充氣緩沖面料的動(dòng)態(tài)沖擊性能影響分析

王偉　李艷梅

摘 要：為探究充氣面料的充氣厚度臨界值及其在動(dòng)態(tài)沖擊下的緩沖防護(hù)性能，對(duì)5種不同花型、不同充氣厚度的充氣面料進(jìn)行內(nèi)氣壓測(cè)試和跌倒沖擊試驗(yàn)，分析了充氣厚度、花型對(duì)充氣面料動(dòng)態(tài)緩沖特性的影響。結(jié)果表明：5種充氣面料的充氣厚度臨界值為20mm、31mm、55mm、30mm、52mm;在臨界值范圍內(nèi)，充氣厚度越大，防護(hù)效果越好，超過臨界值，防護(hù)效果下降;花型的充氣氣室形狀對(duì)面料的緩沖防護(hù)有較大影響。本研究從綜合性角度評(píng)價(jià)了充氣面料的緩沖減震性能，以期為充氣面料在實(shí)際應(yīng)用中的設(shè)計(jì)提供參考。

關(guān)鍵詞：充氣面料;緩沖防護(hù);花型;充氣厚度;動(dòng)態(tài)緩沖特性

中圖分類號(hào)：TS 941.73? ? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? ? ? ? ? ? ? 文章編號(hào)：1674-2346（2022）02-0001-06

充氣面料是一種新型的緩沖減震材料[1]，具有綠色環(huán)保、節(jié)約能源、輕便、保暖等優(yōu)點(diǎn)，能夠有效吸收沖擊能量，分流壓力，減少?zèng)_擊帶來(lái)的風(fēng)險(xiǎn)[2]。充氣面料由2層薄膜和底布經(jīng)過一定的結(jié)構(gòu)形狀設(shè)計(jì)而成，通過預(yù)留的閥門可將空氣充入充氣氣室，并利用氣室內(nèi)的空氣獲得緩沖作用，其緩沖特性是利用壓縮氣室內(nèi)的空氣產(chǎn)生變形和底布的拉伸形變來(lái)吸收和分散能量，從而對(duì)人體進(jìn)行緩沖保護(hù)[3]。

充氣面料作為一種新型材料，在功能性防護(hù)產(chǎn)品上的研究逐漸增多，如利用其充氣緩沖性能開發(fā)跌倒防護(hù)產(chǎn)品[4]。目前，國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)影響充氣面料因素的研究主要包括面料充氣量、透氣性[5]、氣室內(nèi)氣壓、面料結(jié)構(gòu)形狀[6]、力學(xué)性能[7]、充氣面料蠕變性[8]等，其中面料充氣量、氣室內(nèi)氣壓、面料結(jié)構(gòu)形狀是影響充氣面料沖擊性能的主要因素。

目前對(duì)充氣面料沖擊性能研究多在包裝領(lǐng)域，在服裝領(lǐng)域大多將其作為氣囊應(yīng)用來(lái)研究。張健等[9]針對(duì)市面上不同薄膜厚度的充氣墊進(jìn)行跌落試驗(yàn)和仿真分析，測(cè)試跌落試驗(yàn)過程加速度變化情況，得出薄膜厚度對(duì)充氣墊的緩沖性能影響規(guī)律，試驗(yàn)證明在一定范圍內(nèi)，充氣墊的薄膜厚度越小緩沖性能越佳，并將該方法應(yīng)用于柱狀充氣墊做玻璃保溫杯的緩沖包裝。王慧[10]通過理論分析、沖擊試驗(yàn)和跌落仿真分析，研究跌落高度、充氣壓力和氣室寬度對(duì)氣墊緩沖防護(hù)性能的影響，為氣墊的緩沖包裝設(shè)計(jì)提供理論依據(jù)。2008年日本Prop公司[11]推出一款老年跌倒防護(hù)安全氣袋，該防護(hù)氣袋由充氣面料制成，當(dāng)監(jiān)測(cè)人體跌倒時(shí)，氣袋會(huì)在100ms內(nèi)完成充氣，用以保護(hù)人體頭部和髖部。國(guó)內(nèi)的Wen J Li研究團(tuán)隊(duì)[12]研發(fā)了一款可穿戴防護(hù)裝置，該裝置由充氣面料制成，類似腰帶，被固定在人體腰部，兩側(cè)的氣囊用以跌倒時(shí)保護(hù)老年人的髖部。蘇州衣帶保智能技術(shù)有限公司[13]采用充氣面料研發(fā)了一款針對(duì)老年人所使用的充氣式防摔服，該服裝平時(shí)扣在腰部位置，在識(shí)別到人有摔倒傾向后，腰帶內(nèi)的安全氣囊能在0.18 s內(nèi)彈出打開，能使落地沖擊力減少90%以上。

