耐冲击运动防护服的研究进展及设计要素

王中珍 ，丁 帅，王 蝶

（1.山东省特种纺织品加工技术重点实验室，山东 青岛 266032；2.山东省纺织科学研究院，山东 青岛 266032）

1 前言

经常从事体育运动的人，特别是职业运动员，在训练或比赛过程中，身体难免会在高速运动时受到意外撞击。而受伤或害怕受伤也是影响运动员在比赛中发挥出高水平的重要因素。比如，滑雪时在滑道上摔倒，骑车时翻车或撞车，骑马时跌落，做体操时从单双杠上失手落地……这些撞击轻则会对运动员的肌肉或骨骼造成损伤，重则会导致他们落下一身无法摆脱的疾患。在一定程度上提高运动的安全性是拓展运动员体能和技术水平的又一途径。因此，研究及开发防护用品是提高运动安全性的有效保障。

2 耐冲击防护服的研究进展

运动冲击防护品是将震动吸收材料整合在特殊设计的服装或纺织品中，以吸收来自于降落或物体冲撞而突然引起的冲击力的震动，因此可防范受伤的危险。

身体防护品自20世纪80年代开始起步，近年来各种创新不断出现，至今已发展成为运动用品市场的一个新的分支。

2.1 具有缓冲气囊的运动防护服

杭州福星工贸有限公司的赵军发明了一种具有缓冲气囊的运动防护服。该发明鉴于汽车安全气囊的灵感来源，在上衣和裤子的各个关键部位的表面设置缓冲气囊。缓冲气囊包括内外三层结构，内层为由EVA 或发泡材料构成的防护缓冲层，中层为空气层，外层为贴膜面料层，以确保人体在进行运动时减少伤害，达到防护的目的［1］。

2.2 水气防护服

Francis Fox设计的水气防护服利用套在后背及外衣间的一个囊袋注入可缓解冲击作用的水和空气。当受到冲击时，袋内的空气沿着囊袋的通道被从后背推挤至脖颈处，在挤压膨胀的作用下缓解冲击力对人体的伤害。套在身体上的腰带松紧可调，以便适应不同身材的人体，而且穿脱方便，不用时可将囊袋中的液体顺着导管排出，防止结冰。穿着该防护服可在滑雪、自行车、摩托车、骑马等运动中避免对人体的伤害。

2.3 气囊智能防护服

Alpinestars公司开发的摩托车气囊防护服与传统摩托车赛车服相比，能降低90%的冲击力。它借助运动传感器监测骑手的动作，通过区分正常的动作和失常的动作来判断驾驶是否失控，并在事故瞬间以毫秒级速度弹出肩膀和锁骨位置的气囊来保护骑手。

2.4 积极防护系统

Dow Coning（道.康宁公司）开发的积极防护系统既具有柔韧性和透气性又能为强冲击力提供最佳保护。采用这项技术制作的高性能服装结构透气性好、柔软和质量小，穿着舒适，便于运动。

2.4.1 积极防护系统的原理

积极防护系统中采用了将硅树脂注入一个三维空间的纺织品结构的技术。通过控制灌注的程度使织物保持完全的透气性来最大程度地满足舒适性需要，系统的易弯曲性使其对身体的活动没有限制。

积极防护系统中的载体由涤纶复丝制备，具有菱形表面构造。涤纶单丝形成的间隔纱线具有三维结构：厚度大约为4.5 mm。硅树脂注入织物中，间隔织物尺寸的微细化设计实现既让硅树脂最大程度地吸收外力，又保证织物的完全透气性。当受到高速冲击时，织物表面和受撞击区域的间隔纱上的膨胀硅树脂首先接收冲击力，它们立即转变为坚硬固体，并把外力传给相邻的间隔纱。从而将冲击力展开（见图1）。当外力消失后，硅树脂再迅速转变为柔性材料。

图1 积极防护系统织物的横截面

2.4.2 积极防护系统的性能

与刚性防护体系相比，防护作用启动快，作用持续时间长2倍以上。织物具有热稳定性，在温度超过80℃时会有轻微的发粘现象但温度下降后会消失。在低温-20℃时防护性依然有效，甚至在-40℃时也没有出现任何不利效果。在潮湿或高温湿热条件下，防护效果也不会受到影响。除了防机械冲击保护和舒适性，这项新技术还赋予织物易护理的性能。经10次水洗后服装的效果没有很大的变化［2］。

