王中珍 ,丁 帥,王 蝶
(1.山東省特種紡織品加工技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,山東 青島 266032;2.山東省紡織科學(xué)研究院,山東 青島 266032)
經(jīng)常從事體育運(yùn)動(dòng)的人,特別是職業(yè)運(yùn)動(dòng)員,在訓(xùn)練或比賽過(guò)程中,身體難免會(huì)在高速運(yùn)動(dòng)時(shí)受到意外撞擊。而受傷或害怕受傷也是影響運(yùn)動(dòng)員在比賽中發(fā)揮出高水平的重要因素。比如,滑雪時(shí)在滑道上摔倒,騎車(chē)時(shí)翻車(chē)或撞車(chē),騎馬時(shí)跌落,做體操時(shí)從單雙杠上失手落地……這些撞擊輕則會(huì)對(duì)運(yùn)動(dòng)員的肌肉或骨骼造成損傷,重則會(huì)導(dǎo)致他們落下一身無(wú)法擺脫的疾患。在一定程度上提高運(yùn)動(dòng)的安全性是拓展運(yùn)動(dòng)員體能和技術(shù)水平的又一途徑。因此,研究及開(kāi)發(fā)防護(hù)用品是提高運(yùn)動(dòng)安全性的有效保障。
運(yùn)動(dòng)沖擊防護(hù)品是將震動(dòng)吸收材料整合在特殊設(shè)計(jì)的服裝或紡織品中,以吸收來(lái)自于降落或物體沖撞而突然引起的沖擊力的震動(dòng),因此可防范受傷的危險(xiǎn)。
身體防護(hù)品自20世紀(jì)80年代開(kāi)始起步,近年來(lái)各種創(chuàng)新不斷出現(xiàn),至今已發(fā)展成為運(yùn)動(dòng)用品市場(chǎng)的一個(gè)新的分支。
杭州福星工貿(mào)有限公司的趙軍發(fā)明了一種具有緩沖氣囊的運(yùn)動(dòng)防護(hù)服。該發(fā)明鑒于汽車(chē)安全氣囊的靈感來(lái)源,在上衣和褲子的各個(gè)關(guān)鍵部位的表面設(shè)置緩沖氣囊。緩沖氣囊包括內(nèi)外三層結(jié)構(gòu),內(nèi)層為由EVA 或發(fā)泡材料構(gòu)成的防護(hù)緩沖層,中層為空氣層,外層為貼膜面料層,以確保人體在進(jìn)行運(yùn)動(dòng)時(shí)減少傷害,達(dá)到防護(hù)的目的[1]。
Francis Fox設(shè)計(jì)的水氣防護(hù)服利用套在后背及外衣間的一個(gè)囊袋注入可緩解沖擊作用的水和空氣。當(dāng)受到?jīng)_擊時(shí),袋內(nèi)的空氣沿著囊袋的通道被從后背推擠至脖頸處,在擠壓膨脹的作用下緩解沖擊力對(duì)人體的傷害。套在身體上的腰帶松緊可調(diào),以便適應(yīng)不同身材的人體,而且穿脫方便,不用時(shí)可將囊袋中的液體順著導(dǎo)管排出,防止結(jié)冰。穿著該防護(hù)服可在滑雪、自行車(chē)、摩托車(chē)、騎馬等運(yùn)動(dòng)中避免對(duì)人體的傷害。
Alpinestars公司開(kāi)發(fā)的摩托車(chē)氣囊防護(hù)服與傳統(tǒng)摩托車(chē)賽車(chē)服相比,能降低90%的沖擊力。它借助運(yùn)動(dòng)傳感器監(jiān)測(cè)騎手的動(dòng)作,通過(guò)區(qū)分正常的動(dòng)作和失常的動(dòng)作來(lái)判斷駕駛是否失控,并在事故瞬間以毫秒級(jí)速度彈出肩膀和鎖骨位置的氣囊來(lái)保護(hù)騎手。
Dow Coning(道.康寧公司)開(kāi)發(fā)的積極防護(hù)系統(tǒng)既具有柔韌性和透氣性又能為強(qiáng)沖擊力提供最佳保護(hù)。采用這項(xiàng)技術(shù)制作的高性能服裝結(jié)構(gòu)透氣性好、柔軟和質(zhì)量小,穿著舒適,便于運(yùn)動(dòng)。
2.4.1 積極防護(hù)系統(tǒng)的原理
