姜亞明， 李 寧， 張艷梅

(1. 天津工業(yè)大學(xué) 紡織學(xué)院， 天津 300387；2. 天津工業(yè)大學(xué) 先進(jìn)紡織復(fù)合材料教育部重點實驗室， 天津 300387)

膝部防護(hù)用材料的靜態(tài)緩壓性能

姜亞明1,2， 李 寧1,2， 張艷梅1,2

(1. 天津工業(yè)大學(xué) 紡織學(xué)院， 天津 300387；2. 天津工業(yè)大學(xué) 先進(jìn)紡織復(fù)合材料教育部重點實驗室， 天津 300387)

為減少摔倒給老年人膝蓋部位造成的傷害，編織了經(jīng)編間隔織物試樣，采用萬能材料儀對聚氨酯泡沫材料和經(jīng)編間隔織物的靜態(tài)緩壓性能進(jìn)行測試，通過對比實際摔倒能量和緩壓材料吸收能量的大小評估材料緩壓性能的優(yōu)劣。結(jié)果表明：聚氨酯泡沫材料和經(jīng)編間隔織物的面密度是影響其緩壓效果優(yōu)劣的決定性參數(shù)，而間隔紗、面紗的直徑及試樣的線圈密度是決定間隔織物面密度的主要因素。當(dāng)外界壓強大于30 kPa時，厚度為20 mm、面密度為1 353 g/m2的間隔織物試樣線圈密度最大，緩壓系數(shù)最小，緩壓效果最好，壓縮吸收能為259 kJ/m2，該間隔織物試樣從厚度、編織工藝、成本上來說是最佳的膝部防護(hù)用緩壓材料。

膝部防護(hù)用材料； 聚氨酯泡沫材料； 經(jīng)編間隔織物； 緩壓性能； 壓縮吸收能

目前，關(guān)于老年人防摔裝置的研制側(cè)重于股骨和髖部的防護(hù)，常見的有硬質(zhì)高分子防護(hù)器、髖部防護(hù)墊[1-3]，這些產(chǎn)品對老年人摔倒護(hù)具的研發(fā)具有引導(dǎo)作用。經(jīng)調(diào)查發(fā)現(xiàn)，目前常見的抗沖擊、抗壓縮材料是聚氨酯泡沫材料和經(jīng)編間隔織物[4-6]。膝蓋和股骨部位對防護(hù)材料緩壓抗沖擊性能的要求不同，因此，本文對膝蓋部位常見的緩壓材料進(jìn)行研究，旨在選出膝部防護(hù)用緩壓性能較好的材料。

1 摔倒能量計算

當(dāng)老年人發(fā)生摔倒時，除髖部和腕關(guān)節(jié)受傷外，最常見的還有膝蓋部位的髕骨。一個能有效減小膝蓋部位損傷的膝部防護(hù)系統(tǒng)是十分必要的，因此，必須要了解發(fā)生摔倒時產(chǎn)生的能量的大小。假設(shè)老年人在靜止?fàn)顟B(tài)下摔倒時為自由落體運動，此時只受重力作用，假設(shè)重力完全作用于膝蓋部位的P點。當(dāng)老年人在運動狀態(tài)下發(fā)生摔倒時，假設(shè)此時摔倒時身體重量完全集中于膝蓋部位的P點，運動狀態(tài)下的摔倒類似于物理學(xué)中的平拋運動，如圖1所示。在膝蓋部位P點產(chǎn)生的能量為

式中：E為總能量，J；m為老年人的體重，kg；v0為老年人步行時水平方向的速度，m/s；g為重力加速度，g=9.8 N/kg；h為膝蓋到地面的距離，是根據(jù)成年人體身高和膝部高度的關(guān)系得出的平均數(shù)[7-8]。

