耐沖擊運動防護服的研究進展及設計要素

王中珍 ，丁 帥，王 蝶

（1.山東省特種紡織品加工技術重點實驗室，山東 青島 266032；2.山東省紡織科學研究院，山東 青島 266032）

1 前言

經常從事體育運動的人，特別是職業運動員，在訓練或比賽過程中，身體難免會在高速運動時受到意外撞擊。而受傷或害怕受傷也是影響運動員在比賽中發揮出高水平的重要因素。比如，滑雪時在滑道上摔倒，騎車時翻車或撞車，騎馬時跌落，做體操時從單雙杠上失手落地……這些撞擊輕則會對運動員的肌肉或骨骼造成損傷，重則會導致他們落下一身無法擺脫的疾患。在一定程度上提高運動的安全性是拓展運動員體能和技術水平的又一途徑。因此，研究及開發防護用品是提高運動安全性的有效保障。

2 耐沖擊防護服的研究進展

運動沖擊防護品是將震動吸收材料整合在特殊設計的服裝或紡織品中，以吸收來自于降落或物體沖撞而突然引起的沖擊力的震動，因此可防范受傷的危險。

身體防護品自20世紀80年代開始起步，近年來各種創新不斷出現，至今已發展成為運動用品市場的一個新的分支。

2.1 具有緩沖氣囊的運動防護服

杭州福星工貿有限公司的趙軍發明了一種具有緩沖氣囊的運動防護服。該發明鑒于汽車安全氣囊的靈感來源，在上衣和褲子的各個關鍵部位的表面設置緩沖氣囊。緩沖氣囊包括內外三層結構，內層為由EVA 或發泡材料構成的防護緩沖層，中層為空氣層，外層為貼膜面料層，以確保人體在進行運動時減少傷害，達到防護的目的［1］。

2.2 水氣防護服

Francis Fox設計的水氣防護服利用套在后背及外衣間的一個囊袋注入可緩解沖擊作用的水和空氣。當受到沖擊時，袋內的空氣沿著囊袋的通道被從后背推擠至脖頸處，在擠壓膨脹的作用下緩解沖擊力對人體的傷害。套在身體上的腰帶松緊可調，以便適應不同身材的人體，而且穿脫方便，不用時可將囊袋中的液體順著導管排出，防止結冰。穿著該防護服可在滑雪、自行車、摩托車、騎馬等運動中避免對人體的傷害。

2.3 氣囊智能防護服

Alpinestars公司開發的摩托車氣囊防護服與傳統摩托車賽車服相比，能降低90%的沖擊力。它借助運動傳感器監測騎手的動作，通過區分正常的動作和失常的動作來判斷駕駛是否失控，并在事故瞬間以毫秒級速度彈出肩膀和鎖骨位置的氣囊來保護騎手。

2.4 積極防護系統

Dow Coning（道.康寧公司）開發的積極防護系統既具有柔韌性和透氣性又能為強沖擊力提供最佳保護。采用這項技術制作的高性能服裝結構透氣性好、柔軟和質量小，穿著舒適，便于運動。

2.4.1 積極防護系統的原理

積極防護系統中采用了將硅樹脂注入一個三維空間的紡織品結構的技術。通過控制灌注的程度使織物保持完全的透氣性來最大程度地滿足舒適性需要，系統的易彎曲性使其對身體的活動沒有限制。

積極防護系統中的載體由滌綸復絲制備，具有菱形表面構造。滌綸單絲形成的間隔紗線具有三維結構：厚度大約為4.5 mm。硅樹脂注入織物中，間隔織物尺寸的微細化設計實現既讓硅樹脂最大程度地吸收外力，又保證織物的完全透氣性。當受到高速沖擊時，織物表面和受撞擊區域的間隔紗上的膨脹硅樹脂首先接收沖擊力，它們立即轉變為堅硬固體，并把外力傳給相鄰的間隔紗。從而將沖擊力展開（見圖1）。當外力消失后，硅樹脂再迅速轉變為柔性材料。

