充气面料抗冲击性能及其应用

王伟， 李艳梅*， 王方明

(1.上海工程技术大学 纺织服装学院，上海 201620，2.苏州市兴丰强纺织科技有限公司，江苏 苏州 215228)

充气面料是一种在气室内充入空气的新型环保柔性材料[1]，可利用空气的压缩性和流动性起到缓冲防护作用[2]；此外，在具有一定保暖性的同时还可以减轻服装质量。文中主要研究充气面料的抗冲击性能，同时以老年人防跌伤服装开发为例研究其应用价值。

目前，国内外有关充气面料影响因素的研究主要包括面料充气量、透气性[3]、气室内气压、面料结构形状[4]、力学性能[5]、充气面料蠕变性[6]等，其中面料充气量、面料结构形状是影响充气面料抗冲击性能的主要因素。但在国内外研究成果中对将充气面料应用于防摔服装上的理论和设计研究较少[7]，大多集中在跌倒监测和充气面料触发系统等单一功能设备方面。如史晨琛等[8]使用尼龙材质的充气面料，结合跌倒检测系统，设计了一款老人防摔腰带，既满足老人对安全防护的需求，又顾及人体对服装舒适度的要求，提高了服装的安全性和舒适性。杨俊飞[9]着眼于充气面料结构，设计了一款老人髋部保护器，使该髋部保护器更贴近髋部，提高与人体曲面的贴合度。张文龙等[10]根据汽车安全气囊的防护原理，设计了一款老年髋部防护气囊，监测跌倒行为，在老人跌倒前展开充气囊，起到减震缓冲作用。李子丹等[11]从面料选择和结构设计出发，兼顾服装的舒适性、抗菌性及抗冲击力等因素，结合人体工学和高新技术，使用充气面料设计了一款老年防摔马甲，全方位保障老年人安全。

文中选用苏州兴丰强纺织科技有限公司研发生产的充气面料，研究不同充气花型和充气厚度面料的抗冲击性能，并在优选面料的基础上，将充气面料与老年人日常穿着服装相结合，为老年人防跌伤功能服装的开发提供新的思路和参考。

1 材料与方法

1.1 材料和仪器

1.1.1材料 实验用充气面料试样由面料底布和覆膜组成，由苏州兴丰强纺织科技有限公司研发生产，具体说明见表1。

表1 充气面料组成

为了研究面料花型及充气厚度对充气面料抗冲击性能的影响，选取5种花型的测试样品。采用FH-PUR热熔胶复合机按照底布—覆膜—覆膜—底布组成方式将薄膜与面料压合，覆膜间不黏合，再使用公司胶合专利技术热压出面料花型，按照热压轨迹形成六边形、短横条纹、斜条纹、长横条纹及圆点5种花型，具体如图1所示。5款充气面料的基本参数见表2。

图1 面料花型Fig.1 Fabric pattern

表2 基本参数

1.1.2仪器 实验用试样测量仪器、用途及使用方法见表3。

表3 实验仪器

1.2 充气面料的抗冲击性能指标

物体从高处跌落到地面的瞬间与地面的接触作用力[13]为

(1)

式中：F为物体与地面的作用力；m为跌倒物体的质量；dv为物体与地面碰撞时的瞬时速度；dt为碰撞时间。

由式(1)可知，冲击力与物体的质量、冲击时的瞬时速度及碰撞时间有关，当碰撞时的瞬时速度一定时，跌落时间越长，冲击力F越小。一般情况下，人体正常行走时跌倒的速度小于10 m/s，即属于低速跌倒冲击[14]。

人体跌倒过程中，髋部触地瞬间的冲击力最大，充气面料作为防护层发生反弹，地面对其产生作用力，使充气面料变形起到缓冲作用，剩下的力再对人体做功。因此，充气面料能减小人体髋部所受的冲击力，其公式为

F抗冲击=F无面料-F有面料

(2)

式中：F无面料表示无充气面料时髋部触地的最大冲击力值;F有面料表示有充气面料时髋部触地的最大冲击力值;F抗冲击表示缓冲吸收和分散的外力，为有无缓冲材料的最大冲击力差值。

