冬季运动抗冲击防护装备的研发进展.pdf

应用技术Fiber Technology纤维技术55纺织导报 China Textile Leader 2023 No.4冬季运动抗冲击防护装备的研发进展 文|张锦杨慧王晓宁张天骄张鸣雯作者简介：张锦，女，1998年生，硕士，主要从事高性能纺织品研究。通信作者：张鸣雯，研究员，E-mail：。作者单位：张锦、杨慧、王晓宁、张天骄，北京服装学院材料设计与工程学院；张鸣雯，北京服装学院服装艺术与工程学院。基金项目：国家重点研发计划项目（2019YFF0302100）。冬季运动场地复杂，速度较快、技巧难度大且对抗性强，运动者在高速运动状态下一旦发生撞击、摔滑等事故，将会造成严重伤害甚至危及生命安全。研究表明，使用护背、护腕、髋垫、膝关节垫等防护装备可以明显降低运动者受伤的整体风险。因此在国际滑雪联合会（FIS）的相关规定中，防护装备已成为必要的运动装备之一，能在训练比赛中有效保护运动员的身体安全。Current Progress in Research and Development of Impact-resistant Protective Gear for Winter Sports摘要：北京冬奥的成功申办和举办，大力推动了国内冰雪产业的发展，我国冬季运动防护装备行业也逐渐进入快速发展期。由于冬季运动在国外盛行已久，欧美发达国家在防护装备领域的研究较国内明显成熟完善。文章以国内外冬季运动防护装备的品牌发展为切入点，详细总结了国内外多种抗冲击防护材料的防护原理和性能特点，并对防护装备的形制设计作了介绍；针对防护装备在低温环境与穿着舒适性等方面的不足，提出了国产防护装备自主研发的方向，为我国冬季运动防护装备的理论研究和市场发展提供科技助力。关键词：冬季运动；防护装备；抗冲击中图分类号：G818.4；G863 文献标志码：AAbstract:The successful bidding and hosting of the Beijing Winter Olympics have strongly promoted the domestic winter sports industry,but also led to the rapid growth of winter sports protective gear.Since winter sports have been popular overseas for a long time,the research on protective gear in developed countries,such as Europe and the United States,is more mature and comprehensive than that of China.Starting from the brands development of winter sports protective gear at home and abroad,the paper summarizes the protection principle and performance characteristics of many kinds of impact-resistant protective materials at home and abroad,and introduces the shape design of protective equipment.As for the deficiencies of protective gear in low-temperature environments and wearing comfort,it puts forward the direction of independent research and development of domestic protective gear and provides scientific and technological assistance for the theoretical research and market development of Chinas protective gear for winter sports.Key words:winter sports;protective gear;impact resistance随着“带动三亿人参与冰雪运动”目标的提出，国内冰雪运动的相关产业迎来史无前例的发展机遇，相关基础设施与服务得到迅速建立和完善。但目前我国冬季运动防护装备行业仍为新兴产业，从护具所用抗冲击材料的研究、相关产品的外观设计到商业示范推广投入均十分匮乏，相关核心技术仍把控在国外头部品牌手中，鲜有国内品牌能在防护装备领域立足全球市场。1国内外冬季运动防护装备的品牌概况运动防护装备从材料选择到外观设计，都需要长期巨大的科研投入和市场反馈来不断优化完善，欧美等发达国家和地区基于长期的技术和市场积累，在该领域占据绝对的主导地位。