積極防護(hù)系統(tǒng)中采用了將硅樹(shù)脂注入一個(gè)三維空間的紡織品結(jié)構(gòu)的技術(shù)。通過(guò)控制灌注的程度使織物保持完全的透氣性來(lái)最大程度地滿足舒適性需要,系統(tǒng)的易彎曲性使其對(duì)身體的活動(dòng)沒(méi)有限制。
積極防護(hù)系統(tǒng)中的載體由滌綸復(fù)絲制備,具有菱形表面構(gòu)造。滌綸單絲形成的間隔紗線具有三維結(jié)構(gòu):厚度大約為4.5 mm。硅樹(shù)脂注入織物中,間隔織物尺寸的微細(xì)化設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)既讓硅樹(shù)脂最大程度地吸收外力,又保證織物的完全透氣性。當(dāng)受到高速?zèng)_擊時(shí),織物表面和受撞擊區(qū)域的間隔紗上的膨脹硅樹(shù)脂首先接收沖擊力,它們立即轉(zhuǎn)變?yōu)閳?jiān)硬固體,并把外力傳給相鄰的間隔紗。從而將沖擊力展開(kāi)(見(jiàn)圖1)。當(dāng)外力消失后,硅樹(shù)脂再迅速轉(zhuǎn)變?yōu)槿嵝圆牧稀?/p>
圖1 積極防護(hù)系統(tǒng)織物的橫截面
2.4.2 積極防護(hù)系統(tǒng)的性能
與剛性防護(hù)體系相比,防護(hù)作用啟動(dòng)快,作用持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)2倍以上??椢锞哂袩岱€(wěn)定性,在溫度超過(guò)80℃時(shí)會(huì)有輕微的發(fā)粘現(xiàn)象但溫度下降后會(huì)消失。在低溫-20℃時(shí)防護(hù)性依然有效,甚至在-40℃時(shí)也沒(méi)有出現(xiàn)任何不利效果。在潮濕或高溫濕熱條件下,防護(hù)效果也不會(huì)受到影響。除了防機(jī)械沖擊保護(hù)和舒適性,這項(xiàng)新技術(shù)還賦予織物易護(hù)理的性能。經(jīng)10次水洗后服裝的效果沒(méi)有很大的變化[2]。
2.4.3 積極防護(hù)系統(tǒng)的應(yīng)用
這種織物可以進(jìn)行個(gè)性化設(shè)計(jì)。根據(jù)需要設(shè)計(jì)成各種形狀、顏色及厚度,它比其它防護(hù)材料薄,無(wú)需專門(mén)定型。設(shè)計(jì)師可隨意進(jìn)行創(chuàng)造性的設(shè)計(jì)。它易于裁剪,便于制成各種形狀,固定、組裝方法簡(jiǎn)單。初步試驗(yàn)還發(fā)現(xiàn)織物可用硅樹(shù)脂型粘合劑粘在特定的位置上,無(wú)需熱焊接技術(shù)。
這種創(chuàng)新型的織物主要用于摩托車(chē)手或足球、橄欖球和曲棍球等接觸式運(yùn)動(dòng)的高效防護(hù)服裝。它還可以制成其它防護(hù)器具,如:護(hù)脛、頭盔、護(hù)膝、墊肩、鞋子和手套。這種強(qiáng)力保護(hù)產(chǎn)品的透氣性、柔韌性、穿著的靈活性、輕便性都是其它類似產(chǎn)品難以比擬的。因此,用于運(yùn)動(dòng)服、安全工作服和軍事防護(hù)服上效果特別好。
近來(lái),有關(guān)研究表明,給生產(chǎn)帶來(lái)負(fù)面影響的剪切增稠液體(STF),當(dāng)用于浸滲高性能防護(hù)材料時(shí),在不改變材料防彈和防刺性能的情況下,可顯著提高防護(hù)裝甲的舒適性,并進(jìn)一步減輕裝甲質(zhì)量。
2.5.1 剪切增稠“液體裝甲”的防護(hù)原理
液體裝甲的關(guān)鍵成分是一種剪切增稠液體,(Shear thickening fluid)。剪切增稠液體由懸浮在聚乙二醇中的堅(jiān)硬粒子組成。聚乙二醇是無(wú)毒的,能承受的溫度范圍很廣。極其細(xì)小堅(jiān)硬的硅微粒是STF 的另一成分。受到高速?zèng)_擊后STF固態(tài)粒子能夠握住紗線,防止紗線在高速?zèng)_擊下相互移動(dòng),這樣能量主要被纖維的拉伸變形吸收。
2.5.2 剪切增稠“液體裝甲”的防護(hù)性能