圖1 積極防護系統織物的橫截面

2.4.2 積極防護系統的性能

與剛性防護體系相比，防護作用啟動快，作用持續時間長2倍以上。織物具有熱穩定性，在溫度超過80℃時會有輕微的發粘現象但溫度下降后會消失。在低溫-20℃時防護性依然有效，甚至在-40℃時也沒有出現任何不利效果。在潮濕或高溫濕熱條件下，防護效果也不會受到影響。除了防機械沖擊保護和舒適性，這項新技術還賦予織物易護理的性能。經10次水洗后服裝的效果沒有很大的變化［2］。

2.4.3 積極防護系統的應用

這種織物可以進行個性化設計。根據需要設計成各種形狀、顏色及厚度，它比其它防護材料薄，無需專門定型。設計師可隨意進行創造性的設計。它易于裁剪，便于制成各種形狀，固定、組裝方法簡單。初步試驗還發現織物可用硅樹脂型粘合劑粘在特定的位置上，無需熱焊接技術。

這種創新型的織物主要用于摩托車手或足球、橄欖球和曲棍球等接觸式運動的高效防護服裝。它還可以制成其它防護器具，如：護脛、頭盔、護膝、墊肩、鞋子和手套。這種強力保護產品的透氣性、柔韌性、穿著的靈活性、輕便性都是其它類似產品難以比擬的。因此，用于運動服、安全工作服和軍事防護服上效果特別好。

2.5 剪切增稠“液體裝甲”

近來，有關研究表明，給生產帶來負面影響的剪切增稠液體（STF），當用于浸滲高性能防護材料時，在不改變材料防彈和防刺性能的情況下，可顯著提高防護裝甲的舒適性，并進一步減輕裝甲質量。

2.5.1 剪切增稠“液體裝甲”的防護原理

液體裝甲的關鍵成分是一種剪切增稠液體，（Shear thickening fluid）。剪切增稠液體由懸浮在聚乙二醇中的堅硬粒子組成。聚乙二醇是無毒的，能承受的溫度范圍很廣。極其細小堅硬的硅微粒是STF 的另一成分。受到高速沖擊后STF固態粒子能夠握住紗線，防止紗線在高速沖擊下相互移動，這樣能量主要被纖維的拉伸變形吸收。

2.5.2 剪切增稠“液體裝甲”的防護性能

制作液體裝甲“凱夫拉”防彈背心時，“凱夫拉”背心的每一層都用STF 浸透。浸泡后的“凱夫拉”織物可以像其他任何一種織物一樣浸濕和縫制。STF能增加織物的防彈性能，且在“凱夫拉”機織物層數相同時，隨著浸入STF 溶液體積的增加其防彈性能增加；當純“凱夫拉”織物和“STF-凱夫拉”織物總質量相同時，其具有同等的防彈性能，不同的是“STF-凱夫拉”織物厚度明顯小于純“凱夫拉”織物，其柔軟性優于純“凱夫拉”織物。STF不但能增強“凱夫拉”機織物的防彈、防刺性能，而且減少了織物的復合層數，使防護裝甲更薄，柔韌性、彈性更好，能夠用于全身防護［3］。

3 防護用品安全性評估指標

傳統的衣料在遇到撞擊時，會隨著受力方向下陷，將力量直接傳導到穿著者的肉體上。一般的防護服是在容易受傷的部位附上像頭盔一樣堅硬的外部保護，目的是像套一個輕便的拳擊手套一樣起到一定的緩沖作用。例如摩托車運動的機車防護裝備包括安全帽、機車服、安全鞋、背甲與手套，主要保護部位為人體的肩部、肘部、臀部、背部、膝部、指關節與足踝。這些都是機車服的重點防護部位。但是，當運動員受到很大的撞擊時，還是難以避免受傷。因此耐沖擊性是評估防護用具效果的最重要指標。在歐洲規范中，EN1621-1標準規定，用50J能量施加于受測物上，測試后力量轉移的平均值要低于35N，且最大值不能超過50N，才算有足夠的耐沖擊力。除耐沖擊性外，針對尖銳邊緣或點刺表面的耐穿刺性也是一項重要指標。

4 耐沖擊防護品類型

基本上，沖擊防護品的防護水平隨著防護填充物的厚度及硬度而增強。然而，高硬度填充物會在襯墊邊沿產生應力點，加劇防護系統的邊緣對人體的傷害。而且厚重硬挺的防護用具會影響運動員的動作靈敏度。因此，防護服的設計要求是在輕便的同時，盡量保證適當的彈力和厚度，根據不同護具的要求進行設計。理想的護具要求是輕質、薄、彎曲性佳以及高沖擊力吸收能力。