2.4.3 积极防护系统的应用

这种织物可以进行个性化设计。根据需要设计成各种形状、颜色及厚度，它比其它防护材料薄，无需专门定型。设计师可随意进行创造性的设计。它易于裁剪，便于制成各种形状，固定、组装方法简单。初步试验还发现织物可用硅树脂型粘合剂粘在特定的位置上，无需热焊接技术。

这种创新型的织物主要用于摩托车手或足球、橄榄球和曲棍球等接触式运动的高效防护服装。它还可以制成其它防护器具，如：护胫、头盔、护膝、垫肩、鞋子和手套。这种强力保护产品的透气性、柔韧性、穿着的灵活性、轻便性都是其它类似产品难以比拟的。因此，用于运动服、安全工作服和军事防护服上效果特别好。

2.5 剪切增稠“液体装甲”

近来，有关研究表明，给生产带来负面影响的剪切增稠液体（STF），当用于浸渗高性能防护材料时，在不改变材料防弹和防刺性能的情况下，可显著提高防护装甲的舒适性，并进一步减轻装甲质量。

2.5.1 剪切增稠“液体装甲”的防护原理

液体装甲的关键成分是一种剪切增稠液体，（Shear thickening fluid）。剪切增稠液体由悬浮在聚乙二醇中的坚硬粒子组成。聚乙二醇是无毒的，能承受的温度范围很广。极其细小坚硬的硅微粒是STF 的另一成分。受到高速冲击后STF固态粒子能够握住纱线，防止纱线在高速冲击下相互移动，这样能量主要被纤维的拉伸变形吸收。

2.5.2 剪切增稠“液体装甲”的防护性能

制作液体装甲“凯夫拉”防弹背心时，“凯夫拉”背心的每一层都用STF 浸透。浸泡后的“凯夫拉”织物可以像其他任何一种织物一样浸湿和缝制。STF能增加织物的防弹性能，且在“凯夫拉”机织物层数相同时，随着浸入STF 溶液体积的增加其防弹性能增加；当纯“凯夫拉”织物和“STF-凯夫拉”织物总质量相同时，其具有同等的防弹性能，不同的是“STF-凯夫拉”织物厚度明显小于纯“凯夫拉”织物，其柔软性优于纯“凯夫拉”织物。STF不但能增强“凯夫拉”机织物的防弹、防刺性能，而且减少了织物的复合层数，使防护装甲更薄，柔韧性、弹性更好，能够用于全身防护［3］。

3 防护用品安全性评估指标

传统的衣料在遇到撞击时，会随着受力方向下陷，将力量直接传导到穿着者的肉体上。一般的防护服是在容易受伤的部位附上像头盔一样坚硬的外部保护，目的是像套一个轻便的拳击手套一样起到一定的缓冲作用。例如摩托车运动的机车防护装备包括安全帽、机车服、安全鞋、背甲与手套，主要保护部位为人体的肩部、肘部、臀部、背部、膝部、指关节与足踝。这些都是机车服的重点防护部位。但是，当运动员受到很大的撞击时，还是难以避免受伤。因此耐冲击性是评估防护用具效果的最重要指标。在欧洲规范中，EN1621-1标准规定，用50J能量施加于受测物上，测试后力量转移的平均值要低于35N，且最大值不能超过50N，才算有足够的耐冲击力。除耐冲击性外，针对尖锐边缘或点刺表面的耐穿刺性也是一项重要指标。

4 耐冲击防护品类型

基本上，冲击防护品的防护水平随着防护填充物的厚度及硬度而增强。然而，高硬度填充物会在衬垫边沿产生应力点，加剧防护系统的边缘对人体的伤害。而且厚重硬挺的防护用具会影响运动员的动作灵敏度。因此，防护服的设计要求是在轻便的同时，尽量保证适当的弹力和厚度，根据不同护具的要求进行设计。理想的护具要求是轻质、薄、弯曲性佳以及高冲击力吸收能力。

