针对灾害环境中个体防护装备的设计研究

叶武　韩达　邓剑

摘 要：灾害环境中的个体防护装备是作业人员在灾害环境中参与施工或救援作业时所使用的专用设备，因此其在款式、性能等多个方面都要适应其实际应用的环境。文章以防护靴设计为例，主要分析了它的适用环境特点，并结合现状提出了灾害环境中个体防护的设计要求及人体工程学研究指导下的个体防护装备的外观造型设计方案，对防护靴的款式结构进行再设计，以达到安全、符合人体尺度的设计要求。

关键词：个体防护装备 防护靴 特性

一、引言

防护靴是一种防御使用者在特殊条件下作业时，脚及小腿受到物理、化学和生物等外界因素伤害的护具。由于使用条件恶劣，使用情况紧急，防护靴有着除了穿戴舒适外的、与其他鞋类不同的设计要求。

目前，虽然国内外有很多有关防护靴的研究成果，但市场上的主要产品多是外国品牌，少有国内企业跻身世界前列；此外，通过对众多产品的研究发现，在国际上，防护靴的生产在工艺上不断取得突破，材料不断革新，如今的防护靴在技术上已经可以满足恶劣的灾害环境的防护要求，但是在例如外观造型设计等方面尚存在巨大发展空间，某些产品在外观与造型设计方面不能充分考虑到使用者的需求或人机工程学尺度，从而导致使用者在使用过程中穿戴不适，影响其工作状态，降低工作效率，甚至增加了任务执行者的工作风险。所以，外观造型上的优化设计将成为防护靴设计的重要部分。

设计目标为一款耐酸碱防化套靴，采用性能良好的改性橡胶材料制作而成，适用于化工、油田、矿山、建筑、消防等条件恶劣的施工环境以及灾害条件下的作业环境，对常见的多种腐蚀性化学物质都具有良好的防腐蚀性能。

二、基于防护靴工况的设计要求的提出

1.防護特性

灾害环境的情况复杂，地面大都积水或者崎岖不平，可能会有沙石、 泥泞、 山坡、峭壁等，同时在类似火灾、地震等条件下的环境可能存在大量尖锐的物品，在生化试剂污染的恶劣条件中，地面上腐蚀性液体同样也可能会对作业人员造成严重伤害，这就需要防护靴具有较强的防水、防滑、阻燃、抗裂、抗冲击、抗穿刺、耐酸碱等特性。欧洲标准EN344：1997《专用安全、防护及工作鞋》已经提供了较为具体的技术指标要求以及测试方法，国内也有相关的国标和行业标准。

2.穿戴特性

（1）可靠性

灾害环境下的工作人员，往往需要连续长时间高强度作业，防护靴作为恶劣工作环境下的必要的护具，就必须要确保在穿戴过程中舒适、轻便、稳固，在作业过程中保障使用者工作的高效，降低其受环境侵害的风险。

（2）便捷性

以火灾救援为例，消防队员在接到消防任务时需要在短短数分钟之内准备完毕，这就要求防护靴的设计在保证可靠的前提下，令穿脱方式尽量简单，易于使用者穿戴。

三、现有技术及产品的调研分析

1.产品材料选取

根据防护靴的适用环境分析，目标产品须具有阻燃隔热、耐高温、防水、防穿刺等多种性能。通过查阅资料与实验分析，我们最终选定了一种经过改性之后的橡胶材料作为防护靴的成品用料。该材料以氯丁橡胶为基料，再配以三芳脂磷酸酯、氯化石蜡、三氧化二锑、硼酸锌等阻燃体系。不同于传统的橡胶材料，这种材料具有更强的耐酸碱腐蚀性能。经过多次实验研究，我们测得本设计产品所能承受的酸碱浓度大致如下：硫酸浓度：3.7mol/L（19.7%），盐酸浓度：6.0mol/L（18.25%），氢氧化钠：6.1mol/L（11.45%）。同时，氯丁橡胶本身的耐燃性优良，且具有耐油、耐热、拉伸强度较高和耐老化的性能。

