竹安全帽編織工藝及產(chǎn)品性能研究*

林朝陽 費本華 孫豐波 魏松坡 黃 彬

（1.福建省建甌市朝陽竹編帽業(yè)有限公司，福建 建甌 353100；2.國際竹藤中心，北京 100020）

我國約有8 000 萬從業(yè)人員需佩戴安全帽，隨著安全要求的不斷提高，安全帽的需求量以約10%的增幅逐年遞增[1]。安全帽作為工業(yè)生產(chǎn)中重要的頭部防護裝備，其設(shè)計、制造質(zhì)量的提升十分重要。目前制作安全帽的材料主要以玻璃鋼殼和塑料殼為主[2-7]，玻璃鋼殼以玻璃纖維、維倫絲、丙倫無紡布和樹脂等為原料；塑料殼以聚碳酸酯、超高分子聚乙烯、改性聚丙烯等為原料。這兩類帽殼成形容易、質(zhì)量控制到位，因而被廣泛使用[8-12]。然而，一些安全帽通風(fēng)性能差，在悶熱的環(huán)境下，尤其在炎熱的夏季或者在高溫、高濕地區(qū)，使用者會因透氣性不好摘下安全帽，導(dǎo)致事故發(fā)生，因此有巨大的安全隱患[1]。

為了增加安全帽的舒適度，設(shè)計師通過在帽殼上增加通風(fēng)口或安裝微型風(fēng)扇等形式，以改善安全帽通風(fēng)性能，取得了一定效果，但并未能廣泛使用。由竹絲編制而成的安全帽帽殼，由于采用手工編織，經(jīng)緯篾絲編織留有縫隙，因此透氣透濕性良好。再經(jīng)浸膠處理，竹編帽殼具有輕質(zhì)高韌、強度大、彈性好等特點，克服了塑料、玻璃鋼等安全帽悶熱、質(zhì)量重以及對人體易產(chǎn)生化學(xué)過敏等缺點，提升了安全帽的舒適度，可應(yīng)用于建筑、礦山冶金、林業(yè)、碼頭、交通等工業(yè)場所。

竹編安全帽的編織工藝充分利用了竹材天然優(yōu)良的劈篾性能和力學(xué)強度[13-18]，編制成的安全帽堅固耐用，可以竹代塑[19-23]，具有很高的應(yīng)用和推廣價值。竹編安全帽的編織工藝也是對我國傳統(tǒng)竹編工藝的繼承和延伸[24-25]。目前，市場上流通的竹編安全帽產(chǎn)品形式多樣，質(zhì)量參差不齊，缺乏統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)，對于制作工藝技術(shù)與相關(guān)性能均缺乏系統(tǒng)的研究和科學(xué)評價，這不利于產(chǎn)品的推廣和技術(shù)提升。本文對竹編安全帽制作工藝和性能進(jìn)行分析，以期為竹編安全帽產(chǎn)品的技術(shù)進(jìn)步、標(biāo)準(zhǔn)制定、產(chǎn)品推廣提供依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 材料

竹材：2～4年生的毛竹（Phyllostachys edulis），產(chǎn)地為福建省建甌市，胸徑為4～6 cm，無死竹、蟲蛀、霉變。竹材長度不小于5 m，彎曲度不超過7%，和生枝椏分叉處須離根部2 m以上。將竹材加工成竹絲，具體標(biāo)準(zhǔn)詳見表1。下額帶：以丙綸紗線為原料，采用經(jīng)緯交錯織造而成。加強鋼板：直徑10 cm,厚度0.5 mm的不銹鋼板材，置于加強筋和帽殼之間。脲醛膠：以甲醛、尿素、聚乙烯醛、三聚氰胺、工業(yè)淀粉為原料，每噸按0.7∶0.4∶0.025∶0.02∶0.025比例制成。

表1 竹編帽殼結(jié)構(gòu)單元規(guī)格及要求Tab.1 Specifications and requirements of structural unit of bamboo braided helmet shell