目前主要有以下三种类型：

4.1 硬制护具

硬制护具材质主要有PVC、金属、硬质橡胶等，其优点是耐摩擦、耐穿刺，但由于其质地较硬，冲击缓冲性能较差，因此多用于外置护具的制作。如FOX 的外置护具，主要适用于路面环境比较恶劣的场合。

4.2 软质护具

软质护具主要包含EVA、XPE、合成橡胶等，其优点是质地柔软、穿着舒适、冲击缓冲性能优良，在高速平整的路面保护作用优于硬质护具，并能起到很好的减震缓冲作用。现在广泛使用的震动吸收材料是发泡多聚体类敷料，如：聚氨酯、聚乙烯、乙酸乙烯脂，以及其他材料，如凝胶、气囊及衬垫织物。

4.3 二合一护具

随着市场的发展和民用的普及推广，二合一护具比较实用。它在硬质外壳中加入了EVA 缓冲，集合了硬质护具和软质护具的优点，最适合民用级别的产品。

5 运动防护用品的设计要素

运动时人随着身体不停地活动，体温变化，人体的生理状态随之改变。体育活动中的不舒适会影响运动员的速度、力量、动作准确及耐受力。因此，运动防护品生产商的基本目的是开发出既能满足运动关于防护的需要，又具有舒适性能的产品，从而促进防护服的销售及使用。

5.1 合体性要求

最佳运动性能要求：尽可能准确地控制一系列的特殊运动技巧。为方便有效运动，防止运动防护用品产生不舒适的接触压力及限制运动自由非常重要。

冲击防护品的设计对保证良好的防护作用很大。保持震动吸收填充物在身体的正确位置是最重要的，因为活动中的滑脱及移位会减弱保护功能。因此防护品的首要因素是要紧身以防止移位。图2是防护冰球裤，其特点是紧身，防止防护垫移位。

图2 防护冰球裤

防护品还应根据身体的部位进行设计。由Uh1sport推出的Support frame款守门员手套在性能上无可挑剔，手套具有革命性的手掌、手背整片处理，减少接缝，更加适应手部的自然运动，并配合手的骨骼结构给予手更强的支持、稳定和保护。12°弯曲结构更加符合手腕结构，按手骨结构设计的手套手指形状增大了控制球的面积。

5.2 运动功能性要求

为缩小服装对特殊运动的阻力，设计必须不仅适合身体曲线，并且适合特定运动的动作。通过观察可以发现，摩托车手驾乘摩托车时的姿势基本是固定的，其手臂与膝盖始终处于弯曲状态。摩托车服的着装环境与日常生活服装存在重大差异，如果摩托车服不加入运动功能性设计则将直接影响到摩托车服的着装舒适性。摩托车服上衣运动功能性设计主要体现在：后背宽比前胸宽至少大5cm（日常生活用服装后背宽比前胸宽大2 cm），以满足后背宽的运动松量；后衣长至少比前衣长多4cm，以满足后背长的运动松量；袖型为两片袖或三片袖，且需要在一片袖的基础上加入弯势设计，以满足肘部的运动松量。成品摩托车服袖子的外观造型应向前倾斜，与骑在摩托车上人体胳膊弯曲形状相一致。摩托车裤装后腰翘比普通裤装后腰翘要高出2～5cm，主要目的是满足后裆的运动松量；膝位处应采取省道设计或省道处理，使摩托车裤在膝位处符合膝关节的活动松量［4］。因此，摩托车服应在人体静态尺寸的基础上，结合人在摩托车上的动态尺寸进行设计，使摩托车服的各个指标与人体各种要求达到最佳匹配状态。

此外，防护用具的尺寸应适合个体要求。设计可调节或灵活扣件的调整系统便于防护者个人调整，并且材料要有一定程度的拉伸性，以保证最佳效果。世界知名机车服生产公司Dainese的膝、腿部护具提供膝部、小腿、足踝部位防护，可通过粘扣带调节尺寸。这套护具还可分离，根据需要可将足踝部位分离，调整便捷［5］。

