膝部防护用材料的静态缓压性能

姜亚明， 李 宁， 张艳梅

(1. 天津工业大学 纺织学院， 天津 300387；2. 天津工业大学 先进纺织复合材料教育部重点实验室， 天津 300387)

膝部防护用材料的静态缓压性能

姜亚明1,2， 李 宁1,2， 张艳梅1,2

(1. 天津工业大学 纺织学院， 天津 300387；2. 天津工业大学 先进纺织复合材料教育部重点实验室， 天津 300387)

为减少摔倒给老年人膝盖部位造成的伤害，编织了经编间隔织物试样，采用万能材料仪对聚氨酯泡沫材料和经编间隔织物的静态缓压性能进行测试，通过对比实际摔倒能量和缓压材料吸收能量的大小评估材料缓压性能的优劣。结果表明：聚氨酯泡沫材料和经编间隔织物的面密度是影响其缓压效果优劣的决定性参数，而间隔纱、面纱的直径及试样的线圈密度是决定间隔织物面密度的主要因素。当外界压强大于30 kPa时，厚度为20 mm、面密度为1 353 g/m2的间隔织物试样线圈密度最大，缓压系数最小，缓压效果最好，压缩吸收能为259 kJ/m2，该间隔织物试样从厚度、编织工艺、成本上来说是最佳的膝部防护用缓压材料。

膝部防护用材料； 聚氨酯泡沫材料； 经编间隔织物； 缓压性能； 压缩吸收能

目前，关于老年人防摔装置的研制侧重于股骨和髋部的防护，常见的有硬质高分子防护器、髋部防护垫[1-3]，这些产品对老年人摔倒护具的研发具有引导作用。经调查发现，目前常见的抗冲击、抗压缩材料是聚氨酯泡沫材料和经编间隔织物[4-6]。膝盖和股骨部位对防护材料缓压抗冲击性能的要求不同，因此，本文对膝盖部位常见的缓压材料进行研究，旨在选出膝部防护用缓压性能较好的材料。

1 摔倒能量计算

当老年人发生摔倒时，除髋部和腕关节受伤外，最常见的还有膝盖部位的髌骨。一个能有效减小膝盖部位损伤的膝部防护系统是十分必要的，因此，必须要了解发生摔倒时产生的能量的大小。假设老年人在静止状态下摔倒时为自由落体运动，此时只受重力作用，假设重力完全作用于膝盖部位的P点。当老年人在运动状态下发生摔倒时，假设此时摔倒时身体重量完全集中于膝盖部位的P点，运动状态下的摔倒类似于物理学中的平抛运动，如图1所示。在膝盖部位P点产生的能量为

式中：E为总能量，J；m为老年人的体重，kg；v0为老年人步行时水平方向的速度，m/s；g为重力加速度，g=9.8 N/kg；h为膝盖到地面的距离，是根据成年人体身高和膝部高度的关系得出的平均数[7-8]。

图1 运动状态摔倒模型

表1示出60岁以上老年人的身高、体重、平均步行速度，以及在静态和运动状态下发生摔倒时完全作用于P点的能量。

表1 不同参数作用于膝盖部位P点的冲击能量

2 静态缓压实验

2.1 实验方法

本文实验采用型号为AGS-J的万能材料机，缓压材料的力学性能由压力-位移曲线来表征[7]。依据GB/T 8168—2008《包装用缓压材料静态压缩试验方法》，将实验得到的压力-压缩量数据进行计算，通过式(2)、(3)绘制出应力-应变曲线，此办法可以消除力和受力面积对材料压缩性能的影响，从而便于不同试样静态缓压性能的对比。