1.2 竹安全帽編織工藝

竹安全帽編織工藝包括竹材破篾、帽殼編織、浸膠和組裝，如圖1 所示。

圖1 竹編安全帽生產(chǎn)工藝Fig.1 Production technology of bamboo safety helmet

1） 竹材破篾：將竹材破篾，制成各種規(guī)格的篾絲。

2）帽殼編織：用定型器排布筋篾，鎖緊頂絲；頂絲鎖好后，用套具固定在標(biāo)準(zhǔn)頭模上；編織盔絲和腰絲；腰絲編織完成后，每根筋篾用無煙酒精燈燒烤彎曲至90°；再編沿絲至標(biāo)準(zhǔn)長度，鎖好鎖邊絲；最后完成帽沿扎口。

3）帽殼浸膠：采用尿醇膠對帽殼進(jìn)行浸膠處理，對浸膠后的安全帽進(jìn)行稱重，間隔8 h稱重1 次，直至帽殼質(zhì)量無變化，計算浸膠率。本試驗中帽殼的浸膠率為23%。

4）安全帽組裝：將帽殼浸膠后晾干，安裝好防護鋼板和下頜帶，完成安全帽組裝。

1.3 性能測試與分析

按照GB/T 2812—2006 《安全帽測試方法》，測試安全帽的沖擊吸收性能和耐穿刺性能，先將安全帽送檢樣品進(jìn)行高溫（50 + 2）℃、低溫（-10 + 2）℃和浸水（20 + 2）℃預(yù)處理3 h，再將預(yù)處理的樣品佩戴在標(biāo)準(zhǔn)頭模上，如圖2所示[24]，落錘、穿刺錘的高度為1 000 mm，記錄沖擊吸收力值和穿刺結(jié)果。

圖2 沖擊吸收和耐穿刺性能測試裝置示意圖Fig. 2 Schematic diagram of impact absorption and puncture resistance test device

安全帽沖擊試驗過程中，根據(jù)能量守恒定律，落錘撞擊產(chǎn)生的動能被分為3 部分，第一部分能量以應(yīng)力波的形式發(fā)射進(jìn)入落錘，被稱為E1；第二部分被安全帽吸收的能量，被稱為E2；第三部分為進(jìn)入頭部模型的能量，被稱為E。根據(jù)安全帽檢測規(guī)范規(guī)定，安全帽經(jīng)高溫、低溫、浸水預(yù)處理后，進(jìn)入頭模的沖擊力不超過4.9 kN，則安全帽沖擊性能視為合格。

2 結(jié)果與分析

2.1 性能評價

對竹編安全帽樣品進(jìn)行了抽樣送檢，每組樣品8 個，結(jié)果如圖3 所示。竹編安全帽樣品經(jīng)高溫處理后，樣品中頭模沖擊吸收力（Ea）最大值為4.49 kN，最小值為1.35 kN，平均值為2.85 kN；經(jīng)低溫處理后，檢測樣品中頭模吸收力（Eb）最大值為4.34 kN，最小值為1.75 kN，平均值為2.92 kN；經(jīng)常溫浸水處理后，檢測樣品中頭模沖擊吸收力（Ec）最大值為4.38 kN，最小值為1.51 kN，平均值為2.59 kN。送檢竹編安全帽樣品的沖擊吸收性能合格。

圖3 不同預(yù)處理下竹編安全帽的沖擊吸收性能Fig.3 Impact absorption properties of bamboo woven safety helmet with different pretreatment

安全帽耐穿刺試驗過程中，穿刺錘接觸頭模形成閉合電路會發(fā)出信號。經(jīng)檢測，安全帽經(jīng)過高溫、低溫、常溫浸水3 種處理后，送檢的8 個樣品耐穿刺性能合格，穿刺錘均未接觸頭模表面，帽殼無碎片脫落。

2.2 沖擊吸收力分布特征

在竹編安全帽制作工藝中，一是對竹編帽殼進(jìn)行浸膠處理，以增強材料的沖擊韌性；二是在帽頂?shù)南路皆O(shè)置防護鋼板，以增加安全帽的安全系數(shù)。為了進(jìn)一步測試膠黏劑、鋼板對安全帽沖擊韌性的影響，對未浸膠、未加防護鋼板的安全帽（M1），浸膠、未設(shè)防護鋼板的安全帽（M2）和浸膠、加防護鋼板的安全帽（M3），分別進(jìn)行了常溫常態(tài)下的沖擊吸收性能測試，結(jié)果如圖4所示。由圖可知，3種安全帽的沖擊吸收力中位數(shù)值為M1>M2>M3，說明浸膠處理和鋼板均提高了竹編安全帽的沖擊吸收性能。M1中沖擊吸收力的中位數(shù)值小于4.9 kN，上方邊緣數(shù)值高于4.9 kN，有異常值，且數(shù)值高于4.9 kN，說明竹編帽殼在未經(jīng)處理的情況下，直接應(yīng)用于安全帽生產(chǎn)，會有部分產(chǎn)品沖擊吸收性能不合格。M2和M3的上方邊緣數(shù)值均在4.9 kN以下，且無異常值，說明竹編帽殼在浸膠處理后，沖擊性能提高，達(dá)到了安全帽性能要求；M2中位數(shù)值大于M3中位數(shù)值，說明浸膠處理的竹編帽殼安裝上鋼板后，沖擊性能進(jìn)一步提高。