1? ? 試驗(yàn)

1.1? ? 儀器

三維測(cè)力臺(tái)（NDI TrueImpulse，NDI公司，加拿大）;醫(yī)用假人（BOU/H125型，中國(guó)）;織物厚度儀（YG141LA型，寧波紡織儀器廠，中國(guó)）;電子氣壓計(jì)（GDH13AN型，Greisinger公司，德國(guó)）。

1.2? ? 材料

試驗(yàn)用面料由蘇州興豐強(qiáng)紡織科技有限公司提供，以100%高密滌綸春亞紡布為底布和無(wú)孔TPU薄膜構(gòu)成。面料紗支為450tex*450tex，密度為300kg/m，底布覆膜前面密度45 g/m²，覆膜后面密度為68 g/m2，無(wú)孔TPU薄膜厚度為0.015 mm，在溫度為80～120 ℃條件下可將薄膜與面料壓合。試樣未充氣時(shí)的尺寸為400mmx400mm，試驗(yàn)前，在溫度（20±2）℃和相對(duì)濕度65%±5%的室溫環(huán)境下將面料試樣靜置24h。其中，面料花型指熱壓的軌跡及形成的形狀。充氣面料先采用FH-PUR熱熔膠復(fù)合機(jī)將薄膜與面料壓合，整體組成底布-覆膜-覆膜-底布，覆膜間不黏合，再使用公司膠合專利技術(shù)熱壓出面料的花型充氣氣室形狀?；ㄐ统錃鈿馐倚螤畹呐挪己痛笮⒖荚撈髽I(yè)的充絨通道的設(shè)計(jì)，分為六邊形、短橫條紋、斜條紋、長(zhǎng)橫條紋、圓點(diǎn)。（圖1）

1.3? ? 方法

1.3.1? ? 充氣厚度及內(nèi)氣壓測(cè)量方法

充氣面料的內(nèi)氣壓不僅影響其動(dòng)態(tài)緩沖性能，同時(shí)也影響服裝在使用過程中的舒適性和美觀性，如內(nèi)氣壓過大，充氣面料逐漸硬挺，人體穿著不舒適，而且面料由四周向中心收縮，出現(xiàn)不平服的現(xiàn)象。因此，為了解充氣厚度對(duì)內(nèi)氣壓的影響及更準(zhǔn)確測(cè)量充氣厚度，使用邊長(zhǎng)為40cm，重量為550g的正方形亞克力平板作為壓重板，將面料充氣至聽到膠合部位有微微撕裂的響聲即停止，得到充氣試樣的最高充氣厚度，測(cè)量3次取平均值。以1 mm為檔差，通過調(diào)節(jié)乳膠球氣閥的開關(guān)，緩慢放出氣體，然后記錄該厚度下氣袋內(nèi)的氣壓值，研究充氣面料放氣過程中充氣厚度與氣壓值的變化規(guī)律。

1.3.2? ? 充氣面料抗沖擊性能指標(biāo)

為探究不同花型及充氣厚度的充氣面料受到碰撞時(shí)的沖擊力變化情況，同時(shí)對(duì)充氣面料的抗沖擊性能的影響。在室溫環(huán)境下，借鑒GB/T 8171-2008《使用緩沖包裝材料進(jìn)行的產(chǎn)品機(jī)械沖擊脆值試驗(yàn)方法》和有關(guān)髖部防護(hù)的生物力學(xué)測(cè)試建議——國(guó)際共識(shí)聲明[14-15]中對(duì)緩沖材料厚度的選取，進(jìn)行假人跌倒沖擊試驗(yàn)。試驗(yàn)過程中，測(cè)得假人摔在測(cè)力臺(tái)上X、Y、Z方向上所受的分力FX、FY、FZ，然后根據(jù)公式（1）計(jì)算沖擊合力，最后繪制出不同花型面料在不同花型及厚度下的沖擊力-時(shí)間曲線，如圖2所示。0626501E-DB73-4AC7-A28E-8A8A3A1A81CD