压缩应力的计算公式为

式中：σ为压缩应力，Pa；P为压缩载荷，N；A为样品承载面积， mm2。

压缩应变的计算公式为

式中：εa为实验时压缩应变，%；T为实验样品的原始厚度， mm；Tj为样品实验后的厚度， mm。

2.2 试样的准备

表2示出预处理后各试样的参数。试样裁剪成直径为10 cm的圆形。试样3、6、7、8、9的垫纱数码面层采用：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。间隔层采用：GB3，1-0-1-2/2-3-2-1//，满穿。底层采用：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。试样4、5的垫纱数码面层采用：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。间隔层采用：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。底层采用：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 预处理后各试样的参数

注：S3～S9所用面纱和间隔纱均为涤纶。

3 结果与分析

3.1 实验结果

表3示出试样压缩吸收能的大小。压缩吸收能是从材料能量吸收的角度衡量该材料缓压性能的优劣，表征试样达到致密化阶段时每平方米吸收的能量。

表3 静态压缩实验结果

注：下脚标A*B代表A层B号试样复合；A+B代表A试样和B 试样复合，且A试样处于上表面与压脚直接接触。

3.2 应力-应变曲线分析

在分析试样缓压性能时，可以计算出材料的缓压系数C，它是表征试样缓压效果η优劣的参数[9]。

3.2.1 单层材料缓压性能分析

3.2.1.1 聚氨酯泡沫材料应力-应变曲线 图2示出同一厚度的聚氨酯材料应力-应变曲线，可以看出，当压缩量ε<10%时，普通的软质聚氨酯材料S1和S2达到致密化阶段，此时σ2>σ1；当压缩量ε=65%时，高回弹的聚氨酯材料S10、S11、S12均达到致密化阶段，并且σ10>σ11>σ12，说明在达到致密化阶段时，S10的支撑性能最好；图3示出不同密度的聚氨酯材料的应力-缓压系数曲线，由于S2的面密度大于S1，当缓压系数达到最小值时C1>C2，且σ2>σ1，则η2>η1；对于S10、S11、 S12，当外界压强大于20 kPa时，C10、C11、C12均在不断减小，达到最小值时，C10>C11>C12，即缓压效果η10<η11<η12。结合表2可看出，试样S10、S11、S12的面密度在依次减小。综合聚氨酯试样的分析可看出：面密度小的试样缓压系数小，缓压效果好。结合表1可看出，当老年人在运动状态发生摔倒时产生的冲击能量为218.0～421.325 J，此能量作用于髌骨部位(面积约为30 cm2)，则每平方米受到的冲击能量为72.67～140.44 kJ。 由表3可看出：在膝部防护垫填充材料的选择上，软质聚氨酯材料S1和S2无法达到基本防护要求。S10、S11和 S12的压缩吸收能量能满足摔倒时产生的冲击能量要求，但S10邵氏硬度最大，在用做膝部防护垫的缓压材料时无法满足适体性要求，S11和S12均可达到最基本的防护要求，结合表3，S11的压缩吸能大于S12，因此，在高回弹聚氨酯泡沫材料的选择中，S11质轻且可满足冲击能量要求，其压缩吸收能为304 kJ/cm2，是膝部防护用填充材料的较好选择。

图2 不同密度的聚氨酯材料的应力-应变曲线

图3 不同密度聚氨酯材料的缓压系数-应力曲线

3.2.1.2 经编间隔织物应力-应变曲线 图4、5示出不同密度、不同厚度、不同组织结构的经编间隔织物试样的应力-应变曲线和缓压系数-应力曲线，根据表2可得，S4和S5初始厚度均为20 mm，S3、S6、S7、S8初始厚度为10 mm，由图4可知，经编间隔织物的压缩过程可分为3个阶段：初始阶段，曲线呈线性变化，即弹性阶段，材料缓压性能的大小用弹性模量来表示；第2个阶段为压缩阶段，此时间隔丝受到压力作用发生失稳现象，间隔丝弯曲曲率的出现致使经编间隔织物沿厚度方向急剧缩小。观察图4可看出，在此阶段，应力-应变曲线有内凹的趋势，说明此时抗压刚度在减小，容易被压缩；第3阶段是致密化阶段，当经编间隔织物的上下表层和间隔丝完全贴合时，厚度方向的压缩量达到最大值，此时应力值也最大，说明经编间隔织物的支撑作用越强。