圖1 運動狀態(tài)摔倒模型

表1示出60歲以上老年人的身高、體重、平均步行速度，以及在靜態(tài)和運動狀態(tài)下發(fā)生摔倒時完全作用于P點的能量。

表1 不同參數(shù)作用于膝蓋部位P點的沖擊能量

2 靜態(tài)緩壓實驗

2.1 實驗方法

本文實驗采用型號為AGS-J的萬能材料機，緩壓材料的力學(xué)性能由壓力-位移曲線來表征[7]。依據(jù)GB/T 8168—2008《包裝用緩壓材料靜態(tài)壓縮試驗方法》，將實驗得到的壓力-壓縮量數(shù)據(jù)進(jìn)行計算，通過式(2)、(3)繪制出應(yīng)力-應(yīng)變曲線，此辦法可以消除力和受力面積對材料壓縮性能的影響，從而便于不同試樣靜態(tài)緩壓性能的對比。

壓縮應(yīng)力的計算公式為

式中：σ為壓縮應(yīng)力，Pa；P為壓縮載荷，N；A為樣品承載面積， mm2。

壓縮應(yīng)變的計算公式為

式中：εa為實驗時壓縮應(yīng)變，%；T為實驗樣品的原始厚度， mm；Tj為樣品實驗后的厚度， mm。

2.2 試樣的準(zhǔn)備

表2示出預(yù)處理后各試樣的參數(shù)。試樣裁剪成直徑為10 cm的圓形。試樣3、6、7、8、9的墊紗數(shù)碼面層采用：GB1，1-0-1-2/2-3-2-1//，1空1穿；GB2，2-3-2-1/1-0-1-2//，1空1穿。間隔層采用：GB3，1-0-1-2/2-3-2-1//，滿穿。底層采用：GB5，2-3-2-1/1-0-1-2//，1空1穿；GB6，1-0-1-2/2-3-2-1//，1空1穿。試樣4、5的墊紗數(shù)碼面層采用：GB1，1-0- 0-0/1-2-2-2/2-3 3-3/2-1-1-1//，1空1穿；GB2，2-3-3-3/2-1-1-1/1-0-0-0/1-2-2-2//，1空1穿。間隔層采用：GB3,1-0-3-2/3-2-1-0//，1空1穿；GB4，3-2-1-0/1-0-3-2//，1空1穿。底層采用：GB5,1-1-1-0/0-0-1-2/2-2-2-3/3-3-2-1//，1空1穿；GB6，2-2-2-3/3-3-2-1/1-1-1-0/0-0-1-2//，1空1穿。

表2 預(yù)處理后各試樣的參數(shù)

