充气缓冲面料的动态冲击性能影响分析

王伟　李艳梅

摘 要：为探究充气面料的充气厚度临界值及其在动态冲击下的缓冲防护性能，对5种不同花型、不同充气厚度的充气面料进行内气压测试和跌倒冲击试验，分析了充气厚度、花型對充气面料动态缓冲特性的影响。结果表明：5种充气面料的充气厚度临界值为20mm、31mm、55mm、30mm、52mm;在临界值范围内，充气厚度越大，防护效果越好，超过临界值，防护效果下降;花型的充气气室形状对面料的缓冲防护有较大影响。本研究从综合性角度评价了充气面料的缓冲减震性能，以期为充气面料在实际应用中的设计提供参考。

关键词：充气面料;缓冲防护;花型;充气厚度;动态缓冲特性

中图分类号：TS 941.73             文献标识码：A              文章编号：1674-2346（2022）02-0001-06

充气面料是一种新型的缓冲减震材料[1]，具有绿色环保、节约能源、轻便、保暖等优点，能够有效吸收冲击能量，分流压力，减少冲击带来的风险[2]。充气面料由2层薄膜和底布经过一定的结构形状设计而成，通过预留的阀门可将空气充入充气气室，并利用气室内的空气获得缓冲作用，其缓冲特性是利用压缩气室内的空气产生变形和底布的拉伸形变来吸收和分散能量，从而对人体进行缓冲保护[3]。

充气面料作为一种新型材料，在功能性防护产品上的研究逐渐增多，如利用其充气缓冲性能开发跌倒防护产品[4]。目前，国内外学者对影响充气面料因素的研究主要包括面料充气量、透气性[5]、气室内气压、面料结构形状[6]、力学性能[7]、充气面料蠕变性[8]等，其中面料充气量、气室内气压、面料结构形状是影响充气面料冲击性能的主要因素。

目前对充气面料冲击性能研究多在包装领域，在服装领域大多将其作为气囊应用来研究。张健等[9]针对市面上不同薄膜厚度的充气垫进行跌落试验和仿真分析，测试跌落试验过程加速度变化情况，得出薄膜厚度对充气垫的缓冲性能影响规律，试验证明在一定范围内，充气垫的薄膜厚度越小缓冲性能越佳，并将该方法应用于柱状充气垫做玻璃保温杯的缓冲包装。王慧[10]通过理论分析、冲击试验和跌落仿真分析，研究跌落高度、充气压力和气室宽度对气垫缓冲防护性能的影响，为气垫的缓冲包装设计提供理论依据。2008年日本Prop公司[11]推出一款老年跌倒防护安全气袋，该防护气袋由充气面料制成，当监测人体跌倒时，气袋会在100ms内完成充气，用以保护人体头部和髋部。国内的Wen J Li研究团队[12]研发了一款可穿戴防护装置，该装置由充气面料制成，类似腰带，被固定在人体腰部，两侧的气囊用以跌倒时保护老年人的髋部。苏州衣带保智能技术有限公司[13]采用充气面料研发了一款针对老年人所使用的充气式防摔服，该服装平时扣在腰部位置，在识别到人有摔倒倾向后，腰带内的安全气囊能在0.18 s内弹出打开，能使落地冲击力减少90%以上。

1    试验

1.1    仪器

三维测力台（NDI TrueImpulse，NDI公司，加拿大）;医用假人（BOU/H125型，中国）;织物厚度仪（YG141LA型，宁波纺织仪器厂，中国）;电子气压计（GDH13AN型，Greisinger公司，德国）。

1.2    材料

试验用面料由苏州兴丰强纺织科技有限公司提供，以100%高密涤纶春亚纺布为底布和无孔TPU薄膜构成。面料纱支为450tex*450tex，密度为300kg/m，底布覆膜前面密度45 g/m²，覆膜后面密度为68 g/m2，无孔TPU薄膜厚度为0.015 mm，在温度为80～120 ℃条件下可将薄膜与面料压合。试样未充气时的尺寸为400mmx400mm，试验前，在温度（20±2）℃和相对湿度65%±5%的室温环境下将面料试样静置24h。其中，面料花型指热压的轨迹及形成的形状。充气面料先采用FH-PUR热熔胶复合机将薄膜与面料压合，整体组成底布-覆膜-覆膜-底布，覆膜间不黏合，再使用公司胶合专利技术热压出面料的花型充气气室形状。花型充气气室形状的排布和大小参考该企业的充绒通道的设计，分为六边形、短横条纹、斜条纹、长横条纹、圆点。（图1）

