竹安全帽編織工藝及產品性能研究*

林朝陽 費本華 孫豐波 魏松坡 黃 彬

（1.福建省建甌市朝陽竹編帽業有限公司，福建 建甌 353100；2.國際竹藤中心，北京 100020）

我國約有8 000 萬從業人員需佩戴安全帽，隨著安全要求的不斷提高，安全帽的需求量以約10%的增幅逐年遞增[1]。安全帽作為工業生產中重要的頭部防護裝備，其設計、制造質量的提升十分重要。目前制作安全帽的材料主要以玻璃鋼殼和塑料殼為主[2-7]，玻璃鋼殼以玻璃纖維、維倫絲、丙倫無紡布和樹脂等為原料；塑料殼以聚碳酸酯、超高分子聚乙烯、改性聚丙烯等為原料。這兩類帽殼成形容易、質量控制到位，因而被廣泛使用[8-12]。然而，一些安全帽通風性能差，在悶熱的環境下，尤其在炎熱的夏季或者在高溫、高濕地區，使用者會因透氣性不好摘下安全帽，導致事故發生，因此有巨大的安全隱患[1]。

為了增加安全帽的舒適度，設計師通過在帽殼上增加通風口或安裝微型風扇等形式，以改善安全帽通風性能，取得了一定效果，但并未能廣泛使用。由竹絲編制而成的安全帽帽殼，由于采用手工編織，經緯篾絲編織留有縫隙，因此透氣透濕性良好。再經浸膠處理，竹編帽殼具有輕質高韌、強度大、彈性好等特點，克服了塑料、玻璃鋼等安全帽悶熱、質量重以及對人體易產生化學過敏等缺點，提升了安全帽的舒適度，可應用于建筑、礦山冶金、林業、碼頭、交通等工業場所。

竹編安全帽的編織工藝充分利用了竹材天然優良的劈篾性能和力學強度[13-18]，編制成的安全帽堅固耐用，可以竹代塑[19-23]，具有很高的應用和推廣價值。竹編安全帽的編織工藝也是對我國傳統竹編工藝的繼承和延伸[24-25]。目前，市場上流通的竹編安全帽產品形式多樣，質量參差不齊，缺乏統一的標準，對于制作工藝技術與相關性能均缺乏系統的研究和科學評價，這不利于產品的推廣和技術提升。本文對竹編安全帽制作工藝和性能進行分析，以期為竹編安全帽產品的技術進步、標準制定、產品推廣提供依據。

1 材料與方法

1.1 材料

竹材：2～4年生的毛竹（Phyllostachys edulis），產地為福建省建甌市，胸徑為4～6 cm，無死竹、蟲蛀、霉變。竹材長度不小于5 m，彎曲度不超過7%，和生枝椏分叉處須離根部2 m以上。將竹材加工成竹絲，具體標準詳見表1。下額帶：以丙綸紗線為原料，采用經緯交錯織造而成。加強鋼板：直徑10 cm,厚度0.5 mm的不銹鋼板材，置于加強筋和帽殼之間。脲醛膠：以甲醛、尿素、聚乙烯醛、三聚氰胺、工業淀粉為原料，每噸按0.7∶0.4∶0.025∶0.02∶0.025比例制成。

表1 竹編帽殼結構單元規格及要求Tab.1 Specifications and requirements of structural unit of bamboo braided helmet shell

1.2 竹安全帽編織工藝

竹安全帽編織工藝包括竹材破篾、帽殼編織、浸膠和組裝，如圖1 所示。

圖1 竹編安全帽生產工藝Fig.1 Production technology of bamboo safety helmet

1） 竹材破篾：將竹材破篾，制成各種規格的篾絲。

2）帽殼編織：用定型器排布筋篾，鎖緊頂絲；頂絲鎖好后，用套具固定在標準頭模上；編織盔絲和腰絲；腰絲編織完成后，每根筋篾用無煙酒精燈燒烤彎曲至90°；再編沿絲至標準長度，鎖好鎖邊絲；最后完成帽沿扎口。

3）帽殼浸膠：采用尿醇膠對帽殼進行浸膠處理，對浸膠后的安全帽進行稱重，間隔8 h稱重1 次，直至帽殼質量無變化，計算浸膠率。本試驗中帽殼的浸膠率為23%。

4）安全帽組裝：將帽殼浸膠后晾干，安裝好防護鋼板和下頜帶，完成安全帽組裝。

1.3 性能測試與分析

按照GB/T 2812—2006 《安全帽測試方法》，測試安全帽的沖擊吸收性能和耐穿刺性能，先將安全帽送檢樣品進行高溫（50 + 2）℃、低溫（-10 + 2）℃和浸水（20 + 2）℃預處理3 h，再將預處理的樣品佩戴在標準頭模上，如圖2所示[24]，落錘、穿刺錘的高度為1 000 mm，記錄沖擊吸收力值和穿刺結果。

圖2 沖擊吸收和耐穿刺性能測試裝置示意圖Fig. 2 Schematic diagram of impact absorption and puncture resistance test device

安全帽沖擊試驗過程中，根據能量守恒定律，落錘撞擊產生的動能被分為3 部分，第一部分能量以應力波的形式發射進入落錘，被稱為E1；第二部分被安全帽吸收的能量，被稱為E2；第三部分為進入頭部模型的能量，被稱為E。根據安全帽檢測規范規定，安全帽經高溫、低溫、浸水預處理后，進入頭模的沖擊力不超過4.9 kN，則安全帽沖擊性能視為合格。