注：S3～S9所用面紗和間隔紗均為滌綸。

3 結(jié)果與分析

3.1 實驗結(jié)果

表3示出試樣壓縮吸收能的大小。壓縮吸收能是從材料能量吸收的角度衡量該材料緩壓性能的優(yōu)劣，表征試樣達(dá)到致密化階段時每平方米吸收的能量。

表3 靜態(tài)壓縮實驗結(jié)果

注：下腳標(biāo)A*B代表A層B號試樣復(fù)合；A+B代表A試樣和B 試樣復(fù)合，且A試樣處于上表面與壓腳直接接觸。

3.2 應(yīng)力-應(yīng)變曲線分析

在分析試樣緩壓性能時，可以計算出材料的緩壓系數(shù)C，它是表征試樣緩壓效果η優(yōu)劣的參數(shù)[9]。

3.2.1 單層材料緩壓性能分析

3.2.1.1 聚氨酯泡沫材料應(yīng)力-應(yīng)變曲線 圖2示出同一厚度的聚氨酯材料應(yīng)力-應(yīng)變曲線，可以看出，當(dāng)壓縮量ε<10%時，普通的軟質(zhì)聚氨酯材料S1和S2達(dá)到致密化階段，此時σ2>σ1；當(dāng)壓縮量ε=65%時，高回彈的聚氨酯材料S10、S11、S12均達(dá)到致密化階段，并且σ10>σ11>σ12，說明在達(dá)到致密化階段時，S10的支撐性能最好；圖3示出不同密度的聚氨酯材料的應(yīng)力-緩壓系數(shù)曲線，由于S2的面密度大于S1，當(dāng)緩壓系數(shù)達(dá)到最小值時C1>C2，且σ2>σ1，則η2>η1；對于S10、S11、 S12，當(dāng)外界壓強大于20 kPa時，C10、C11、C12均在不斷減小，達(dá)到最小值時，C10>C11>C12，即緩壓效果η10<η11<η12。結(jié)合表2可看出，試樣S10、S11、S12的面密度在依次減小。綜合聚氨酯試樣的分析可看出：面密度小的試樣緩壓系數(shù)小，緩壓效果好。結(jié)合表1可看出，當(dāng)老年人在運動狀態(tài)發(fā)生摔倒時產(chǎn)生的沖擊能量為218.0～421.325 J，此能量作用于髕骨部位(面積約為30 cm2)，則每平方米受到的沖擊能量為72.67～140.44 kJ。 由表3可看出：在膝部防護(hù)墊填充材料的選擇上，軟質(zhì)聚氨酯材料S1和S2無法達(dá)到基本防護(hù)要求。S10、S11和 S12的壓縮吸收能量能滿足摔倒時產(chǎn)生的沖擊能量要求，但S10邵氏硬度最大，在用做膝部防護(hù)墊的緩壓材料時無法滿足適體性要求，S11和S12均可達(dá)到最基本的防護(hù)要求，結(jié)合表3，S11的壓縮吸能大于S12，因此，在高回彈聚氨酯泡沫材料的選擇中，S11質(zhì)輕且可滿足沖擊能量要求，其壓縮吸收能為304 kJ/cm2，是膝部防護(hù)用填充材料的較好選擇。

圖2 不同密度的聚氨酯材料的應(yīng)力-應(yīng)變曲線

圖3 不同密度聚氨酯材料的緩壓系數(shù)-應(yīng)力曲線

3.2.1.2 經(jīng)編間隔織物應(yīng)力-應(yīng)變曲線 圖4、5示出不同密度、不同厚度、不同組織結(jié)構(gòu)的經(jīng)編間隔織物試樣的應(yīng)力-應(yīng)變曲線和緩壓系數(shù)-應(yīng)力曲線，根據(jù)表2可得，S4和S5初始厚度均為20 mm，S3、S6、S7、S8初始厚度為10 mm，由圖4可知，經(jīng)編間隔織物的壓縮過程可分為3個階段：初始階段，曲線呈線性變化，即彈性階段，材料緩壓性能的大小用彈性模量來表示；第2個階段為壓縮階段，此時間隔絲受到壓力作用發(fā)生失穩(wěn)現(xiàn)象，間隔絲彎曲曲率的出現(xiàn)致使經(jīng)編間隔織物沿厚度方向急劇縮小。觀察圖4可看出，在此階段，應(yīng)力-應(yīng)變曲線有內(nèi)凹的趨勢，說明此時抗壓剛度在減小，容易被壓縮；第3階段是致密化階段，當(dāng)經(jīng)編間隔織物的上下表層和間隔絲完全貼合時，厚度方向的壓縮量達(dá)到最大值，此時應(yīng)力值也最大，說明經(jīng)編間隔織物的支撐作用越強。

圖4 不同厚度的經(jīng)編間隔織物的應(yīng)力-應(yīng)變曲線

圖5 不同厚度的經(jīng)編間隔織物緩壓系數(shù)-應(yīng)力曲線

通過圖4、5可得到：1) 對于厚度為20 mm的經(jīng)編間隔織物， S4和S5的間隔紗直徑大小一樣，當(dāng)ε=75%時，σ4>σ5>σ9，由表2 可知，線圈密度ρ4>ρ5>ρ9，對于S4和S5，當(dāng)外界壓強大于10 kPa時，線圈密度越大，緩壓系數(shù)越小，緩壓效果越好，即C9>C5>C4，緩壓效果η4>η5>η9，因此，厚度為20 mm的S4、S5、 S9試樣的壓縮吸收能量均大于老年人摔倒產(chǎn)生的沖擊能量理論估計最大值，可用于老年人膝部防護(hù)墊的填充材料。2) 對于S3、S6、 S7、S8厚度為10 mm的經(jīng)編間隔織物而言，由表2得：ρ7>ρ3，從圖5(b)可看出，當(dāng)C3=C7時，σ7>σ3，因此，S7的緩壓性能優(yōu)于S3；對于S6和S8、S6的面密度大于S8，當(dāng)外界壓強σ大于30 kPa時，C8>C6，即η6>η8。對比S8和S7，ρ8>ρ7，在初始階段，S8的抗壓剛度遠(yuǎn)大于S7，在相同的外界壓強作用下，即η8>η7，因此，當(dāng)外界壓強大于30 kPa時，對于S3、S6、S7、S8而言，在同一外界壓強的作用下，緩壓效果的優(yōu)劣為η6>η8>η7>η3。