1.3    方法

1.3.1    充气厚度及内气压测量方法

充气面料的内气压不仅影响其动态缓冲性能，同时也影响服装在使用过程中的舒适性和美观性，如内气压过大，充气面料逐渐硬挺，人体穿着不舒适，而且面料由四周向中心收缩，出现不平服的现象。因此，为了解充气厚度对内气压的影响及更准确测量充气厚度，使用边长为40cm，重量为550g的正方形亚克力平板作为压重板，将面料充气至听到胶合部位有微微撕裂的响声即停止，得到充气试样的最高充气厚度，测量3次取平均值。以1 mm为档差，通过调节乳胶球气阀的开关，缓慢放出气体，然后记录该厚度下气袋内的气压值，研究充气面料放气过程中充气厚度与气压值的变化规律。

1.3.2    充气面料抗冲击性能指标

为探究不同花型及充气厚度的充气面料受到碰撞时的冲击力变化情况，同时对充气面料的抗冲击性能的影响。在室温环境下，借鉴GB/T 8171-2008《使用缓冲包装材料进行的产品机械冲击脆值试验方法》和有关髋部防护的生物力学测试建议——国际共识声明[14-15]中对缓冲材料厚度的选取，进行假人跌倒冲击试验。试验过程中，测得假人摔在测力台上X、Y、Z方向上所受的分力FX、FY、FZ，然后根据公式（1）计算冲击合力，最后绘制出不同花型面料在不同花型及厚度下的冲击力-时间曲线，如图2所示。0626501E-DB73-4AC7-A28E-8A8A3A1A81CD

式中F_X、F_Y、F_Z分别为假人在测力台X、Y、Z方向上所受的分力。

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，并逐渐趋于平缓状态。冲击力越大，进一步表征充气面料的抗冲击性能越差。

2    试验结果分析

2.1    面料的充气厚度与气压值分析

为了探究各面料结构合适的最高充气厚度和安全充气厚度范围，首先研究面料的充气厚度与气压值的关系。使用电子气压计测量5种面料的内气压值，其中，测量过程中有两点需注意：气压值测量时忽略了连接充气胶管和气压测试仪器时泄漏的微量气体;由于亚克力板平压，试样测得的气压值应比无平压情况下测得的数值偏大。

整理测得的数据，通过Origin软件差值拟合处理，目标函数形式为=exp（a+bxcx²），并使用Levenberg-Marquardt优化算法迭代可得花型1#的非线性拟合方程和差值拟合后的图像，如图3所示。

表三为花型1#拟合参数。各参数的检验概率P<0.05时，表明在置信度为95%的水平下，通過了检验，R²的值越接近1则拟合效果越好。其中，t检验是对单个变量系数的显著性检验，F检验是对整个模型的拟合优度检验，即所有变量对被解释变量的显著性检验。根据图中真实数据点和拟合图像的重合程度以及R2的数值可以看出，R²值接近1，函数图像拟合效果较好，由表3可以得出在花型1#的条件下试样气压值和充气厚度具有以下关系式：

同理，根据Origin软件差值拟合处理花型1#的方法，分析得到花型2#、3#、4#、5#的拟合图形及残差如图4所示，表4为在花型2#、3#、4#、5#的条件下试样气压值和充气厚度的关系式。

观察不同花型试样的气压-充气厚度的非线性拟合图像及关系式可知，曲线呈指数增长形式，试样内气压值会随充气厚度的增大而增加，但是会出现一个临界点，超过此临界点时气压会突增，试样手感硬挺，面料会由柔性变成刚性，从而降低了服装的舒适性和安全性，容易漏气或胀破。因此，根据材料材质、结构形状等，选择最佳充气压力是至关重要的。

根据1.3.1充气厚度及内气压测量方法得到充气试样的最高充气厚度。观察5个花型的充气厚度和气压值的拟合图像可知，曲线呈指数增长形式，试样内气压值会随充气厚度的增大而增加，但是会出现一个拐点，在这个拐点处的斜率会发生突变，即定义为充气厚度临界值，表5为5种面料的充气厚度临界值及最大值。各花型合适的充气厚度选择在临界点附近，安全充气厚度范围应低于厚度临界点。