式中F_X、F_Y、F_Z分別為假人在測(cè)力臺(tái)X、Y、Z方向上所受的分力。

由圖2可知，隨著時(shí)間的推移，假人在測(cè)力臺(tái)上受到的沖擊力呈上升狀態(tài)并達(dá)到峰值，峰值過后，沖擊力隨之又逐漸減小，并逐漸趨于平緩狀態(tài)。沖擊力越大，進(jìn)一步表征充氣面料的抗沖擊性能越差。

2? ? 試驗(yàn)結(jié)果分析

2.1? ? 面料的充氣厚度與氣壓值分析

為了探究各面料結(jié)構(gòu)合適的最高充氣厚度和安全充氣厚度范圍，首先研究面料的充氣厚度與氣壓值的關(guān)系。使用電子氣壓計(jì)測(cè)量5種面料的內(nèi)氣壓值，其中，測(cè)量過程中有兩點(diǎn)需注意：氣壓值測(cè)量時(shí)忽略了連接充氣膠管和氣壓測(cè)試儀器時(shí)泄漏的微量氣體;由于亞克力板平壓，試樣測(cè)得的氣壓值應(yīng)比無(wú)平壓情況下測(cè)得的數(shù)值偏大。

整理測(cè)得的數(shù)據(jù)，通過Origin軟件差值擬合處理，目標(biāo)函數(shù)形式為=exp（a+bxcx²），并使用Levenberg-Marquardt優(yōu)化算法迭代可得花型1#的非線性擬合方程和差值擬合后的圖像，如圖3所示。

表三為花型1#擬合參數(shù)。各參數(shù)的檢驗(yàn)概率P<0.05時(shí)，表明在置信度為95%的水平下，通過了檢驗(yàn)，R²的值越接近1則擬合效果越好。其中，t檢驗(yàn)是對(duì)單個(gè)變量系數(shù)的顯著性檢驗(yàn)，F(xiàn)檢驗(yàn)是對(duì)整個(gè)模型的擬合優(yōu)度檢驗(yàn)，即所有變量對(duì)被解釋變量的顯著性檢驗(yàn)。根據(jù)圖中真實(shí)數(shù)據(jù)點(diǎn)和擬合圖像的重合程度以及R2的數(shù)值可以看出，R²值接近1，函數(shù)圖像擬合效果較好，由表3可以得出在花型1#的條件下試樣氣壓值和充氣厚度具有以下關(guān)系式：

同理，根據(jù)Origin軟件差值擬合處理花型1#的方法，分析得到花型2#、3#、4#、5#的擬合圖形及殘差如圖4所示，表4為在花型2#、3#、4#、5#的條件下試樣氣壓值和充氣厚度的關(guān)系式。

觀察不同花型試樣的氣壓-充氣厚度的非線性擬合圖像及關(guān)系式可知，曲線呈指數(shù)增長(zhǎng)形式，試樣內(nèi)氣壓值會(huì)隨充氣厚度的增大而增加，但是會(huì)出現(xiàn)一個(gè)臨界點(diǎn)，超過此臨界點(diǎn)時(shí)氣壓會(huì)突增，試樣手感硬挺，面料會(huì)由柔性變成剛性，從而降低了服裝的舒適性和安全性，容易漏氣或脹破。因此，根據(jù)材料材質(zhì)、結(jié)構(gòu)形狀等，選擇最佳充氣壓力是至關(guān)重要的。

根據(jù)1.3.1充氣厚度及內(nèi)氣壓測(cè)量方法得到充氣試樣的最高充氣厚度。觀察5個(gè)花型的充氣厚度和氣壓值的擬合圖像可知，曲線呈指數(shù)增長(zhǎng)形式，試樣內(nèi)氣壓值會(huì)隨充氣厚度的增大而增加，但是會(huì)出現(xiàn)一個(gè)拐點(diǎn)，在這個(gè)拐點(diǎn)處的斜率會(huì)發(fā)生突變，即定義為充氣厚度臨界值，表5為5種面料的充氣厚度臨界值及最大值。各花型合適的充氣厚度選擇在臨界點(diǎn)附近，安全充氣厚度范圍應(yīng)低于厚度臨界點(diǎn)。