3.2.2 2層試樣靜態(tài)壓縮性能分析

表3示出靜態(tài)壓縮實驗結(jié)果。可以看出：單層經(jīng)編間隔織物均可滿足老年人摔倒時髕骨受到的沖擊能量，特別是厚度為20 mm的S4、S5、S9。對比2層10 mm經(jīng)編間隔織物試樣疊加后壓縮吸能提高值，從而選擇最合適的膝部防護(hù)系統(tǒng)的內(nèi)部填充材料。

3.2.2.1 同種材料的靜態(tài)緩壓性能對比 圖6示出2層試樣緩壓系數(shù)-應(yīng)力曲線?？煽闯觯?dāng)外界壓強大于30 kPa時，η2×S6>η2×S8，并且當(dāng)C=1.0×10-5時，σ2×S11>σ2×S6>σ2×S8>σ2×S7>σ2×S3。由表3知，2層6號試樣的壓縮吸收能為404 kJ/m2。

圖6 2層試樣緩壓系數(shù)-應(yīng)力變化曲線

3.2.2.2 不同復(fù)合試樣的靜態(tài)緩壓性能對比 將經(jīng)編間隔織物的試樣通過2層疊加得到復(fù)合試樣。圖7、8示出復(fù)合試樣應(yīng)力-應(yīng)變曲線和應(yīng)力-緩壓系數(shù)曲線。對比復(fù)合試樣的壓縮吸收能，結(jié)合表3和圖7、8可得到如下結(jié)論：

1) 復(fù)合試樣的壓縮吸能性能和復(fù)合試樣的疊放次序有關(guān)，且達(dá)到最佳緩壓效果是有條件的。如圖7(a)所示，壓縮吸收能ES6+3>ES3+6，ES6+7>ES7+6，ES6+8>ES8+6。當(dāng)外界壓強大于30 kPa時，復(fù)合試樣的緩壓系數(shù)都在上升，從圖8(a)可看出，緩壓系數(shù)CS6+8最小時，S6+8的緩壓效果才能達(dá)到最佳。此時該復(fù)合試樣的壓縮吸收能為309 kJ/m2。

2) 同理根據(jù)圖7(b)、圖8(b)，結(jié)合表3可得：當(dāng)外界壓強為30 kPa時，此時S7+8、S8+7、S8+3和S3+8達(dá)到最小緩壓系數(shù)，此時緩壓系數(shù)的大小依次為C3+8>C8+3>C7+8>C8+7，緩壓效果優(yōu)劣為ηS8+7>ηS7+8>ηS3+8>ηS8+3。

圖7 復(fù)合試樣的應(yīng)力-應(yīng)變曲線

圖8 復(fù)合試樣的應(yīng)力-緩壓系數(shù)曲線

3.2.3 試樣的最優(yōu)化選擇

老年人膝部防護(hù)系統(tǒng)的填充材料應(yīng)當(dāng)從厚度、透氣性能、柔軟性能、壓縮吸收能等多個方面來評估其優(yōu)劣，對于厚度為10 mm的經(jīng)編間隔織物和聚氨酯試樣而言，聚氨酯試樣的壓縮吸收能性能雖好，但是在反復(fù)摔倒撞擊的情況下，特別與尖銳物體猛烈撞擊時，聚氨酯易被撕裂?；诖?，聚氨酯試樣不予考慮?？紤]到試樣受到?jīng)_擊力時的變形性能，同時根據(jù)市場調(diào)查發(fā)現(xiàn)：內(nèi)部填充材料的厚度為20 mm時最為合理。通過厚度為20 mm復(fù)合試樣的分析可看出：復(fù)合的方法可提高試樣的壓縮吸收能，將摔倒后造成髕骨損傷的安全系數(shù)大大提高，但是復(fù)合試樣的面密度較大，材料的制備成本和工藝增加，并且試樣的柔軟度不一致?？紤]到老年人身體狀況的特殊要求，最終選用單層的、滿足最適宜厚度要求的S4作為膝部防護(hù)系統(tǒng)的內(nèi)部填充材料，其壓縮吸能可滿足老年人摔倒時的最大能量要求。