2.2    充气面料的抗冲击特性分析

5种面料的冲击力与花型、充气厚度关系见图5。从图5中可看出，同一充气厚度下，各花型面料的最大冲击力变化趋势相同，其最大冲击力排列顺序为花型2#>花型3#>花型5#>花型4#>花型1#，原因在于各花型面料的最大冲击力与其面料充气临界值和面料本身强度及其规格结构有关[16]。充气面料受到冲击载荷作用时，冲击动能被充气面料吸收，部分能量压缩充气面料使其发生变形，同时另一部分外力在压缩充气面料时产生因气室压力增加对面料本身的拉伸应变。当这种拉伸变形超出面料的定伸长负荷范围[17]以及冲击力超过充气临界值时，所形成的拉伸过度，柔性面料变为刚性，充气厚度越大，刚性越强，使内气压过大，冲击时造成面料断裂[18]。5种花型面料在3种充气厚度条件下的最大冲击力见表 6。

从表6可知，在临界值范围内，同一花型的充气面料，随着充气厚度增加，最大冲击力减小，缓冲效果增加;超过临界值，充气面料所能承受的最大冲击力随着充气厚度增加而增大，缓冲效果下降。

同时，假人跌落触地瞬间的冲击力达到最大值，随后假人经几次反弹而静止，冲击力趋于稳定。在相同试验条件下，随着充气厚度的增加，较小充气气室的面料表现出抗冲击力较小。其原因是随着充气厚度的增加，较小充气气室的面料能最快达到充气临界值，使得面料空间变硬速度增大，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。总体来说，花型充气气室密度越大，形状较小且紧密，面料的抗冲击效果越好。

综上所述，5种充气面料在花型、充气厚度下表现的最大冲击力-时间曲线相似，呈现相同的缓冲特性，在跌倒冲击的过程中，面料的变形逐渐增大，吸收的冲击能量也随之增多。当充气面料冲击能量吸收与分散达到最大时，其最大冲击力降至最低点，充气厚度达到临界值，缓冲效果达到最大，当面料变形继续增加，并接近到充气厚度最大值时，最大冲击力反而增大，降低缓冲效果。

3    结语

通过对不同花型、充气厚度的充气面料进行缓冲性能试验研究和分析发现：充气面料的花型、充气厚度对缓冲性能有着不同程度的影响，面料的最大冲击力都会有所变化。在充气临界值范围内，充气厚度越大，最大冲击力越小，缓冲效果越好，一旦超过临界值，最大冲击力反而增大，缓冲效果降低;充气气室密度越大，气室越密集，其空间相对较小，充气面料的抗冲击效果越好。由此可以看出，随着面料花型、充气厚度的变化，充气面料的缓冲减震的效果会出现明显的不同。在实际服装应用中，可根据人体形态特征和充气服装设计的要求选择合适花型及充气厚度的充气面料。花型形状及充气厚度的变化对面料缓冲特性影响的评价结果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。

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Analysis of Dynamic Impact Performance of Inflatable Cushioning Fabrics

WANG Wei    LI Yan-mei

（School of Textiles and Fashion，Shanghai University of Engineering Science，Shanghai 201620，China）

Abstract： In order to explore the critical thickness value of the inflatable fabrics and the cushioning and protection performance under dynamic impact，the internal air pressure test and the fall impact test have been carried out on 5 kinds of inflatable fabrics with different patterns and different inflatable thickness，and the effect of inflatable thickness and pattern on the dynamic cushioning characteristics of inflatable fabrics has been analyzed. The results show that the critical thickness values of the five inflatable fabrics are 20mm，31mm，55mm，30mm， 52mm.Within the critical value range，the greater the inflation thickness，the better the protective effect. Beyond the critical value，the protective effect decreases.The shape of the inflatable air chamber pattern has a great impact on the cushioning and protection of the fabrics.This study evaluates the cushioning and shock absorption performance of inflatable fabrics from a comprehensive perspective，hoping to provide reference for the design of inflatable fabrics in practical applications.

Key words： inflatable fabrics;cushioning protection;pattern;inflated thickness;dynamic cushioning characteristics0626501E-DB73-4AC7-A28E-8A8A3A1A81CD