F抗冲击值越大，代表充气面料吸收和分散外力的能力越好，缓冲效果越好，人体所受伤害就越小。因此，可将F抗冲击作为充气面料抗冲击性能优劣的依据。

充气面料的抗冲击性能主要反映面料的能量分流和能量吸收效果[15]。假人与测力台碰撞时所受的冲击合力为

(3)

式中：FX，FY，FZ分别为假人在测力台X，Y，Z方向上所受的分力。其中FZ对应物体跌落的垂直程度，具有特别研究意义。

1.3 实验方法

1.3.1充气面料厚度测试 设置温度20±2 ℃和相对湿度65%±5%的室温环境，将面料试样在此环境下静置4 h后，使用织物厚度仪测量不同充气量下的面料厚度。将乳胶球与胶管一端连接，另一端接入面料充气口，手动给充气面料充气。为保证充气面料厚度测量的准确性，当充气面料充入一定量的空气后，在其上下各放入一块亚克力板(边长40 cm、厚度4 mm)，再用织物厚度仪测量面料试样和亚克力板的总厚度，最后减去2块亚克力板的厚度即为面料试样的充气厚度。在相同条件下测量3次，取平均值。各充气面料分为3种厚度(10,20,30 mm)。在测量过程中需注意2点：①整个实验过程中厚度的测量均在亚克力板平压的情况下测量，测得的样品厚度为充气样品的平均净厚度；②气压值测量时可以忽略连接充气胶管和气压测试仪器时泄露的微量气体。

1.3.2充气面料抗冲击性能测试 在室温20±2 ℃、相对湿度65%±5%的环境下，将面料试样充气后，固定在医用假人的髋部，使面料与假人髋部间无缝隙，确保碰撞测得数据的准确性。同时，将医用假人倾斜摆放，使假人髋部与测力台保持85 cm高度，以便模拟老人摔倒方式，释放假人，使假人自然跌倒，髋部冲击测力台，连接计算机同步采集数据并记录跌倒测试过程中的时间、冲击力值等。实验过程中，取不同充气厚度面料的试样进行3次冲击实验，实验结果取其平均值。

2 结果与讨论

2.1 充气面料抗冲击性能表征

假人模拟老人跌倒时的冲击力和时间关系曲线如图2所示。由图2可知，随着时间的推移，假人在测力台上受到的冲击力呈上升状态并达到峰值，峰值过后，冲击力随之又逐渐减小，并趋于平缓状态。冲击力越大，说明充气面料的抗冲击性能越差。

图2 老人跌倒时的冲击力和时间曲线Fig.2 Impact force and time curve when an old man falls

综上，文中主要以冲击力峰值来表征充气面料的抗冲击性能，即指发生碰撞时，充气试样在测力台上的瞬时反作用力，通过比较不同花型、不同充气厚度的充气面料受到碰撞时的冲击力峰值大小，判断充气面料本身的抗冲击性能。

2.2 充气面料的抗冲击性能

此次实验中，设置一组无充气面料的对照组。假人跌倒时髋部触地的最大冲击力及F抗冲击值计算结果见表4。假人跌倒时髋部触地F抗冲击值变化图如图3所示。

结合表4和图3可知，充气厚度在10，20，30 mm下的F抗冲击值均大于0，即髋部触地时，有面料的最大冲击力均小于无面料时的最大冲击力，说明充气面料具有一定的缓冲作用。充气面料对髋部均起到了明显的保护作用，证明利用充气面料实现了人在跌倒情况下的缓冲防护效果，实验具有可行性。

表4 最大冲击力及F抗冲击值计算结果

图3 髋部F抗冲击值变化Fig.3 Changes in hip Fimpact resistance

2.3 花型对充气面料抗冲击性能的影响

花型不仅会阻碍肢体的弯曲，影响服装本身的装饰效果，及服装的外观造型[16](如微胖人群穿着宽横条图案充气服装会增加人们视觉上的横向宽度)，同时也会影响充气面料的抗冲击性能，因为空气具有流动性，充气结构中的空气会随着跌倒碰撞发生点位气压移动现象，故而起不到缓冲减震作用。对5种花型在10，20，30 mm充气厚度条件下进行跌倒实验，观察最大冲击力的变化情况，结果如图4所示。