4 結(jié) 論

1)對于不同面密度的高回彈聚氨酯材料，面密度越大的材料，緩壓系數(shù)越大，緩壓效果越好；軟質(zhì)聚氨酯材料抵抗外界壓強的能力較弱，不適用于老年人摔倒時膝部防護(hù)材料。高回彈聚氨酯材料抵抗外界壓強的能力強，雖滿足膝部防護(hù)墊填充材料的能量要求，但受到劇烈撞擊易撕裂，因此，不是膝部防護(hù)系統(tǒng)填充材料的最佳選擇。

2)對于相同厚度、相同面紗線密度和間隔紗直徑的經(jīng)編間隔織物而言，線圈密度大的試樣其面密度大，緩壓系數(shù)小，緩壓效果好；對于相同線圈密度，不同間隔紗直徑和面紗細(xì)度的經(jīng)編間隔織物而言，線圈的密度決定間隔紗的密度，但是間隔紗的直徑和面紗的線密度決定了試樣的面密度，面紗線密度和間隔紗的直徑大時，試樣的面密度大，緩壓系數(shù)小，緩壓效果好。

3)對于復(fù)合試樣而言，試樣的疊放次序不同其靜態(tài)緩壓性能不同，壓縮吸能的大小也不同。在本文實驗中，當(dāng)外界壓強大于30 kPa時，壓縮吸能較多的復(fù)合試樣緩壓系數(shù)最小，緩壓效果最好。經(jīng)過市場調(diào)查，滿足老年人摔倒時產(chǎn)生的沖擊能量要求的膝部防護(hù)墊填充材料其厚度控制在20 mm為最佳，因此，從成本、質(zhì)量、透氣性，壓縮吸收能的角度考慮，選用厚度為20 mm的S4作為膝部防護(hù)系統(tǒng)的填充材料，其壓縮吸收能為259 kJ/m2，遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于摔倒時產(chǎn)生的沖擊能量上限140.44 kJ/m2。

FZXB

[1] 王書軍, 王麗霞, 李桂蘭. 老年人髖部骨折的機制及其防護(hù)墊的設(shè)計[J]. 中醫(yī)正骨, 2008, 22(9): 22-23. WANG Shujun, WANG Lixia, LI Guilan. The mechanism of the hip pad and the design of the hip pad for the elderly[J]. Traditional Chinese Bone-Setting, 2008, 22 (9):22-23.

[2] 許子勤.老年人防摔保護(hù)墊.中國, 200820018832.6[P]. 2008-03-13. XU Ziqin. The protective falling pad for the elderly: China, 200820018832.6[P]. 2008-03-13.

[3] PEKKA Kannus, JARI Parrkkari, SEPPO Niemi, et al. Prevention of hip fracture in elderly people with use of a hip protector[J]. The New England Journal of Medicine, 2000, 343(21): 1506-1513.

[4] DINIZ MELO J D, AYRLES S, GONCALVES Barbosa, et al. Mechanical evaluation of polymer composite hip protectors[J]. International Journal of Biomaterials, DOI:10.1155/2010/431591.

[5] CAMERON I D, KURRLE S, QUINE S, et al. Increasing adherence with the use of hip protectors among older people living in the community[J]. Original Artical, 2011, 22(1): 617-626.