目前主要有以下三種類型：

4.1 硬制護具

硬制護具材質主要有PVC、金屬、硬質橡膠等，其優點是耐摩擦、耐穿刺，但由于其質地較硬，沖擊緩沖性能較差，因此多用于外置護具的制作。如FOX 的外置護具，主要適用于路面環境比較惡劣的場合。

4.2 軟質護具

軟質護具主要包含EVA、XPE、合成橡膠等，其優點是質地柔軟、穿著舒適、沖擊緩沖性能優良，在高速平整的路面保護作用優于硬質護具，并能起到很好的減震緩沖作用。現在廣泛使用的震動吸收材料是發泡多聚體類敷料，如：聚氨酯、聚乙烯、乙酸乙烯脂，以及其他材料，如凝膠、氣囊及襯墊織物。

4.3 二合一護具

隨著市場的發展和民用的普及推廣，二合一護具比較實用。它在硬質外殼中加入了EVA 緩沖，集合了硬質護具和軟質護具的優點，最適合民用級別的產品。

5 運動防護用品的設計要素

運動時人隨著身體不停地活動，體溫變化，人體的生理狀態隨之改變。體育活動中的不舒適會影響運動員的速度、力量、動作準確及耐受力。因此，運動防護品生產商的基本目的是開發出既能滿足運動關于防護的需要，又具有舒適性能的產品，從而促進防護服的銷售及使用。

5.1 合體性要求

最佳運動性能要求：盡可能準確地控制一系列的特殊運動技巧。為方便有效運動，防止運動防護用品產生不舒適的接觸壓力及限制運動自由非常重要。

沖擊防護品的設計對保證良好的防護作用很大。保持震動吸收填充物在身體的正確位置是最重要的，因為活動中的滑脫及移位會減弱保護功能。因此防護品的首要因素是要緊身以防止移位。圖2是防護冰球褲，其特點是緊身，防止防護墊移位。

圖2 防護冰球褲

防護品還應根據身體的部位進行設計。由Uh1sport推出的Support frame款守門員手套在性能上無可挑剔，手套具有革命性的手掌、手背整片處理，減少接縫，更加適應手部的自然運動，并配合手的骨骼結構給予手更強的支持、穩定和保護。12°彎曲結構更加符合手腕結構，按手骨結構設計的手套手指形狀增大了控制球的面積。

5.2 運動功能性要求

為縮小服裝對特殊運動的阻力，設計必須不僅適合身體曲線，并且適合特定運動的動作。通過觀察可以發現，摩托車手駕乘摩托車時的姿勢基本是固定的，其手臂與膝蓋始終處于彎曲狀態。摩托車服的著裝環境與日常生活服裝存在重大差異，如果摩托車服不加入運動功能性設計則將直接影響到摩托車服的著裝舒適性。摩托車服上衣運動功能性設計主要體現在：后背寬比前胸寬至少大5cm（日常生活用服裝后背寬比前胸寬大2 cm），以滿足后背寬的運動松量；后衣長至少比前衣長多4cm，以滿足后背長的運動松量；袖型為兩片袖或三片袖，且需要在一片袖的基礎上加入彎勢設計，以滿足肘部的運動松量。成品摩托車服袖子的外觀造型應向前傾斜，與騎在摩托車上人體胳膊彎曲形狀相一致。摩托車褲裝后腰翹比普通褲裝后腰翹要高出2～5cm，主要目的是滿足后襠的運動松量；膝位處應采取省道設計或省道處理，使摩托車褲在膝位處符合膝關節的活動松量［4］。因此，摩托車服應在人體靜態尺寸的基礎上，結合人在摩托車上的動態尺寸進行設計，使摩托車服的各個指標與人體各種要求達到最佳匹配狀態。

此外，防護用具的尺寸應適合個體要求。設計可調節或靈活扣件的調整系統便于防護者個人調整，并且材料要有一定程度的拉伸性，以保證最佳效果。世界知名機車服生產公司Dainese的膝、腿部護具提供膝部、小腿、足踝部位防護，可通過粘扣帶調節尺寸。這套護具還可分離，根據需要可將足踝部位分離，調整便捷［5］。