制作液體裝甲“凱夫拉”防彈背心時(shí),“凱夫拉”背心的每一層都用STF 浸透。浸泡后的“凱夫拉”織物可以像其他任何一種織物一樣浸濕和縫制。STF能增加織物的防彈性能,且在“凱夫拉”機(jī)織物層數(shù)相同時(shí),隨著浸入STF 溶液體積的增加其防彈性能增加;當(dāng)純“凱夫拉”織物和“STF-凱夫拉”織物總質(zhì)量相同時(shí),其具有同等的防彈性能,不同的是“STF-凱夫拉”織物厚度明顯小于純“凱夫拉”織物,其柔軟性優(yōu)于純“凱夫拉”織物。STF不但能增強(qiáng)“凱夫拉”機(jī)織物的防彈、防刺性能,而且減少了織物的復(fù)合層數(shù),使防護(hù)裝甲更薄,柔韌性、彈性更好,能夠用于全身防護(hù)[3]。
傳統(tǒng)的衣料在遇到撞擊時(shí),會(huì)隨著受力方向下陷,將力量直接傳導(dǎo)到穿著者的肉體上。一般的防護(hù)服是在容易受傷的部位附上像頭盔一樣堅(jiān)硬的外部保護(hù),目的是像套一個(gè)輕便的拳擊手套一樣起到一定的緩沖作用。例如摩托車(chē)運(yùn)動(dòng)的機(jī)車(chē)防護(hù)裝備包括安全帽、機(jī)車(chē)服、安全鞋、背甲與手套,主要保護(hù)部位為人體的肩部、肘部、臀部、背部、膝部、指關(guān)節(jié)與足踝。這些都是機(jī)車(chē)服的重點(diǎn)防護(hù)部位。但是,當(dāng)運(yùn)動(dòng)員受到很大的撞擊時(shí),還是難以避免受傷。因此耐沖擊性是評(píng)估防護(hù)用具效果的最重要指標(biāo)。在歐洲規(guī)范中,EN1621-1標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定,用50J能量施加于受測(cè)物上,測(cè)試后力量轉(zhuǎn)移的平均值要低于35N,且最大值不能超過(guò)50N,才算有足夠的耐沖擊力。除耐沖擊性外,針對(duì)尖銳邊緣或點(diǎn)刺表面的耐穿刺性也是一項(xiàng)重要指標(biāo)。
基本上,沖擊防護(hù)品的防護(hù)水平隨著防護(hù)填充物的厚度及硬度而增強(qiáng)。然而,高硬度填充物會(huì)在襯墊邊沿產(chǎn)生應(yīng)力點(diǎn),加劇防護(hù)系統(tǒng)的邊緣對(duì)人體的傷害。而且厚重硬挺的防護(hù)用具會(huì)影響運(yùn)動(dòng)員的動(dòng)作靈敏度。因此,防護(hù)服的設(shè)計(jì)要求是在輕便的同時(shí),盡量保證適當(dāng)?shù)膹椓秃穸?,根?jù)不同護(hù)具的要求進(jìn)行設(shè)計(jì)。理想的護(hù)具要求是輕質(zhì)、薄、彎曲性佳以及高沖擊力吸收能力。
目前主要有以下三種類型:
硬制護(hù)具材質(zhì)主要有PVC、金屬、硬質(zhì)橡膠等,其優(yōu)點(diǎn)是耐摩擦、耐穿刺,但由于其質(zhì)地較硬,沖擊緩沖性能較差,因此多用于外置護(hù)具的制作。如FOX 的外置護(hù)具,主要適用于路面環(huán)境比較惡劣的場(chǎng)合。
軟質(zhì)護(hù)具主要包含EVA、XPE、合成橡膠等,其優(yōu)點(diǎn)是質(zhì)地柔軟、穿著舒適、沖擊緩沖性能優(yōu)良,在高速平整的路面保護(hù)作用優(yōu)于硬質(zhì)護(hù)具,并能起到很好的減震緩沖作用?,F(xiàn)在廣泛使用的震動(dòng)吸收材料是發(fā)泡多聚體類敷料,如:聚氨酯、聚乙烯、乙酸乙烯脂,以及其他材料,如凝膠、氣囊及襯墊織物。
隨著市場(chǎng)的發(fā)展和民用的普及推廣,二合一護(hù)具比較實(shí)用。它在硬質(zhì)外殼中加入了EVA 緩沖,集合了硬質(zhì)護(hù)具和軟質(zhì)護(hù)具的優(yōu)點(diǎn),最適合民用級(jí)別的產(chǎn)品。