图4 不同厚度的经编间隔织物的应力-应变曲线

图5 不同厚度的经编间隔织物缓压系数-应力曲线

通过图4、5可得到：1) 对于厚度为20 mm的经编间隔织物， S4和S5的间隔纱直径大小一样，当ε=75%时，σ4>σ5>σ9，由表2 可知，线圈密度ρ4>ρ5>ρ9，对于S4和S5，当外界压强大于10 kPa时，线圈密度越大，缓压系数越小，缓压效果越好，即C9>C5>C4，缓压效果η4>η5>η9，因此，厚度为20 mm的S4、S5、 S9试样的压缩吸收能量均大于老年人摔倒产生的冲击能量理论估计最大值，可用于老年人膝部防护垫的填充材料。2) 对于S3、S6、 S7、S8厚度为10 mm的经编间隔织物而言，由表2得：ρ7>ρ3，从图5(b)可看出，当C3=C7时，σ7>σ3，因此，S7的缓压性能优于S3；对于S6和S8、S6的面密度大于S8，当外界压强σ大于30 kPa时，C8>C6，即η6>η8。对比S8和S7，ρ8>ρ7，在初始阶段，S8的抗压刚度远大于S7，在相同的外界压强作用下，即η8>η7，因此，当外界压强大于30 kPa时，对于S3、S6、S7、S8而言，在同一外界压强的作用下，缓压效果的优劣为η6>η8>η7>η3。

3.2.2 2层试样静态压缩性能分析

表3示出静态压缩实验结果。可以看出：单层经编间隔织物均可满足老年人摔倒时髌骨受到的冲击能量，特别是厚度为20 mm的S4、S5、S9。对比2层10 mm经编间隔织物试样叠加后压缩吸能提高值，从而选择最合适的膝部防护系统的内部填充材料。

3.2.2.1 同种材料的静态缓压性能对比 图6示出2层试样缓压系数-应力曲线。可看出，当外界压强大于30 kPa时，η2×S6>η2×S8，并且当C=1.0×10-5时，σ2×S11>σ2×S6>σ2×S8>σ2×S7>σ2×S3。由表3知，2层6号试样的压缩吸收能为404 kJ/m2。

图6 2层试样缓压系数-应力变化曲线

3.2.2.2 不同复合试样的静态缓压性能对比 将经编间隔织物的试样通过2层叠加得到复合试样。图7、8示出复合试样应力-应变曲线和应力-缓压系数曲线。对比复合试样的压缩吸收能，结合表3和图7、8可得到如下结论：

1) 复合试样的压缩吸能性能和复合试样的叠放次序有关，且达到最佳缓压效果是有条件的。如图7(a)所示，压缩吸收能ES6+3>ES3+6，ES6+7>ES7+6，ES6+8>ES8+6。当外界压强大于30 kPa时，复合试样的缓压系数都在上升，从图8(a)可看出，缓压系数CS6+8最小时，S6+8的缓压效果才能达到最佳。此时该复合试样的压缩吸收能为309 kJ/m2。

2) 同理根据图7(b)、图8(b)，结合表3可得：当外界压强为30 kPa时，此时S7+8、S8+7、S8+3和S3+8达到最小缓压系数，此时缓压系数的大小依次为C3+8>C8+3>C7+8>C8+7，缓压效果优劣为ηS8+7>ηS7+8>ηS3+8>ηS8+3。