5.3 熱濕舒適性要求

在運動活動中干擾身體及心理的一個重要因素是運動員的不舒適感覺，尤其是生理的、心理的以及環境因素的影響。德國Hohenstein研究院研究人員發現：在日常穿著舒適感覺中，熱濕因素占66%，皮膚感知因素占34%。而且，外部條件，例如環境溫度及濕度對室外活動的運動員有著深遠影響。性能優良的運動服裝通過熱濕交換過程，產生舒適的熱微氣候適應人體的熱運動。而身體防護品組成覆蓋身體表面的服裝的附加塊，增加了運動服的熱阻。而且填充材料的透氣性變化很大，例如，高密度泡沫具有低透氣性，不滲透的凝膠或PVC空氣層構成了內部熱濕交換的障礙［6-7］。

夾克式摩托車服一般分為皮夾克和紡織面料夾克兩種。紡織面料多選用滌綸或尼龍面料，高強度的牛津布或塔斯隆面料使用較多。杜邦的Cordura就是一種高強度纖維，既具有良好的透氣性又非常堅韌，同時還能防風、防雨。內膽面料也非常講究，一般采用與戶外運動服相同的單向透氣面料，以保證透氣的同時又能吸汗。即便是炎熱的天氣也不用敞開外衣，只需打開通氣孔即可，因此需要在腋下安裝通風拉鏈，否則外衣會隨風漫卷，造成安全隱患。

Dainese的防護上衣是復合式的軟式防護衣，采用高透氣、多孔、高強力Lycra，同時配備粘扣帶調節式護腰帶，肩部與手臂的護具以粘扣帶固定于胸前［8］。Sixsixone的前臂、肘、膝部、脛骨護具采用舒適透氣的EVA 發泡材料；其防護上衣適用于越野騎車的防護，前后均有塑料硬殼給予防護，上裝帶有彈性寬護腰帶，前臂與肘部有特別防護，后背脊處有開節裝的塑料硬殼給予防護。Tory lee SE防護褲前片部位采用強化尼龍布，以增加其耐久性；膝部內面采用彈性Kelvar面料；膝部外面用強化尼龍面料進行風箱褶裥設計，大大增加了活動性；在腰部至胯部間，用變向的螺紋彈性布作V 形設計，可以增加其合身性與舒適度；網狀內里設計可以增加透氣性［9-10］。

6 結語

綜合以上分析可以看出，耐沖擊運動防護服屬于特殊防護服，除了需結合人體的靜態尺寸和動態尺寸進行設計外，最重要的是要從防護、安全、運動、舒適四個方面加強功能設計，只有這樣才能真正達到人——運動——環境的有機統一，使他們處于最佳匹配狀態。新形勢下的耐沖擊運動防護用品要求既具有柔韌性和透氣性又能為強沖擊力提供最佳保護。因此，耐沖擊運動防護用品正朝著沖擊能量吸收能力強，沖擊回復性好，彎曲性佳，以及輕薄、舒適方向發展。

［1］一種具有緩沖氣囊的運動防護服和該緩沖氣囊的制作方法［P］.CN102210493A.

［2］Graham Budden.防護與舒適并存的新型抗機械沖擊防護服［J］.紡織導報，2006，（9）：62—63，67.

［3］徐素鵬，張玉芳.剪切增稠液體在個體防護裝甲上的應用進展［J］.高科技纖維與應用，2008，33（3）：40—43.

［4］張中啟.摩托車服功能性設計研究［J］.國際紡織導報，2011，39（1）：71—75.

［5］魏征.賽車手防護服及其發展［J］.中國個體防護裝備，2001，（6）：21—22.

［6］劉衛編譯，陳雁校.密封式防護服內的微氣候［J］.國外絲綢，2007，（1）：18—20.

［7］王敏，李俊.衣下空間作用機制與防護服舒適性［J］.中國個體防護裝備，2009，（5）：18—21.

［8］摩托車防護用具的開發設計［J］.中國紡織，2004，（6）：140.

［9］張賓，劉建敏.現代科技在足球運動裝備上的應用［J］.石家莊職業技術學院學報，2004，16（6）：55—57.

［10］賈司光，陳景山.人體力學的生理基礎及其在壓力防護服設計中的應用［J］.航天醫學與醫學工程，1999，12（6）：436—440.