針對災害環境中個體防護裝備的設計研究

葉武　韓達　鄧劍

摘 要：災害環境中的個體防護裝備是作業人員在災害環境中參與施工或救援作業時所使用的專用設備，因此其在款式、性能等多個方面都要適應其實際應用的環境。文章以防護靴設計為例，主要分析了它的適用環境特點，并結合現狀提出了災害環境中個體防護的設計要求及人體工程學研究指導下的個體防護裝備的外觀造型設計方案，對防護靴的款式結構進行再設計，以達到安全、符合人體尺度的設計要求。

關鍵詞：個體防護裝備 防護靴 特性

一、引言

防護靴是一種防御使用者在特殊條件下作業時，腳及小腿受到物理、化學和生物等外界因素傷害的護具。由于使用條件惡劣，使用情況緊急，防護靴有著除了穿戴舒適外的、與其他鞋類不同的設計要求。

目前，雖然國內外有很多有關防護靴的研究成果，但市場上的主要產品多是外國品牌，少有國內企業躋身世界前列；此外，通過對眾多產品的研究發現，在國際上，防護靴的生產在工藝上不斷取得突破，材料不斷革新，如今的防護靴在技術上已經可以滿足惡劣的災害環境的防護要求，但是在例如外觀造型設計等方面尚存在巨大發展空間，某些產品在外觀與造型設計方面不能充分考慮到使用者的需求或人機工程學尺度，從而導致使用者在使用過程中穿戴不適，影響其工作狀態，降低工作效率，甚至增加了任務執行者的工作風險。所以，外觀造型上的優化設計將成為防護靴設計的重要部分。

設計目標為一款耐酸堿防化套靴，采用性能良好的改性橡膠材料制作而成，適用于化工、油田、礦山、建筑、消防等條件惡劣的施工環境以及災害條件下的作業環境，對常見的多種腐蝕性化學物質都具有良好的防腐蝕性能。

二、基于防護靴工況的設計要求的提出

1.防護特性

災害環境的情況復雜，地面大都積水或者崎嶇不平，可能會有沙石、 泥濘、 山坡、峭壁等，同時在類似火災、地震等條件下的環境可能存在大量尖銳的物品，在生化試劑污染的惡劣條件中，地面上腐蝕性液體同樣也可能會對作業人員造成嚴重傷害，這就需要防護靴具有較強的防水、防滑、阻燃、抗裂、抗沖擊、抗穿刺、耐酸堿等特性。歐洲標準EN344：1997《專用安全、防護及工作鞋》已經提供了較為具體的技術指標要求以及測試方法，國內也有相關的國標和行業標準。

2.穿戴特性

（1）可靠性

災害環境下的工作人員，往往需要連續長時間高強度作業，防護靴作為惡劣工作環境下的必要的護具，就必須要確保在穿戴過程中舒適、輕便、穩固，在作業過程中保障使用者工作的高效，降低其受環境侵害的風險。

（2）便捷性

以火災救援為例，消防隊員在接到消防任務時需要在短短數分鐘之內準備完畢，這就要求防護靴的設計在保證可靠的前提下，令穿脫方式盡量簡單，易于使用者穿戴。

三、現有技術及產品的調研分析

1.產品材料選取

根據防護靴的適用環境分析，目標產品須具有阻燃隔熱、耐高溫、防水、防穿刺等多種性能。通過查閱資料與實驗分析，我們最終選定了一種經過改性之后的橡膠材料作為防護靴的成品用料。該材料以氯丁橡膠為基料，再配以三芳脂磷酸酯、氯化石蠟、三氧化二銻、硼酸鋅等阻燃體系。不同于傳統的橡膠材料，這種材料具有更強的耐酸堿腐蝕性能。經過多次實驗研究，我們測得本設計產品所能承受的酸堿濃度大致如下：硫酸濃度：3.7mol/L（19.7%），鹽酸濃度：6.0mol/L（18.25%），氫氧化鈉：6.1mol/L（11.45%）。同時，氯丁橡膠本身的耐燃性優良，且具有耐油、耐熱、拉伸強度較高和耐老化的性能。

