充氣面料抗沖擊性能及其應用

王偉， 李艷梅*， 王方明

(1.上海工程技術大學 紡織服裝學院，上海 201620，2.蘇州市興豐強紡織科技有限公司，江蘇 蘇州 215228)

充氣面料是一種在氣室內(nèi)充入空氣的新型環(huán)保柔性材料[1]，可利用空氣的壓縮性和流動性起到緩沖防護作用[2]；此外，在具有一定保暖性的同時還可以減輕服裝質(zhì)量。文中主要研究充氣面料的抗沖擊性能，同時以老年人防跌傷服裝開發(fā)為例研究其應用價值。

目前，國內(nèi)外有關充氣面料影響因素的研究主要包括面料充氣量、透氣性[3]、氣室內(nèi)氣壓、面料結(jié)構形狀[4]、力學性能[5]、充氣面料蠕變性[6]等，其中面料充氣量、面料結(jié)構形狀是影響充氣面料抗沖擊性能的主要因素。但在國內(nèi)外研究成果中對將充氣面料應用于防摔服裝上的理論和設計研究較少[7]，大多集中在跌倒監(jiān)測和充氣面料觸發(fā)系統(tǒng)等單一功能設備方面。如史晨琛等[8]使用尼龍材質(zhì)的充氣面料，結(jié)合跌倒檢測系統(tǒng)，設計了一款老人防摔腰帶，既滿足老人對安全防護的需求，又顧及人體對服裝舒適度的要求，提高了服裝的安全性和舒適性。楊俊飛[9]著眼于充氣面料結(jié)構，設計了一款老人髖部保護器，使該髖部保護器更貼近髖部，提高與人體曲面的貼合度。張文龍等[10]根據(jù)汽車安全氣囊的防護原理，設計了一款老年髖部防護氣囊，監(jiān)測跌倒行為，在老人跌倒前展開充氣囊，起到減震緩沖作用。李子丹等[11]從面料選擇和結(jié)構設計出發(fā)，兼顧服裝的舒適性、抗菌性及抗沖擊力等因素，結(jié)合人體工學和高新技術，使用充氣面料設計了一款老年防摔馬甲，全方位保障老年人安全。

文中選用蘇州興豐強紡織科技有限公司研發(fā)生產(chǎn)的充氣面料，研究不同充氣花型和充氣厚度面料的抗沖擊性能，并在優(yōu)選面料的基礎上，將充氣面料與老年人日常穿著服裝相結(jié)合，為老年人防跌傷功能服裝的開發(fā)提供新的思路和參考。

1 材料與方法

1.1 材料和儀器

1.1.1材料 實驗用充氣面料試樣由面料底布和覆膜組成，由蘇州興豐強紡織科技有限公司研發(fā)生產(chǎn)，具體說明見表1。

表1 充氣面料組成

為了研究面料花型及充氣厚度對充氣面料抗沖擊性能的影響，選取5種花型的測試樣品。采用FH-PUR熱熔膠復合機按照底布—覆膜—覆膜—底布組成方式將薄膜與面料壓合，覆膜間不黏合，再使用公司膠合專利技術熱壓出面料花型，按照熱壓軌跡形成六邊形、短橫條紋、斜條紋、長橫條紋及圓點5種花型，具體如圖1所示。5款充氣面料的基本參數(shù)見表2。

圖1 面料花型Fig.1 Fabric pattern

表2 基本參數(shù)

1.1.2儀器 實驗用試樣測量儀器、用途及使用方法見表3。

表3 實驗儀器

1.2 充氣面料的抗沖擊性能指標

物體從高處跌落到地面的瞬間與地面的接觸作用力[13]為

(1)

式中：F為物體與地面的作用力；m為跌倒物體的質(zhì)量；dv為物體與地面碰撞時的瞬時速度；dt為碰撞時間。

由式(1)可知，沖擊力與物體的質(zhì)量、沖擊時的瞬時速度及碰撞時間有關，當碰撞時的瞬時速度一定時，跌落時間越長，沖擊力F越小。一般情況下，人體正常行走時跌倒的速度小于10 m/s，即屬于低速跌倒沖擊[14]。

人體跌倒過程中，髖部觸地瞬間的沖擊力最大，充氣面料作為防護層發(fā)生反彈，地面對其產(chǎn)生作用力，使充氣面料變形起到緩沖作用，剩下的力再對人體做功。因此，充氣面料能減小人體髖部所受的沖擊力，其公式為

F抗沖擊=F無面料-F有面料

(2)

式中：F無面料表示無充氣面料時髖部觸地的最大沖擊力值;F有面料表示有充氣面料時髖部觸地的最大沖擊力值;F抗沖擊表示緩沖吸收和分散的外力，為有無緩沖材料的最大沖擊力差值。

