鞋底材料,也將影響摩擦係數。一般抗滑效果依不同場地表面,又可區分為乾式、濕式、油式、油加水等4種。

 

  依據文獻資料整理顯示常見鞋底材料應用如牛背硬牛皮為主的天然皮革,具美感及舒適感但抗滑性能較差;橡膠具防滑效果佳、耐磨、不易斷裂等特性,為鞋底最常用的材質,但重量較重、材質較硬;聚氯乙烯發泡材(PVC)抗滑效果尚可,但不耐磨,因含環境危害元素,已逐漸被禁用或限用;熱可塑性彈性體(TPR)乾式抗滑效果好、濕式抗滑不理想、硬度高、耐磨擦,是目前最具環保性之鞋材;EVA乾式抗滑效果尚可,濕式抗滑不理想,質軟、耐磨性不佳,常用於高級輕量鞋品的中底或涼鞋、海灘鞋、布希鞋、運動鞋及休閒鞋;PU乾式抗滑效果好,濕式抗滑不理想,質輕、彈性佳,耐磨性尚可但易黃變及水解。3

 

  另外,鞋底紋路粗細與深度設計對抗滑性也格外重要,路面愈崎嶇愈軟時,橫紋要愈深;路面愈平愈硬,橫紋要愈淺。紋路寬度會影響摩擦係數,寬度較大者,平均摩擦係數亦較高;摩擦係數與施加重力有關,在荷重情況下,紋路愈寬的鞋底結構摩擦係數愈大;在粗糙路面上,鞋底紋路愈趨近橫向結構抗滑性能愈好,在愈光滑的路面鞋底紋路趨近縱向結構抗滑性能較好4。部份大型顆粒底紋,有較好的排泥性及保護性,但鞋底較為厚重及生硬,在光滑接觸面的抗滑性反而較不理想;還有濕式場地表面,也要考量排水的底紋設計3

 

鞋品抗滑測試標準分析

  影響鞋品抗滑效能的因素有很多,動摩擦係數的檢測比靜摩擦係數更為確實及接近真實的狀態,以下針對「ASTM F1677-20055」、「ASTM D1894-20116」、「SATRA TM144-20117」等3個主要檢測標準進行說明,概述如下:

 

() ASTM F1677-2005傾斜鉸接支柱滑動測試機的標準測試方法 (已廢止)

 

  ASTM F1677-2005檢測標準主要測試鞋底、 鞋跟或試片材料對平面走道表面或走道代用品(測試面)在乾式、濕式或污染條件的實驗室或實地的抗滑性能(Slip resistance)。

 

  測試時取鞋底或試片試驗樣品,利用抗滑試驗機(如圖一)預先設定一個傾斜的角度,同時施加一個正向力及一個會有滑倒傾向的側向力,使得試驗樣品表面衝擊地板或其代用品表面,執行重複測試直到取得洽好導致滑動的角度及最大靜摩擦係數。

 

() ASTM D1894-2011塑膠薄片靜摩擦和動摩擦係數

 

  ASTM D1894-2011檢測標準主要測試塑膠薄膜及片以指定條件下在其本身或其它物質上開始滑動及滑動時的摩擦係數。

 

  測試時將試片或鞋子稱重放置於滑動平台,選擇適當荷重砝碼固定於測試樣品上方,用已知重量以一致性的運動速率,拉動其在固定平面上運動,使用載荷感應器測量試驗中運動滑軌所產生的載荷,計算取得最大靜摩擦與動摩擦係數(如圖二)。

 

相關標準參考:ISO 8295-1995。

 

() SATRA TM144-2011鞋子與地面材料之間的摩擦力

 

  摩擦與滑移性的測定是一個複雜的過程,有鑑於鞋品的抗滑測試重要性持續成長,國際研究與技術領導機構「SATRA」從1992年公佈其防滑性標準後,持續進行相關的研究與標準制定,並自行研發精密的抗滑效能測試儀器。

 

  SATRA TM144-2011採用該組織自行研發的精密儀器(如圖三),基於生物力學的研究應用,在實驗室測量鞋與地板間的防滑性。該設備利用運動速度、鞋品在抗滑試驗機精確的定位指示、鞋跟與測試地板的位置和角度等特別的控制設計與完整摩擦係數紀錄的數據採集系統,支援SATRA TM144與ISO 13287等測試標準,也可以自行設定內部發展的標準參數,以利重復測試。

 

  該標準定義了人體重量的垂直荷載作用下恆速運動之動摩擦係數測量,模擬典型行走的狀態下,最有可能發生滑移的抗滑性能,並提供更廣泛及精確的鞋與地板防滑性能測試評估。目前已被許多國際標準所採用,進行所有類型的鞋、鞋底、鞋底片材、鞋跟頂片與地板的動摩擦抗滑性能評估,適用於一般乾式、濕式、污染條件地板表面及軟地、礫石、冰等特殊表面。

 

  相關標準參考:「ASTM F2913-2011使用全鞋測試機量測鞋與測試面摩擦係數」、「EN ISO 13287-2012足部防護-鞋品止滑測試方法」、「EN ISO 20344-2011個人防護用品-鞋類測試方法」、「CSA Z195-2009防護鞋」等。

 

參考資料:

1. 林頌凱,2012,「鞋子該怎麼挑?」,運動筆記。

2. 李正隆,1997,「鞋底防滑」,勞工衛生研究相關技術資料彙編第四章第六節。

3. 黃賜源、楊理同,2008,「影響鞋底止滑因素與止滑鞋底材料技術開發」,台灣鞋訊。

4. 王珮如,2010,「鞋底止滑紋路設計」,台灣鞋訊。

5. ASTM F1677 - 05 Standard Test Method for Using a Portable Inclineable Articulated Strut Slip Tester (PIAST)

6. ASTM D1894 - 11e1 Standard Test Method for Static and Kinetic Coefficients of Friction of Plastic Film and Sheeting

7. SATRA TM144:2011 Friction (Slip Resistance) of Footwear and Floorings.

 

資料來源:鞋技中心檢驗認證組,201302,影響鞋品抗滑關鍵因素暨摩擦力檢測標準分析,台灣鞋訊