運(yùn)動(dòng)時(shí)人隨著身體不停地活動(dòng),體溫變化,人體的生理狀態(tài)隨之改變。體育活動(dòng)中的不舒適會(huì)影響運(yùn)動(dòng)員的速度、力量、動(dòng)作準(zhǔn)確及耐受力。因此,運(yùn)動(dòng)防護(hù)品生產(chǎn)商的基本目的是開(kāi)發(fā)出既能滿足運(yùn)動(dòng)關(guān)于防護(hù)的需要,又具有舒適性能的產(chǎn)品,從而促進(jìn)防護(hù)服的銷售及使用。
最佳運(yùn)動(dòng)性能要求:盡可能準(zhǔn)確地控制一系列的特殊運(yùn)動(dòng)技巧。為方便有效運(yùn)動(dòng),防止運(yùn)動(dòng)防護(hù)用品產(chǎn)生不舒適的接觸壓力及限制運(yùn)動(dòng)自由非常重要。
沖擊防護(hù)品的設(shè)計(jì)對(duì)保證良好的防護(hù)作用很大。保持震動(dòng)吸收填充物在身體的正確位置是最重要的,因?yàn)榛顒?dòng)中的滑脫及移位會(huì)減弱保護(hù)功能。因此防護(hù)品的首要因素是要緊身以防止移位。圖2是防護(hù)冰球褲,其特點(diǎn)是緊身,防止防護(hù)墊移位。
圖2 防護(hù)冰球褲
防護(hù)品還應(yīng)根據(jù)身體的部位進(jìn)行設(shè)計(jì)。由Uh1sport推出的Support frame款守門(mén)員手套在性能上無(wú)可挑剔,手套具有革命性的手掌、手背整片處理,減少接縫,更加適應(yīng)手部的自然運(yùn)動(dòng),并配合手的骨骼結(jié)構(gòu)給予手更強(qiáng)的支持、穩(wěn)定和保護(hù)。12°彎曲結(jié)構(gòu)更加符合手腕結(jié)構(gòu),按手骨結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的手套手指形狀增大了控制球的面積。
為縮小服裝對(duì)特殊運(yùn)動(dòng)的阻力,設(shè)計(jì)必須不僅適合身體曲線,并且適合特定運(yùn)動(dòng)的動(dòng)作。通過(guò)觀察可以發(fā)現(xiàn),摩托車(chē)手駕乘摩托車(chē)時(shí)的姿勢(shì)基本是固定的,其手臂與膝蓋始終處于彎曲狀態(tài)。摩托車(chē)服的著裝環(huán)境與日常生活服裝存在重大差異,如果摩托車(chē)服不加入運(yùn)動(dòng)功能性設(shè)計(jì)則將直接影響到摩托車(chē)服的著裝舒適性。摩托車(chē)服上衣運(yùn)動(dòng)功能性設(shè)計(jì)主要體現(xiàn)在:后背寬比前胸寬至少大5cm(日常生活用服裝后背寬比前胸寬大2 cm),以滿足后背寬的運(yùn)動(dòng)松量;后衣長(zhǎng)至少比前衣長(zhǎng)多4cm,以滿足后背長(zhǎng)的運(yùn)動(dòng)松量;袖型為兩片袖或三片袖,且需要在一片袖的基礎(chǔ)上加入彎勢(shì)設(shè)計(jì),以滿足肘部的運(yùn)動(dòng)松量。成品摩托車(chē)服袖子的外觀造型應(yīng)向前傾斜,與騎在摩托車(chē)上人體胳膊彎曲形狀相一致。摩托車(chē)褲裝后腰翹比普通褲裝后腰翹要高出2~5cm,主要目的是滿足后襠的運(yùn)動(dòng)松量;膝位處應(yīng)采取省道設(shè)計(jì)或省道處理,使摩托車(chē)褲在膝位處符合膝關(guān)節(jié)的活動(dòng)松量[4]。因此,摩托車(chē)服應(yīng)在人體靜態(tài)尺寸的基礎(chǔ)上,結(jié)合人在摩托車(chē)上的動(dòng)態(tài)尺寸進(jìn)行設(shè)計(jì),使摩托車(chē)服的各個(gè)指標(biāo)與人體各種要求達(dá)到最佳匹配狀態(tài)。
此外,防護(hù)用具的尺寸應(yīng)適合個(gè)體要求。設(shè)計(jì)可調(diào)節(jié)或靈活扣件的調(diào)整系統(tǒng)便于防護(hù)者個(gè)人調(diào)整,并且材料要有一定程度的拉伸性,以保證最佳效果。世界知名機(jī)車(chē)服生產(chǎn)公司Dainese的膝、腿部護(hù)具提供膝部、小腿、足踝部位防護(hù),可通過(guò)粘扣帶調(diào)節(jié)尺寸。這套護(hù)具還可分離,根據(jù)需要可將足踝部位分離,調(diào)整便捷[5]。