F抗沖擊值越大，代表充氣面料吸收和分散外力的能力越好，緩沖效果越好，人體所受傷害就越小。因此，可將F抗沖擊作為充氣面料抗沖擊性能優(yōu)劣的依據(jù)。

充氣面料的抗沖擊性能主要反映面料的能量分流和能量吸收效果[15]。假人與測力臺碰撞時所受的沖擊合力為

(3)

式中：FX，F(xiàn)Y，F(xiàn)Z分別為假人在測力臺X，Y，Z方向上所受的分力。其中FZ對應物體跌落的垂直程度，具有特別研究意義。

1.3 實驗方法

1.3.1充氣面料厚度測試 設置溫度20±2 ℃和相對濕度65%±5%的室溫環(huán)境，將面料試樣在此環(huán)境下靜置4 h后，使用織物厚度儀測量不同充氣量下的面料厚度。將乳膠球與膠管一端連接，另一端接入面料充氣口，手動給充氣面料充氣。為保證充氣面料厚度測量的準確性，當充氣面料充入一定量的空氣后，在其上下各放入一塊亞克力板(邊長40 cm、厚度4 mm)，再用織物厚度儀測量面料試樣和亞克力板的總厚度，最后減去2塊亞克力板的厚度即為面料試樣的充氣厚度。在相同條件下測量3次，取平均值。各充氣面料分為3種厚度(10,20,30 mm)。在測量過程中需注意2點：①整個實驗過程中厚度的測量均在亞克力板平壓的情況下測量，測得的樣品厚度為充氣樣品的平均凈厚度；②氣壓值測量時可以忽略連接充氣膠管和氣壓測試儀器時泄露的微量氣體。

1.3.2充氣面料抗沖擊性能測試 在室溫20±2 ℃、相對濕度65%±5%的環(huán)境下，將面料試樣充氣后，固定在醫(yī)用假人的髖部，使面料與假人髖部間無縫隙，確保碰撞測得數(shù)據(jù)的準確性。同時，將醫(yī)用假人傾斜擺放，使假人髖部與測力臺保持85 cm高度，以便模擬老人摔倒方式，釋放假人，使假人自然跌倒，髖部沖擊測力臺，連接計算機同步采集數(shù)據(jù)并記錄跌倒測試過程中的時間、沖擊力值等。實驗過程中，取不同充氣厚度面料的試樣進行3次沖擊實驗，實驗結(jié)果取其平均值。

2 結(jié)果與討論

2.1 充氣面料抗沖擊性能表征

假人模擬老人跌倒時的沖擊力和時間關系曲線如圖2所示。由圖2可知，隨著時間的推移，假人在測力臺上受到的沖擊力呈上升狀態(tài)并達到峰值，峰值過后，沖擊力隨之又逐漸減小，并趨于平緩狀態(tài)。沖擊力越大，說明充氣面料的抗沖擊性能越差。

圖2 老人跌倒時的沖擊力和時間曲線Fig.2 Impact force and time curve when an old man falls

綜上，文中主要以沖擊力峰值來表征充氣面料的抗沖擊性能，即指發(fā)生碰撞時，充氣試樣在測力臺上的瞬時反作用力，通過比較不同花型、不同充氣厚度的充氣面料受到碰撞時的沖擊力峰值大小，判斷充氣面料本身的抗沖擊性能。

2.2 充氣面料的抗沖擊性能

此次實驗中，設置一組無充氣面料的對照組。假人跌倒時髖部觸地的最大沖擊力及F抗沖擊值計算結(jié)果見表4。假人跌倒時髖部觸地F抗沖擊值變化圖如圖3所示。

結(jié)合表4和圖3可知，充氣厚度在10，20，30 mm下的F抗沖擊值均大于0，即髖部觸地時，有面料的最大沖擊力均小于無面料時的最大沖擊力，說明充氣面料具有一定的緩沖作用。充氣面料對髖部均起到了明顯的保護作用，證明利用充氣面料實現(xiàn)了人在跌倒情況下的緩沖防護效果，實驗具有可行性。

表4 最大沖擊力及F抗沖擊值計算結(jié)果

圖3 髖部F抗沖擊值變化Fig.3 Changes in hip Fimpact resistance

2.3 花型對充氣面料抗沖擊性能的影響

花型不僅會阻礙肢體的彎曲，影響服裝本身的裝飾效果，及服裝的外觀造型[16](如微胖人群穿著寬橫條圖案充氣服裝會增加人們視覺上的橫向?qū)挾?，同時也會影響充氣面料的抗沖擊性能，因為空氣具有流動性，充氣結(jié)構中的空氣會隨著跌倒碰撞發(fā)生點位氣壓移動現(xiàn)象，故而起不到緩沖減震作用。對5種花型在10，20，30 mm充氣厚度條件下進行跌倒實驗，觀察最大沖擊力的變化情況，結(jié)果如圖4所示。