2 結果與分析

2.1 性能評價

對竹編安全帽樣品進行了抽樣送檢，每組樣品8 個，結果如圖3 所示。竹編安全帽樣品經高溫處理后，樣品中頭模沖擊吸收力（Ea）最大值為4.49 kN，最小值為1.35 kN，平均值為2.85 kN；經低溫處理后，檢測樣品中頭模吸收力（Eb）最大值為4.34 kN，最小值為1.75 kN，平均值為2.92 kN；經常溫浸水處理后，檢測樣品中頭模沖擊吸收力（Ec）最大值為4.38 kN，最小值為1.51 kN，平均值為2.59 kN。送檢竹編安全帽樣品的沖擊吸收性能合格。

圖3 不同預處理下竹編安全帽的沖擊吸收性能Fig.3 Impact absorption properties of bamboo woven safety helmet with different pretreatment

安全帽耐穿刺試驗過程中，穿刺錘接觸頭模形成閉合電路會發出信號。經檢測，安全帽經過高溫、低溫、常溫浸水3 種處理后，送檢的8 個樣品耐穿刺性能合格，穿刺錘均未接觸頭模表面，帽殼無碎片脫落。

2.2 沖擊吸收力分布特征

在竹編安全帽制作工藝中，一是對竹編帽殼進行浸膠處理，以增強材料的沖擊韌性；二是在帽頂的下方設置防護鋼板，以增加安全帽的安全系數。為了進一步測試膠黏劑、鋼板對安全帽沖擊韌性的影響，對未浸膠、未加防護鋼板的安全帽（M1），浸膠、未設防護鋼板的安全帽（M2）和浸膠、加防護鋼板的安全帽（M3），分別進行了常溫常態下的沖擊吸收性能測試，結果如圖4所示。由圖可知，3種安全帽的沖擊吸收力中位數值為M1>M2>M3，說明浸膠處理和鋼板均提高了竹編安全帽的沖擊吸收性能。M1中沖擊吸收力的中位數值小于4.9 kN，上方邊緣數值高于4.9 kN，有異常值，且數值高于4.9 kN，說明竹編帽殼在未經處理的情況下，直接應用于安全帽生產，會有部分產品沖擊吸收性能不合格。M2和M3的上方邊緣數值均在4.9 kN以下，且無異常值，說明竹編帽殼在浸膠處理后，沖擊性能提高，達到了安全帽性能要求；M2中位數值大于M3中位數值，說明浸膠處理的竹編帽殼安裝上鋼板后，沖擊性能進一步提高。

圖4 不同帽殼結構沖擊吸收性能Fig.4 Impact absorption properties of different cap shell structures

為了進一步分析浸膠和鋼板對竹編安全帽安全系數的提升程度，對3 種安全帽M1、M2、M3 的沖擊吸收力進行了方差分析和多重比較。如圖4 所示，M1 與M2 之間和M1 與M3 之間均存在顯著差異（P<0.01），M2 與M3 之間差異性不顯著（P>0.05），說明竹編安全帽經過浸膠后沖擊吸收性能顯著提高；安裝鋼板對浸膠處理后的竹編安全帽的沖擊吸收性能有所提升，但提升幅度不顯著。

2.3 沖擊破壞外觀圖像分析

對沖擊試驗后的竹編安全帽樣品進行了圖像分析，如圖5 所示。M1 的15 個樣品均發生了破壞，破壞形式有3 種，包括帽頂塌陷、頂絲斷裂、筋篾斷裂。其中，發生帽頂塌陷的有11 個，頂絲和筋篾未斷裂；帽殼頂絲斷裂2 個；筋篾斷裂2 個。說明將未經任何處理的竹編帽殼直接用于安全帽組裝達不到安全帽的性能要求。M2 的15 個樣品經沖擊后，外觀保持完好的有11個，出現的破壞形式為撞擊點塌陷、頂絲斷裂、筋篾斷裂3 種。其中，撞擊點塌陷1 個，帽殼頂絲斷裂1 個，筋篾斷裂2 個。M3 的15 個樣品經沖擊后，外觀保持完好的有13 個，外觀破壞的有2 個樣品，破壞形式相同，均發生帽殼頂絲斷裂和鋼板變形。可見，經浸膠處理和加設鋼板后的竹編安全帽沖擊吸收性能增強，經沖擊試驗后，帽殼外觀有少量破損。

圖5 竹編安全帽沖擊破壞圖像Fig. 5 Impact damage image of bamboo safety helmet

綜合三者的破壞形式可以推斷，竹編安全帽的破壞形式依次是頂絲和筋篾斷裂、撞擊點塌陷、鋼板變形、帽頂塌陷，浸膠處理防止了帽頂的塌陷，鋼板防止了撞擊點的塌陷。

3 結論

本文對竹編安全帽的材料選擇、制作工藝進行闡述，對產品性能進行分析評價，主要得出以下結論：竹材可作為安全帽的生產原料，其性能能夠滿足耐沖擊和耐穿刺要求；竹編安全帽沖擊試驗表明，沖擊過程中，竹編帽殼依次產生頂絲和筋篾斷裂、撞擊點塌陷、帽頂塌陷等破壞方式；浸膠處理可顯著增加竹編安全帽的沖擊韌性，并有效防止帽頂塌陷發生；在竹編安全帽中增設鋼板，可進一步提升竹編安全帽的防護性能，并可有效防止撞擊點塌陷發生。本文通過對竹安全帽編織工藝和產品性能的研究，為竹編安全帽的技術提升、標準制定和產品推廣提供了依據，也為進一步研究分析奠定了基礎。