充氣緩沖面料的動態沖擊性能影響分析

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態沖擊下的緩沖防護性能，對5種不同花型、不同充氣厚度的充氣面料進行內氣壓測試和跌倒沖擊試驗，分析了充氣厚度、花型對充氣面料動態緩沖特性的影響。結果表明：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，充氣厚度越大，防護效果越好，超過臨界值，防護效果下降;花型的充氣氣室形狀對面料的緩沖防護有較大影響。本研究從綜合性角度評價了充氣面料的緩沖減震性能，以期為充氣面料在實際應用中的設計提供參考。

關鍵詞：充氣面料;緩沖防護;花型;充氣厚度;動態緩沖特性

中圖分類號：TS 941.73? ? ? ? ? ? ?文獻標識碼：A? ? ? ? ? ? ? 文章編號：1674-2346（2022）02-0001-06

充氣面料是一種新型的緩沖減震材料[1]，具有綠色環保、節約能源、輕便、保暖等優點，能夠有效吸收沖擊能量，分流壓力，減少沖擊帶來的風險[2]。充氣面料由2層薄膜和底布經過一定的結構形狀設計而成，通過預留的閥門可將空氣充入充氣氣室，并利用氣室內的空氣獲得緩沖作用，其緩沖特性是利用壓縮氣室內的空氣產生變形和底布的拉伸形變來吸收和分散能量，從而對人體進行緩沖保護[3]。

充氣面料作為一種新型材料，在功能性防護產品上的研究逐漸增多，如利用其充氣緩沖性能開發跌倒防護產品[4]。目前，國內外學者對影響充氣面料因素的研究主要包括面料充氣量、透氣性[5]、氣室內氣壓、面料結構形狀[6]、力學性能[7]、充氣面料蠕變性[8]等，其中面料充氣量、氣室內氣壓、面料結構形狀是影響充氣面料沖擊性能的主要因素。

目前對充氣面料沖擊性能研究多在包裝領域，在服裝領域大多將其作為氣囊應用來研究。張健等[9]針對市面上不同薄膜厚度的充氣墊進行跌落試驗和仿真分析，測試跌落試驗過程加速度變化情況，得出薄膜厚度對充氣墊的緩沖性能影響規律，試驗證明在一定范圍內，充氣墊的薄膜厚度越小緩沖性能越佳，并將該方法應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、沖擊試驗和跌落仿真分析，研究跌落高度、充氣壓力和氣室寬度對氣墊緩沖防護性能的影響，為氣墊的緩沖包裝設計提供理論依據。2008年日本Prop公司[11]推出一款老年跌倒防護安全氣袋，該防護氣袋由充氣面料制成，當監測人體跌倒時，氣袋會在100ms內完成充氣，用以保護人體頭部和髖部。國內的Wen J Li研究團隊[12]研發了一款可穿戴防護裝置，該裝置由充氣面料制成，類似腰帶，被固定在人體腰部，兩側的氣囊用以跌倒時保護老年人的髖部。蘇州衣帶保智能技術有限公司[13]采用充氣面料研發了一款針對老年人所使用的充氣式防摔服，該服裝平時扣在腰部位置，在識別到人有摔倒傾向后，腰帶內的安全氣囊能在0.18 s內彈出打開，能使落地沖擊力減少90%以上。

1? ? 試驗

1.1? ? 儀器

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

1.2? ? 材料

試驗用面料由蘇州興豐強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孔TPU薄膜構成。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。試樣未充氣時的尺寸為400mmx400mm，試驗前，在溫度（20±2）℃和相對濕度65%±5%的室溫環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熱熔膠復合機將薄膜與面料壓合，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熱壓出面料的花型充氣氣室形狀。花型充氣氣室形狀的排布和大小參考該企業的充絨通道的設計，分為六邊形、短橫條紋、斜條紋、長橫條紋、圓點。（圖1）