2.產品制作工藝

產品可采用先進的橡膠注射成型工藝制作，橡膠注射成型工藝是一種把膠料直接從機筒注入模型硫化的生產方法，包括喂料、塑化、注射、保壓、硫化、出模等幾個過程。注射硫化的最大特點是內層和外層得膠料溫度比較均勻一致，硫化速度快，可加工大多數模壓制品。該技術具有注塑一次成型、操作便捷、成本低等優點，適合大規模批量化生產。橡膠注射成型的設備是橡膠注射成型硫化機。

3.其它相關性調研

（1）防滑紋

針對防滑特性的研究發現，當鞋底前掌與后跟花紋朝向相對時，紋路能最大限度地增大靴底的水平反作用力，使鞋底齒紋在與地面的接觸運動中，剪切力加大，從而達到防滑的目的；同時，鞋底中間花紋與周邊花紋交錯，可以增加防側滑性能；此外，增大鞋底花紋槽的深度，使得其表面摩擦力增大，可以進一步提高鞋底的防滑性能。

（2）防穿刺層

如今市面上大多數可防穿刺的防護靴多采用的是在鞋底內部加置鋼板的方式，但是實際穿著中發現這種方法并不是很好，因為鋼板材料往往存在硬、重、不透氣等缺點，這樣既不利于作業人員的現場施工，更有可能會對作業人員的足部產生更嚴重的影響。

四、防護靴的設計說明

1.基本款式

防護靴采用高腰前系扣式設計，這種設計既能方便使用者穿脫，又能靈活調節小腿部位松緊度，提高穿著的舒適性。

2.細部說明

（1）靴筒

靴筒部位依據人體腿部運動的基本原理進行設計，靴筒上口擴大，方便穿戴者穿脫，同時在靴筒中部增加寬度較大的橡膠帶，末端系扣，可直接拉緊系到靴筒上；設計有兩種位置的扣子，可根據穿戴者腿部粗細進行適度調節，力爭使穿戴者感受更加舒適。同時，在靴筒高度適中，且不磨腿的前提下，我們對靴筒內側表皮肌理進行特殊設計，將原本光滑的橡膠表皮做凹凸處理，增大其摩擦系數，確保褲腿在活動過程中不易滑出靴外。

（2）靴幫

考慮到穿戴本防護靴的作業人員所處環境的復雜性，地形地勢復雜的作業環境可能對作業人員的腳踝部位產生安全隱患，極易造成作業人員腳踝部位扭傷或拉傷。因此，我們對靴幫部位進行了特殊的設計，在靴幫內側靠近腳踝處，我們依據人體腳踝的特點設計了類似于緩沖墊的軟性凸起物，可對作業人員的腳踝部位起到一定程度的固定與保護作用，同時我們對靴幫的腳踝部位進行了加厚與加硬處理，在基本保證作業人員腳部活動靈活的前提下，保護其腳踝部位，減少腳部受傷幾率。

（3）靴頭

根據大量的調查研究我們發現，現在多數的防護靴生產商對防護靴的靴頭部位的重視不足，一些防護靴的靴頭強度弱，不具備抗沖擊和防穿刺性能，對穿戴人員的腳部不能起到很好的保護作用。因此，基于此點考慮，我們對本款防護靴的靴頭部位采用了加厚與加硬設計。

（4）靴底

靴底防護層選用了一種新材料、新工藝研制出的復合纖維作為本款防護靴的防刺層，該防刺層具有纖維材料的質輕、柔軟的特點，能發揮材料的組織結構，具有高強的抗穿刺性能。

靴底紋路采用前、后反齒式花紋，前掌周邊花紋齒方向設計為向后，后跟周邊花紋齒方向設計為向前的設計；鞋底花紋塊分布比較分散，且有深度，表面摩擦力大，進一步提高了鞋底的防滑性能。

五、總結

在對適用環境、行業產業、人體尺度等進行充分調研分析的基礎上，我們提出了對災害環境下的防護靴進行了外觀造型的設計方案。根據使用需求，應用新材料、新工藝研制出更加安全、更加符合人體尺度的個體防護裝備是個體防護裝備領域未來設計開發的趨勢，隨著生產技術的不斷發展與生產材料的不斷革新，個體防護裝備的功能性與防護性研究還需不斷深入。

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作者單位：天津大學