在運(yùn)動(dòng)活動(dòng)中干擾身體及心理的一個(gè)重要因素是運(yùn)動(dòng)員的不舒適感覺(jué),尤其是生理的、心理的以及環(huán)境因素的影響。德國(guó)Hohenstein研究院研究人員發(fā)現(xiàn):在日常穿著舒適感覺(jué)中,熱濕因素占66%,皮膚感知因素占34%。而且,外部條件,例如環(huán)境溫度及濕度對(duì)室外活動(dòng)的運(yùn)動(dòng)員有著深遠(yuǎn)影響。性能優(yōu)良的運(yùn)動(dòng)服裝通過(guò)熱濕交換過(guò)程,產(chǎn)生舒適的熱微氣候適應(yīng)人體的熱運(yùn)動(dòng)。而身體防護(hù)品組成覆蓋身體表面的服裝的附加塊,增加了運(yùn)動(dòng)服的熱阻。而且填充材料的透氣性變化很大,例如,高密度泡沫具有低透氣性,不滲透的凝膠或PVC空氣層構(gòu)成了內(nèi)部熱濕交換的障礙[6-7]。
夾克式摩托車(chē)服一般分為皮夾克和紡織面料夾克兩種。紡織面料多選用滌綸或尼龍面料,高強(qiáng)度的牛津布或塔斯隆面料使用較多。杜邦的Cordura就是一種高強(qiáng)度纖維,既具有良好的透氣性又非常堅(jiān)韌,同時(shí)還能防風(fēng)、防雨。內(nèi)膽面料也非常講究,一般采用與戶外運(yùn)動(dòng)服相同的單向透氣面料,以保證透氣的同時(shí)又能吸汗。即便是炎熱的天氣也不用敞開(kāi)外衣,只需打開(kāi)通氣孔即可,因此需要在腋下安裝通風(fēng)拉鏈,否則外衣會(huì)隨風(fēng)漫卷,造成安全隱患。
Dainese的防護(hù)上衣是復(fù)合式的軟式防護(hù)衣,采用高透氣、多孔、高強(qiáng)力Lycra,同時(shí)配備粘扣帶調(diào)節(jié)式護(hù)腰帶,肩部與手臂的護(hù)具以粘扣帶固定于胸前[8]。Sixsixone的前臂、肘、膝部、脛骨護(hù)具采用舒適透氣的EVA 發(fā)泡材料;其防護(hù)上衣適用于越野騎車(chē)的防護(hù),前后均有塑料硬殼給予防護(hù),上裝帶有彈性寬護(hù)腰帶,前臂與肘部有特別防護(hù),后背脊處有開(kāi)節(jié)裝的塑料硬殼給予防護(hù)。Tory lee SE防護(hù)褲前片部位采用強(qiáng)化尼龍布,以增加其耐久性;膝部?jī)?nèi)面采用彈性Kelvar面料;膝部外面用強(qiáng)化尼龍面料進(jìn)行風(fēng)箱褶裥設(shè)計(jì),大大增加了活動(dòng)性;在腰部至胯部間,用變向的螺紋彈性布作V 形設(shè)計(jì),可以增加其合身性與舒適度;網(wǎng)狀內(nèi)里設(shè)計(jì)可以增加透氣性[9-10]。
綜合以上分析可以看出,耐沖擊運(yùn)動(dòng)防護(hù)服屬于特殊防護(hù)服,除了需結(jié)合人體的靜態(tài)尺寸和動(dòng)態(tài)尺寸進(jìn)行設(shè)計(jì)外,最重要的是要從防護(hù)、安全、運(yùn)動(dòng)、舒適四個(gè)方面加強(qiáng)功能設(shè)計(jì),只有這樣才能真正達(dá)到人——運(yùn)動(dòng)——環(huán)境的有機(jī)統(tǒng)一,使他們處于最佳匹配狀態(tài)。新形勢(shì)下的耐沖擊運(yùn)動(dòng)防護(hù)用品要求既具有柔韌性和透氣性又能為強(qiáng)沖擊力提供最佳保護(hù)。因此,耐沖擊運(yùn)動(dòng)防護(hù)用品正朝著沖擊能量吸收能力強(qiáng),沖擊回復(fù)性好,彎曲性佳,以及輕薄、舒適方向發(fā)展。
[1]一種具有緩沖氣囊的運(yùn)動(dòng)防護(hù)服和該緩沖氣囊的制作方法[P].CN102210493A.
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