2.产品制作工艺

产品可采用先进的橡胶注射成型工艺制作，橡胶注射成型工艺是一种把胶料直接从机筒注入模型硫化的生产方法，包括喂料、塑化、注射、保压、硫化、出模等几个过程。注射硫化的最大特点是内层和外层得胶料温度比较均匀一致，硫化速度快，可加工大多数模压制品。该技术具有注塑一次成型、操作便捷、成本低等优点，适合大规模批量化生产。橡胶注射成型的设备是橡胶注射成型硫化机。

3.其它相关性调研

（1）防滑纹

针对防滑特性的研究发现，当鞋底前掌与后跟花纹朝向相对时，纹路能最大限度地增大靴底的水平反作用力，使鞋底齿纹在与地面的接触运动中，剪切力加大，从而达到防滑的目的；同时，鞋底中间花纹与周边花纹交错，可以增加防侧滑性能；此外，增大鞋底花纹槽的深度，使得其表面摩擦力增大，可以进一步提高鞋底的防滑性能。

（2）防穿刺层

如今市面上大多数可防穿刺的防护靴多采用的是在鞋底内部加置钢板的方式，但是实际穿着中发现这种方法并不是很好，因为钢板材料往往存在硬、重、不透气等缺点，这样既不利于作业人员的现场施工，更有可能会对作业人员的足部产生更严重的影响。

四、防护靴的设计说明

1.基本款式

防护靴采用高腰前系扣式设计，这种设计既能方便使用者穿脱，又能灵活调节小腿部位松紧度，提高穿着的舒适性。

2.细部说明

（1）靴筒

靴筒部位依据人体腿部运动的基本原理进行设计，靴筒上口扩大，方便穿戴者穿脱，同时在靴筒中部增加宽度较大的橡胶带，末端系扣，可直接拉紧系到靴筒上；设计有两种位置的扣子，可根据穿戴者腿部粗细进行适度调节，力争使穿戴者感受更加舒适。同时，在靴筒高度适中，且不磨腿的前提下，我们对靴筒内侧表皮肌理进行特殊设计，将原本光滑的橡胶表皮做凹凸处理，增大其摩擦系数，确保裤腿在活动过程中不易滑出靴外。

（2）靴帮

考虑到穿戴本防护靴的作业人员所处环境的复杂性，地形地势复杂的作业环境可能对作业人员的脚踝部位产生安全隐患，极易造成作业人员脚踝部位扭伤或拉伤。因此，我们对靴帮部位进行了特殊的设计，在靴帮内侧靠近脚踝处，我们依据人体脚踝的特点设计了类似于缓冲垫的软性凸起物，可对作业人员的脚踝部位起到一定程度的固定与保护作用，同时我们对靴帮的脚踝部位进行了加厚与加硬处理，在基本保证作业人员脚部活动灵活的前提下，保护其脚踝部位，减少脚部受伤几率。

（3）靴头

根据大量的调查研究我们发现，现在多数的防护靴生产商对防护靴的靴头部位的重视不足，一些防护靴的靴头强度弱，不具备抗冲击和防穿刺性能，对穿戴人员的脚部不能起到很好的保护作用。因此，基于此点考虑，我们对本款防护靴的靴头部位采用了加厚与加硬设计。

（4）靴底

靴底防护层选用了一种新材料、新工艺研制出的复合纤维作为本款防护靴的防刺层，该防刺层具有纤维材料的质轻、柔软的特点，能发挥材料的组织结构，具有高强的抗穿刺性能。

靴底纹路采用前、后反齿式花纹，前掌周边花纹齿方向设计为向后，后跟周边花纹齿方向设计为向前的设计；鞋底花纹块分布比较分散，且有深度，表面摩擦力大，进一步提高了鞋底的防滑性能。

五、总结

在对适用环境、行业产业、人体尺度等进行充分调研分析的基础上，我们提出了对灾害环境下的防护靴进行了外观造型的设计方案。根据使用需求，应用新材料、新工艺研制出更加安全、更加符合人体尺度的个体防护装备是个体防护装备领域未来设计开发的趋势，随着生产技术的不断发展与生产材料的不断革新，个体防护装备的功能性与防护性研究还需不断深入。

参考文献：

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作者单位：天津大学