2.2? ? 充氣面料的抗沖擊特性分析

5種面料的沖擊力與花型、充氣厚度關(guān)系見圖5。從圖5中可看出，同一充氣厚度下，各花型面料的最大沖擊力變化趨勢(shì)相同，其最大沖擊力排列順序?yàn)榛ㄐ?#>花型3#>花型5#>花型4#>花型1#，原因在于各花型面料的最大沖擊力與其面料充氣臨界值和面料本身強(qiáng)度及其規(guī)格結(jié)構(gòu)有關(guān)[16]。充氣面料受到?jīng)_擊載荷作用時(shí)，沖擊動(dòng)能被充氣面料吸收，部分能量壓縮充氣面料使其發(fā)生變形，同時(shí)另一部分外力在壓縮充氣面料時(shí)產(chǎn)生因氣室壓力增加對(duì)面料本身的拉伸應(yīng)變。當(dāng)這種拉伸變形超出面料的定伸長(zhǎng)負(fù)荷范圍[17]以及沖擊力超過充氣臨界值時(shí)，所形成的拉伸過度，柔性面料變?yōu)閯傂?，充氣厚度越大，剛性越?qiáng)，使內(nèi)氣壓過大，沖擊時(shí)造成面料斷裂[18]。5種花型面料在3種充氣厚度條件下的最大沖擊力見表 6。

從表6可知，在臨界值范圍內(nèi)，同一花型的充氣面料，隨著充氣厚度增加，最大沖擊力減小，緩沖效果增加;超過臨界值，充氣面料所能承受的最大沖擊力隨著充氣厚度增加而增大，緩沖效果下降。

同時(shí)，假人跌落觸地瞬間的沖擊力達(dá)到最大值，隨后假人經(jīng)幾次反彈而靜止，沖擊力趨于穩(wěn)定。在相同試驗(yàn)條件下，隨著充氣厚度的增加，較小充氣氣室的面料表現(xiàn)出抗沖擊力較小。其原因是隨著充氣厚度的增加，較小充氣氣室的面料能最快達(dá)到充氣臨界值，使得面料空間變硬速度增大，花型間密度變大，形狀緊湊，所能吸收和分散的能量也越來(lái)越多?？傮w來(lái)說，花型充氣氣室密度越大，形狀較小且緊密，面料的抗沖擊效果越好。

綜上所述，5種充氣面料在花型、充氣厚度下表現(xiàn)的最大沖擊力-時(shí)間曲線相似，呈現(xiàn)相同的緩沖特性，在跌倒沖擊的過程中，面料的變形逐漸增大，吸收的沖擊能量也隨之增多。當(dāng)充氣面料沖擊能量吸收與分散達(dá)到最大時(shí)，其最大沖擊力降至最低點(diǎn)，充氣厚度達(dá)到臨界值，緩沖效果達(dá)到最大，當(dāng)面料變形繼續(xù)增加，并接近到充氣厚度最大值時(shí)，最大沖擊力反而增大，降低緩沖效果。

3? ? 結(jié)語(yǔ)

通過對(duì)不同花型、充氣厚度的充氣面料進(jìn)行緩沖性能試驗(yàn)研究和分析發(fā)現(xiàn)：充氣面料的花型、充氣厚度對(duì)緩沖性能有著不同程度的影響，面料的最大沖擊力都會(huì)有所變化。在充氣臨界值范圍內(nèi)，充氣厚度越大，最大沖擊力越小，緩沖效果越好，一旦超過臨界值，最大沖擊力反而增大，緩沖效果降低;充氣氣室密度越大，氣室越密集，其空間相對(duì)較小，充氣面料的抗沖擊效果越好。由此可以看出，隨著面料花型、充氣厚度的變化，充氣面料的緩沖減震的效果會(huì)出現(xiàn)明顯的不同。在實(shí)際服裝應(yīng)用中，可根據(jù)人體形態(tài)特征和充氣服裝設(shè)計(jì)的要求選擇合適花型及充氣厚度的充氣面料。花型形狀及充氣厚度的變化對(duì)面料緩沖特性影響的評(píng)價(jià)結(jié)果在實(shí)際服裝應(yīng)用時(shí)可以作為充氣面料選擇的依據(jù)，以便做到面料在服裝設(shè)計(jì)及應(yīng)用中合理、可靠、適度。

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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