圖4 不同帽殼結(jié)構(gòu)沖擊吸收性能Fig.4 Impact absorption properties of different cap shell structures

為了進(jìn)一步分析浸膠和鋼板對竹編安全帽安全系數(shù)的提升程度，對3 種安全帽M1、M2、M3 的沖擊吸收力進(jìn)行了方差分析和多重比較。如圖4 所示，M1 與M2 之間和M1 與M3 之間均存在顯著差異（P<0.01），M2 與M3 之間差異性不顯著（P>0.05），說明竹編安全帽經(jīng)過浸膠后沖擊吸收性能顯著提高；安裝鋼板對浸膠處理后的竹編安全帽的沖擊吸收性能有所提升，但提升幅度不顯著。

2.3 沖擊破壞外觀圖像分析

對沖擊試驗后的竹編安全帽樣品進(jìn)行了圖像分析，如圖5 所示。M1 的15 個樣品均發(fā)生了破壞，破壞形式有3 種，包括帽頂塌陷、頂絲斷裂、筋篾斷裂。其中，發(fā)生帽頂塌陷的有11 個，頂絲和筋篾未斷裂；帽殼頂絲斷裂2 個；筋篾斷裂2 個。說明將未經(jīng)任何處理的竹編帽殼直接用于安全帽組裝達(dá)不到安全帽的性能要求。M2 的15 個樣品經(jīng)沖擊后，外觀保持完好的有11個，出現(xiàn)的破壞形式為撞擊點塌陷、頂絲斷裂、筋篾斷裂3 種。其中，撞擊點塌陷1 個，帽殼頂絲斷裂1 個，筋篾斷裂2 個。M3 的15 個樣品經(jīng)沖擊后，外觀保持完好的有13 個，外觀破壞的有2 個樣品，破壞形式相同，均發(fā)生帽殼頂絲斷裂和鋼板變形。可見，經(jīng)浸膠處理和加設(shè)鋼板后的竹編安全帽沖擊吸收性能增強，經(jīng)沖擊試驗后，帽殼外觀有少量破損。

圖5 竹編安全帽沖擊破壞圖像Fig. 5 Impact damage image of bamboo safety helmet

綜合三者的破壞形式可以推斷，竹編安全帽的破壞形式依次是頂絲和筋篾斷裂、撞擊點塌陷、鋼板變形、帽頂塌陷，浸膠處理防止了帽頂?shù)乃?，鋼板防止了撞擊點的塌陷。

3 結(jié)論

本文對竹編安全帽的材料選擇、制作工藝進(jìn)行闡述，對產(chǎn)品性能進(jìn)行分析評價，主要得出以下結(jié)論：竹材可作為安全帽的生產(chǎn)原料，其性能能夠滿足耐沖擊和耐穿刺要求；竹編安全帽沖擊試驗表明，沖擊過程中，竹編帽殼依次產(chǎn)生頂絲和筋篾斷裂、撞擊點塌陷、帽頂塌陷等破壞方式；浸膠處理可顯著增加竹編安全帽的沖擊韌性，并有效防止帽頂塌陷發(fā)生；在竹編安全帽中增設(shè)鋼板，可進(jìn)一步提升竹編安全帽的防護性能，并可有效防止撞擊點塌陷發(fā)生。本文通過對竹安全帽編織工藝和產(chǎn)品性能的研究，為竹編安全帽的技術(shù)提升、標(biāo)準(zhǔn)制定和產(chǎn)品推廣提供了依據(jù)，也為進(jìn)一步研究分析奠定了基礎(chǔ)。