由图4可知，5种花型面料的冲击曲线类似，均在0.45～0.55 s内达到最大值，冲击力大小依次为花型2#>3#>5#>4#>1#。在同一充气厚度不同花型下，充气面料的最大冲击力有较大差异，根据缓冲效果与最大冲击力相反原理，5种花型的缓冲效果依次为花型1#>4#>5#>3#>2#，说明花型对充气面料的最大冲击力有一定影响，充气面料的防护效果会随着花型的变化而变化，且变化幅度较大。

图4 不同充气厚度下花型1#～5#冲击力与时间曲线Fig.4 Impact force and time curve of pattern 1#to 5#under different inflation thickness

花型对充气面料抗冲击性能的影响主要表现在花型的形状和热压点密度方面。如花型2#，4#的热压点密度小，间距较大，花型呈大块条状气囊；而花型3#，5#的热压密度虽较大，但热压间距大，充气后形成大块气室，使得充气面料在冲击碰撞过程中，气室内的点位气压随着空气流动发生大幅度移动现象，降低抗震缓冲作用；只有花型1#的热压点密集、间距小，充气后花型形状紧凑，在受到地面冲击时能较好地分散冲击力，达到良好的抗冲击效果。

上述5种花型面料中，花型1#的抗冲击性能较佳，花型2#的抗冲击性最差。综上可得，充气面料的抗冲击性能与其面料花型有一定的相关性。

2.4 充气厚度对充气面料抗冲击性能的影响

充气面料的充气量直接影响其抗冲击性能，充气量太小起不到抗冲击作用，充气量太大会使充气面料的刚性增大，从而降低其抗冲击效果。因此，在一定范围内，增加充气量会提高充气面料的抗冲击效果，具体结果如图5所示。

图5 5种花型的最大冲击力与充气厚度曲线Fig.5 Maximum impact force and inflated thickness curve of five flower types

由图5可知，除花型1#外，其他4种花型的最大冲击力和时间曲线趋势类似，均呈下降趋势，且在充气厚度为20 mm时无明显变化。而花型1#在充气厚度为20 mm时有较大影响，主要体现在花型形状大小和气室容纳的空气量方面，充入空气越多，气室独立性越强，各单元气室间不能形成有效的串联作用，从而降低减震缓冲作用。另外，由于气室形状及空间大小的限制，面料会随着气室内空气量的增加变得硬挺，由柔性变成刚性，降低面料的抗冲击性能。在相同实验条件下，随着充气厚度的增加，气室空间膨胀速度增大，花型间密度变大，形状紧凑，所能吸收和分散的能量也越来越多。总体而言，花型充气气室密度越大，形状越小且紧密，面料的抗冲击效果越好。

综上所述，花型1#在充气厚度为20 mm时的抗冲击效果最好，在其他基础因素不变的情况下，充气面料的抗冲击性能与其厚度相关。综合考虑面料花型及充气厚度对抗冲击性能的影响，在老年人跌倒防护服装开发方面可选用花型1#、充气厚度为20 mm的面料。

3 结语

通过对充气面料的抗冲击性能分析，验证了充气面料具有一定的缓冲效果。而充气面料的抗冲击性能测试结果表明，花型对充气面料的抗冲击性能具有一定的影响，充气面料的防护效果会随着花型的变化而随之变化；在同面料花型条件下，受到花型形状大小和气室容纳的空气量影响，充气面料的抗冲击效果会呈现不同的变化。总体而言，花型形状及充气厚度的变化对面料抗冲击性能的影响在实际服装应用时可以作为充气面料选择的依据，以便做到面料在服装设计及应用中合理、可靠、适度。因此，可以通过优化设计服装款式、改变服装结构、加固压胶部位、改变花型形状和热压点密度等方式提高充气防护服装的抗冲击性能，使产品性能得到进一步完善，增加产品的安全性和实用性。