图7 复合试样的应力-应变曲线

图8 复合试样的应力-缓压系数曲线

3.2.3 试样的最优化选择

老年人膝部防护系统的填充材料应当从厚度、透气性能、柔软性能、压缩吸收能等多个方面来评估其优劣，对于厚度为10 mm的经编间隔织物和聚氨酯试样而言，聚氨酯试样的压缩吸收能性能虽好，但是在反复摔倒撞击的情况下，特别与尖锐物体猛烈撞击时，聚氨酯易被撕裂。基于此，聚氨酯试样不予考虑。考虑到试样受到冲击力时的变形性能，同时根据市场调查发现：内部填充材料的厚度为20 mm时最为合理。通过厚度为20 mm复合试样的分析可看出：复合的方法可提高试样的压缩吸收能，将摔倒后造成髌骨损伤的安全系数大大提高，但是复合试样的面密度较大，材料的制备成本和工艺增加，并且试样的柔软度不一致。考虑到老年人身体状况的特殊要求，最终选用单层的、满足最适宜厚度要求的S4作为膝部防护系统的内部填充材料，其压缩吸能可满足老年人摔倒时的最大能量要求。

4 结 论

1)对于不同面密度的高回弹聚氨酯材料，面密度越大的材料，缓压系数越大，缓压效果越好；软质聚氨酯材料抵抗外界压强的能力较弱，不适用于老年人摔倒时膝部防护材料。高回弹聚氨酯材料抵抗外界压强的能力强，虽满足膝部防护垫填充材料的能量要求，但受到剧烈撞击易撕裂，因此，不是膝部防护系统填充材料的最佳选择。

2)对于相同厚度、相同面纱线密度和间隔纱直径的经编间隔织物而言，线圈密度大的试样其面密度大，缓压系数小，缓压效果好；对于相同线圈密度，不同间隔纱直径和面纱细度的经编间隔织物而言，线圈的密度决定间隔纱的密度，但是间隔纱的直径和面纱的线密度决定了试样的面密度，面纱线密度和间隔纱的直径大时，试样的面密度大，缓压系数小，缓压效果好。

3)对于复合试样而言，试样的叠放次序不同其静态缓压性能不同，压缩吸能的大小也不同。在本文实验中，当外界压强大于30 kPa时，压缩吸能较多的复合试样缓压系数最小，缓压效果最好。经过市场调查，满足老年人摔倒时产生的冲击能量要求的膝部防护垫填充材料其厚度控制在20 mm为最佳，因此，从成本、质量、透气性，压缩吸收能的角度考虑，选用厚度为20 mm的S4作为膝部防护系统的填充材料，其压缩吸收能为259 kJ/m2，远远大于摔倒时产生的冲击能量上限140.44 kJ/m2。

FZXB

[1] 王书军, 王丽霞, 李桂兰. 老年人髋部骨折的机制及其防护垫的设计[J]. 中医正骨, 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] 许子勤.老年人防摔保护垫.中国, 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,丁帅,王蝶.耐冲击运动防护服的研究进 展及设计要素[J].山东纺织科技，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] 王永进.动态人体尺寸的测量方法[J].纺织学报，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] 钱晓农, 尹兵. 基于三维人体测量的人体体型细分识别的研究[J].纺织学报, 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] 彭国勋.运输包装[M].北京:印刷工业出版社, 1999: 5-6. PENG Guoxun. Importing Package[M]. Beijing: Printing Industry Publication,1999: 5-6.

[10] 陈燕.经编间隔织物压缩弹性的研究[D].无锡：江南大学, 2007:15-35. CHEN Yan. Research of the compression elasticity of warp knitted fabric[D]. Wuxi: Jiangnan University, 2007:15-35.

[11] 赵艳艳.经编间隔织物防护面料的开发及相关防护性能的研究[D].上海:东华大学,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, 张吉宏, 陈夫山. 植物型软质聚氨酯泡沫制备及缓压性能研究[J]. 包装工程, 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] 沈瑶，钱静，经编间隔织物静态缓压性能的研究[J].包装工程, 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

航空科学基金资助项目(201529Q2002)

姜亚明(1970—)，男，教授，博士。研究方向为纺织复合材料、织物力学、防护针织物。E-mail:yamingjiang999@hotmail.com。

TS 186.1

A