[6] 王中珍,丁帥,王蝶.耐沖擊運動防護(hù)服的研究進(jìn) 展及設(shè)計要素[J].山東紡織科技，2013(1):43-46. WANG Zhongzhen, DING Shuai,WANG Die. Impact resistance movement, the research progress of protective clothing and design elements[J]. Shandong Textile Science & Technology, 2013(1):43-46.

[7] 王永進(jìn).動態(tài)人體尺寸的測量方法[J].紡織學(xué)報，2013, 34(4): 104-110. WANG Yongjin. Measurement method of dynamic human body size[J]. Journal of Textile Research, 2013, 34(4): 104-110.

[8] 錢曉農(nóng), 尹兵. 基于三維人體測量的人體體型細(xì)分識別的研究[J].紡織學(xué)報, 2011, 32(2): 107-110. QIAN Xiaonong, YIN Bing. Research on subdividing of the human body recognition based on 3-D body measurement[J]. Journal of Textile Research, 2011, 32(2):107-110.

[9] 彭國勛.運輸包裝[M].北京:印刷工業(yè)出版社, 1999: 5-6. PENG Guoxun. Importing Package[M]. Beijing: Printing Industry Publication,1999: 5-6.

[10] 陳燕.經(jīng)編間隔織物壓縮彈性的研究[D].無錫：江南大學(xué), 2007:15-35. CHEN Yan. Research of the compression elasticity of warp knitted fabric[D]. Wuxi: Jiangnan University, 2007:15-35.

[11] 趙艷艷.經(jīng)編間隔織物防護(hù)面料的開發(fā)及相關(guān)防護(hù)性能的研究[D].上海:東華大學(xué),2010:27-55. ZHAO Yanyan. Development and study on protective properties of warp knitted spacer fabric[D]. Shanghai: Donghua University, 2010: 27-55.

[12] 王高升, 張吉宏, 陳夫山. 植物型軟質(zhì)聚氨酯泡沫制備及緩壓性能研究[J]. 包裝工程, 2007, 28(3): 34-36. WANG Gaosheng, ZHANG Jihong, CHEN Fushan. Preparation of plant type soft PU foam and study of the buffer performance [J]. Package Engineering, 2007, 28(3): 34-36.

[13] 沈瑤，錢靜，經(jīng)編間隔織物靜態(tài)緩壓性能的研究[J].包裝工程, 2008, 29(32): 40-41. SHEN Yao, QIAN Jing. Study on static buffer performance of spacer fabric [J]. Package Engineering, 2008, 29(32): 40-41.

Static anti-compression performance of knee protector

JIANG Yaming1,2， LI Ning1,2， ZHANG Yanmei1,2

(1.SchoolofTextile,TianjinPolytechnicUniversity,Tianjin300387,China; 2.KeyLaboratoryofAdvancedTextileComposites,MinistryofEducation,TianjinPolytechnicUniversity,Tianjin300387,China)

In order to decrease the damage on the knee of the elderly due to falling down, warp knitted spaced fabric was fabricated, and the experiment on static anti-compression performance of polyurethane foam was carried out with the Instron tester. Meanwhile, the buffer material with the best performance of anti-compression was found by comparing the energy acted on the knee when the elderly falling down and that measured in the experiment. It is found that for polyurethane and spaced fabric, the gram per square meter is the main parameter which affects the performance of anti-compression of polyurethane and spacer fabric. Moreover, the fineness of spacer and surface yarn and the loop density are two main factors which affect the gram per square meter. When the external pressure is over 30 kPa, the one-layer with the thickness of 20 mm and the gram per square meter of 1 353 g/m2, has the largest loop density and the effect of anti-compression performance is the best with the compression energy absorption is 259 kJ/m2. Therefore, it can be used for the filling materials with the fine thickness, low cost and the best anti-compression effect.

knee protector; polyurethane material； spacer fabric； anti-compression performance； compression energy absorption

10.13475/j.fzxb.20150802007

2015-08-20

2016-04-25

航空科學(xué)基金資助項目(201529Q2002)

姜亞明(1970—)，男，教授，博士。研究方向為紡織復(fù)合材料、織物力學(xué)、防護(hù)針織物。E-mail:yamingjiang999@hotmail.com。

TS 186.1

A