1.3? ? 方法

1.3.1? ? 充氣厚度及內氣壓測量方法

充氣面料的內氣壓不僅影響其動態緩沖性能，同時也影響服裝在使用過程中的舒適性和美觀性，如內氣壓過大，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，出現不平服的現象。因此，為了解充氣厚度對內氣壓的影響及更準確測量充氣厚度，使用邊長為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，測量3次取平均值。以1 mm為檔差，通過調節乳膠球氣閥的開關，緩慢放出氣體，然后記錄該厚度下氣袋內的氣壓值，研究充氣面料放氣過程中充氣厚度與氣壓值的變化規律。

1.3.2? ? 充氣面料抗沖擊性能指標

為探究不同花型及充氣厚度的充氣面料受到碰撞時的沖擊力變化情況，同時對充氣面料的抗沖擊性能的影響。在室溫環境下，借鑒GB/T 8171-2008《使用緩沖包裝材料進行的產品機械沖擊脆值試驗方法》和有關髖部防護的生物力學測試建議——國際共識聲明[14-15]中對緩沖材料厚度的選取，進行假人跌倒沖擊試驗。試驗過程中，測得假人摔在測力臺上X、Y、Z方向上所受的分力FX、FY、FZ，然后根據公式（1）計算沖擊合力，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分別為假人在測力臺X、Y、Z方向上所受的分力。

由圖2可知，隨著時間的推移，假人在測力臺上受到的沖擊力呈上升狀態并達到峰值，峰值過后，沖擊力隨之又逐漸減小，并逐漸趨于平緩狀態。沖擊力越大，進一步表征充氣面料的抗沖擊性能越差。

2? ? 試驗結果分析

2.1? ? 面料的充氣厚度與氣壓值分析

為了探究各面料結構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系。使用電子氣壓計測量5種面料的內氣壓值，其中，測量過程中有兩點需注意：氣壓值測量時忽略了連接充氣膠管和氣壓測試儀器時泄漏的微量氣體;由于亞克力板平壓，試樣測得的氣壓值應比無平壓情況下測得的數值偏大。

整理測得的數據，通過Origin軟件差值擬合處理，目標函數形式為=exp（a+bxcx²），并使用Levenberg-Marquardt優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。各參數的檢驗概率P<0.05時，表明在置信度為95%的水平下，通過了檢驗，R²的值越接近1則擬合效果越好。其中，t檢驗是對單個變量系數的顯著性檢驗，F檢驗是對整個模型的擬合優度檢驗，即所有變量對被解釋變量的顯著性檢驗。根據圖中真實數據點和擬合圖像的重合程度以及R2的數值可以看出，R²值接近1，函數圖像擬合效果較好，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系式：

同理，根據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系式可知，曲線呈指數增長形式，試樣內氣壓值會隨充氣厚度的增大而增加，但是會出現一個臨界點，超過此臨界點時氣壓會突增，試樣手感硬挺，面料會由柔性變成剛性，從而降低了服裝的舒適性和安全性，容易漏氣或脹破。因此，根據材料材質、結構形狀等，選擇最佳充氣壓力是至關重要的。

根據1.3.1充氣厚度及內氣壓測量方法得到充氣試樣的最高充氣厚度。觀察5個花型的充氣厚度和氣壓值的擬合圖像可知，曲線呈指數增長形式，試樣內氣壓值會隨充氣厚度的增大而增加，但是會出現一個拐點，在這個拐點處的斜率會發生突變，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附近，安全充氣厚度范圍應低于厚度臨界點。

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相同，其最大沖擊力排列順序為花型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沖擊力與其面料充氣臨界值和面料本身強度及其規格結構有關[16]。充氣面料受到沖擊載荷作用時，沖擊動能被充氣面料吸收，部分能量壓縮充氣面料使其發生變形，同時另一部分外力在壓縮充氣面料時產生因氣室壓力增加對面料本身的拉伸應變。當這種拉伸變形超出面料的定伸長負荷范圍[17]以及沖擊力超過充氣臨界值時，所形成的拉伸過度，柔性面料變為剛性，充氣厚度越大，剛性越強，使內氣壓過大，沖擊時造成面料斷裂[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，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，假人跌落觸地瞬間的沖擊力達到最大值，隨后假人經幾次反彈而靜止，沖擊力趨于穩定。在相同試驗條件下，隨著充氣厚度的增加，較小充氣氣室的面料表現出抗沖擊力較小。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越多。總體來說，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、充氣厚度下表現的最大沖擊力-時間曲線相似，呈現相同的緩沖特性，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。當充氣面料沖擊能量吸收與分散達到最大時，其最大沖擊力降至最低點，充氣厚度達到臨界值，緩沖效果達到最大，當面料變形繼續增加，并接近到充氣厚度最大值時，最大沖擊力反而增大，降低緩沖效果。