5.3 热湿舒适性要求

在运动活动中干扰身体及心理的一个重要因素是运动员的不舒适感觉，尤其是生理的、心理的以及环境因素的影响。德国Hohenstein研究院研究人员发现：在日常穿着舒适感觉中，热湿因素占66%，皮肤感知因素占34%。而且，外部条件，例如环境温度及湿度对室外活动的运动员有着深远影响。性能优良的运动服装通过热湿交换过程，产生舒适的热微气候适应人体的热运动。而身体防护品组成覆盖身体表面的服装的附加块，增加了运动服的热阻。而且填充材料的透气性变化很大，例如，高密度泡沫具有低透气性，不渗透的凝胶或PVC空气层构成了内部热湿交换的障碍［6-7］。

夹克式摩托车服一般分为皮夹克和纺织面料夹克两种。纺织面料多选用涤纶或尼龙面料，高强度的牛津布或塔斯隆面料使用较多。杜邦的Cordura就是一种高强度纤维，既具有良好的透气性又非常坚韧，同时还能防风、防雨。内胆面料也非常讲究，一般采用与户外运动服相同的单向透气面料，以保证透气的同时又能吸汗。即便是炎热的天气也不用敞开外衣，只需打开通气孔即可，因此需要在腋下安装通风拉链，否则外衣会随风漫卷，造成安全隐患。

Dainese的防护上衣是复合式的软式防护衣，采用高透气、多孔、高强力Lycra，同时配备粘扣带调节式护腰带，肩部与手臂的护具以粘扣带固定于胸前［8］。Sixsixone的前臂、肘、膝部、胫骨护具采用舒适透气的EVA 发泡材料；其防护上衣适用于越野骑车的防护，前后均有塑料硬壳给予防护，上装带有弹性宽护腰带，前臂与肘部有特别防护，后背脊处有开节装的塑料硬壳给予防护。Tory lee SE防护裤前片部位采用强化尼龙布，以增加其耐久性；膝部内面采用弹性Kelvar面料；膝部外面用强化尼龙面料进行风箱褶裥设计，大大增加了活动性；在腰部至胯部间，用变向的螺纹弹性布作V 形设计，可以增加其合身性与舒适度；网状内里设计可以增加透气性［9-10］。

6 结语

综合以上分析可以看出，耐冲击运动防护服属于特殊防护服，除了需结合人体的静态尺寸和动态尺寸进行设计外，最重要的是要从防护、安全、运动、舒适四个方面加强功能设计，只有这样才能真正达到人——运动——环境的有机统一，使他们处于最佳匹配状态。新形势下的耐冲击运动防护用品要求既具有柔韧性和透气性又能为强冲击力提供最佳保护。因此，耐冲击运动防护用品正朝着冲击能量吸收能力强，冲击回复性好，弯曲性佳，以及轻薄、舒适方向发展。

［1］一种具有缓冲气囊的运动防护服和该缓冲气囊的制作方法［P］.CN102210493A.

［2］Graham Budden.防护与舒适并存的新型抗机械冲击防护服［J］.纺织导报，2006，（9）：62—63，67.

［3］徐素鹏，张玉芳.剪切增稠液体在个体防护装甲上的应用进展［J］.高科技纤维与应用，2008，33（3）：40—43.

［4］张中启.摩托车服功能性设计研究［J］.国际纺织导报，2011，39（1）：71—75.

［5］魏征.赛车手防护服及其发展［J］.中国个体防护装备，2001，（6）：21—22.

［6］刘卫编译，陈雁校.密封式防护服内的微气候［J］.国外丝绸，2007，（1）：18—20.

［7］王敏，李俊.衣下空间作用机制与防护服舒适性［J］.中国个体防护装备，2009，（5）：18—21.

［8］摩托车防护用具的开发设计［J］.中国纺织，2004，（6）：140.

［9］张宾，刘建敏.现代科技在足球运动装备上的应用［J］.石家庄职业技术学院学报，2004，16（6）：55—57.

［10］贾司光，陈景山.人体力学的生理基础及其在压力防护服设计中的应用［J］.航天医学与医学工程，1999，12（6）：436—440.