由圖4可知，5種花型面料的沖擊曲線類似，均在0.45～0.55 s內(nèi)達到最大值，沖擊力大小依次為花型2#>3#>5#>4#>1#。在同一充氣厚度不同花型下，充氣面料的最大沖擊力有較大差異，根據(jù)緩沖效果與最大沖擊力相反原理，5種花型的緩沖效果依次為花型1#>4#>5#>3#>2#，說明花型對充氣面料的最大沖擊力有一定影響，充氣面料的防護效果會隨著花型的變化而變化，且變化幅度較大。

圖4 不同充氣厚度下花型1#～5#沖擊力與時間曲線Fig.4 Impact force and time curve of pattern 1#to 5#under different inflation thickness

花型對充氣面料抗沖擊性能的影響主要表現(xiàn)在花型的形狀和熱壓點密度方面。如花型2#，4#的熱壓點密度小，間距較大，花型呈大塊條狀氣囊；而花型3#，5#的熱壓密度雖較大，但熱壓間距大，充氣后形成大塊氣室，使得充氣面料在沖擊碰撞過程中，氣室內(nèi)的點位氣壓隨著空氣流動發(fā)生大幅度移動現(xiàn)象，降低抗震緩沖作用；只有花型1#的熱壓點密集、間距小，充氣后花型形狀緊湊，在受到地面沖擊時能較好地分散沖擊力，達到良好的抗沖擊效果。

上述5種花型面料中，花型1#的抗沖擊性能較佳，花型2#的抗沖擊性最差。綜上可得，充氣面料的抗沖擊性能與其面料花型有一定的相關性。

2.4 充氣厚度對充氣面料抗沖擊性能的影響

充氣面料的充氣量直接影響其抗沖擊性能，充氣量太小起不到抗沖擊作用，充氣量太大會使充氣面料的剛性增大，從而降低其抗沖擊效果。因此，在一定范圍內(nèi)，增加充氣量會提高充氣面料的抗沖擊效果，具體結(jié)果如圖5所示。

圖5 5種花型的最大沖擊力與充氣厚度曲線Fig.5 Maximum impact force and inflated thickness curve of five flower types

由圖5可知，除花型1#外，其他4種花型的最大沖擊力和時間曲線趨勢類似，均呈下降趨勢，且在充氣厚度為20 mm時無明顯變化。而花型1#在充氣厚度為20 mm時有較大影響，主要體現(xiàn)在花型形狀大小和氣室容納的空氣量方面，充入空氣越多，氣室獨立性越強，各單元氣室間不能形成有效的串聯(lián)作用，從而降低減震緩沖作用。另外，由于氣室形狀及空間大小的限制，面料會隨著氣室內(nèi)空氣量的增加變得硬挺，由柔性變成剛性，降低面料的抗沖擊性能。在相同實驗條件下，隨著充氣厚度的增加，氣室空間膨脹速度增大，花型間密度變大，形狀緊湊，所能吸收和分散的能量也越來越多。總體而言，花型充氣氣室密度越大，形狀越小且緊密，面料的抗沖擊效果越好。

綜上所述，花型1#在充氣厚度為20 mm時的抗沖擊效果最好，在其他基礎因素不變的情況下，充氣面料的抗沖擊性能與其厚度相關。綜合考慮面料花型及充氣厚度對抗沖擊性能的影響，在老年人跌倒防護服裝開發(fā)方面可選用花型1#、充氣厚度為20 mm的面料。

3 結(jié)語

通過對充氣面料的抗沖擊性能分析，驗證了充氣面料具有一定的緩沖效果。而充氣面料的抗沖擊性能測試結(jié)果表明，花型對充氣面料的抗沖擊性能具有一定的影響，充氣面料的防護效果會隨著花型的變化而隨之變化；在同面料花型條件下，受到花型形狀大小和氣室容納的空氣量影響，充氣面料的抗沖擊效果會呈現(xiàn)不同的變化?？傮w而言，花型形狀及充氣厚度的變化對面料抗沖擊性能的影響在實際服裝應用時可以作為充氣面料選擇的依據(jù)，以便做到面料在服裝設計及應用中合理、可靠、適度。因此，可以通過優(yōu)化設計服裝款式、改變服裝結(jié)構、加固壓膠部位、改變花型形狀和熱壓點密度等方式提高充氣防護服裝的抗沖擊性能，使產(chǎn)品性能得到進一步完善，增加產(chǎn)品的安全性和實用性。