3? ? 結語

通過對不同花型、充氣厚度的充氣面料進行緩沖性能試驗研究和分析發現：充氣面料的花型、充氣厚度對緩沖性能有著不同程度的影響，面料的最大沖擊力都會有所變化。在充氣臨界值范圍內，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出現明顯的不同。在實際服裝應用中，可根據人體形態特征和充氣服裝設計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面料緩沖特性影響的評價結果在實際服裝應用時可以作為充氣面料選擇的依據，以便做到面料在服裝設計及應用中合理、可靠、適度。

參考文獻

[1]李鳳.可穿戴式防擠壓氣囊功能服設計研究[D].重慶：西南大學，2020.0626501E-DB73-4AC7-A28E-8A8A3A1A81CD

[2]王雅嫻，李艷梅.吸能緩沖防護服裝的研究進展[J].紡織學報，2020，41（05）：184-190.

[3]安超，賈清秀，周孟嬌，等.抗低速沖擊個體防護材料的研究進展[J].化工新型材料，2019，47（11）：217-221.

[4]王雅嫻，李艷梅.老年摔倒防護服裝的開發現狀及其發展趨勢[J].毛紡科技，2019，47（09）：84-88.

[5]劉春娜，王新厚.安全氣囊織物動態透氣性的測試研究[J].測試技術學報，2007（05）：396-399.

[6]諸文旎，祝國成.安全氣囊織物發展現狀[J].現代紡織技術，2021，29（03）：40-44.

[7]方一芳，蔣世祥.安全氣囊織物的研制與開發[J].絲綢，2000，45（11）：28-32.

[8]KANG Yong gang.Air Filled Cushioning Material，Struc-tures and Properties[C].Proceedings of the 17th IAPRI World Conference on Packaging，2010：1-4.

[9]張健，潘政宇，李琛.充氣墊對玻璃杯緩沖保護的實驗與仿真分析[J].包裝工程，2021，42（15）：165-170.

[10]王慧.空氣襯墊的緩沖防護機理與沖擊特性研究[D].哈爾濱：哈爾濱商業大學，2014.

[11]朱達輝，宋婧，宇鋒.老年防摔功能服裝設計[J].毛紡科技，2018，46（11）：63-68.

[12]佟麗娜. 基于力學量信息獲取系統的人體摔倒過程識別方法研究[D].合肥：中國科學技術大學，2011.

[13]鄔佳妮，周冬梅，胡鉅濤，等.氣囊式防摔倒智能服裝降低老年人跌傷風險的研究分析[J].科技與創新，2021（11）：97-99，101.

[14]Robinovitch S N，Evans S L，Minns J.et al.Hip protectors： recommendations for biomechanical testing—an international consensus statement （part I）[J]. Osteoporos International 2009，20（12）：1977-1988.

[15]Cameron I D，Robinovitch S，Birge S.et al.Hip protectors： recommendations for conducting clinical trials—an international consensus statement（part II）[J].Osteoporosis International.2009，21（1）：1-10.

[16]龐明軍，朱俊偉，方虹天.安全氣囊滌綸長絲拉伸性能測試分析[J].現代紡織技術，2011，19（02）：43-46.

[17]吳濟宏，于偉東.針織面料的拉伸彈性與服裝壓[J].武漢科技學院學報，2006（01）：27-31.

[18]程曉偉.汽車安全氣囊織物生產工藝探討[J].江蘇紡織，2009（01）：47-48，50.

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