Dainese、Alpinestars、Decathlon、Salomon、Scott、Xion、Burton、Forcefield等国外品牌创应用技术Fiber Technology纤维技术56纺织导报 China Textile Leader 2023 No.4立时间长，且长期赞助各类冬季运动赛事，在普通消费者和精英运动员中均得到广泛认可，市场占有率高。Dainese于1979年发布了其第一款骑行类护背产品，经历了多年的技术创新与品牌运营后，慢慢拓展到极限运动领域；90年代初，该公司与著名滑雪运动员Kristian Ghedina、Deborah Compagnoni等合作，于1994年世界杯上首次展示其研发的滑雪护背，标志着护背类产品开始在冬季运动领域中得以应用；2005年，成为意大利国家滑雪队的防护装备供应商（Safety Partner）；2018年，在韩国平昌冬奥会上，身穿Dair Ski的Sofia Goggia和Mat-thias Mayer分别赢得了女子速降和男子高山超级大回转的金牌，进一步提升了Dainese的品牌声誉。相较于欧美，日本自1998年成功举办长野冬奥会后，滑雪产业迅速发展且日趋成熟，形成了具有本国特色的产业模式。日本凭借其地域优势和完善的雪场条件，吸引了全世界众多滑雪者赴日滑雪。其本土的滑雪产品在日本市场已占50%以上，知名品牌有Yoroi Musha（铠武者）、ZAMST（赞斯特）、ARK等（图 1）。（a）铠武者的防护裤、护背和护膝 （b）赞斯特的护膝 （c）ARK的护甲服图 1日本知名护具品牌冬季运动在我国起步较晚，相关产业仍处于初级阶段，虽然国内企业在防护装备市场有一定的参与度，很多知名品牌（如Dainese、Burton等）在我国建设了代工厂，但国产冬季运动防护装备多为初级系列，如酷峰、黑犀等（图 2），缺少自主研发的新科技，适用于初学者；此外国产品牌的设计风格较为平庸、性价比低、功能单一、材料科技含量低，外观设计缺乏创新。2抗冲击材料的研究进展抗冲击材料是防护装备的核心，其作用包括消耗和吸收因坠落、打击或其他突然冲击而产生的能量；防止穿透、擦伤和撕裂伤；为关节、肌肉和骨骼提供支持。传统的抗冲击防护材料大多刚性大、沉重不灵活，而柔韧舒适的轻质抗冲击防护材料是目前体育用品所追求的方向。依据成本和应用场景的不同，各品牌所使用材料的成分及性能也十分多样。目前市面上流行的低端材质多为聚氨基甲酸酯（PU）和聚乙烯醋酸酯（EVA）基发泡体，根据需求有多种密度和配方可以选择。传统的硅胶类、海绵类、发泡棉等材料已逐渐被淘汰，而剪切增稠流体、冲击硬化聚合物和具有负泊松比的材料被认为具有发展潜力。2.1国外抗冲击材料的发展目前，国外商业化应用最广的抗冲击材料是D3O和Poron XRD。2004年，英国工程师Richard Palmer发明了非牛顿流体材料D3O，组分中的聚硼二甲基硅氧烷是一种剪切增稠流体，在常规状态下柔软，当受到剧烈撞击或挤压时会瞬间变硬。这是由于当作用力缓慢施加到剪切增稠流体时，聚合物链有时间移动并重新排列，而黏度不受影响；若快速施加作用力，聚合物链就会纠缠在一起，反映到外部即为收紧变硬，从而抵抗外力。发明者称它能在纳秒级的不同冲击情况下做出不同反应，在相同的冲击力下，达到相同的防护等级时，D3O的厚度是高密度海绵厚度的 1/25。2006年都灵冬奥会上，美国队和加拿大队已开始使用添加D3O材料的护具。许多国外护具品牌，如Xion、Scott、Demon等都与D3O实验室建立了合作，在产品中使用D3O材料。美国Rogers公司开发的Poron系列材料产品，成分为聚氨酯发泡体，外观呈高密、微细而均匀的细胞状结构，具有高能量吸收性、高缓冲性和高压缩还原性。其中的Poron XRD被广泛应用于各类护具中作为缓冲吸能材料。GFORM和铠武者等品牌也使用了Poron XRD（图 3），其舒适度高，触感柔软，在受到撞击的瞬间，会增加自身硬度并吸收多余的冲击力，具有优异的安全防护性能。（a）酷峰防护装备 （b）黑犀防护装备图 2国产品牌的冬季运动防护装备产品 （a）GFORM护具产品 （b）铠武者护具产品图 3使用了Poron XRD的国外护具产品应用技术Fiber Technology纤维技术57纺织导报 China Textile Leader 2023 No.42006年，美国Dow Corning（道康宁）公司开发出了“DEFLEXION”高性能纺织品和冲击吸收材料，旨在吸收和分散冲击能力、提供保护的同时又不增加传统衬垫和防弹衣的体积和刚度。该类材料包含TPRange和SRange 3D两个系列，前者是一种热塑性弹性体，而后者为有机硅掺杂聚酯类3D间隔织物（图 4），平时表现为柔软易弯折的织物，当受到撞击时，有机硅分子迅速在撞击点聚集，使织物坚硬起到护甲的作用，当冲击力消失后立即恢复到柔软状态，道康宁公司称之为“主动防护系统（active protection system）”。2010年，Scott Sports在其新型背部保护装置“Scott Flex”中宣布采用道康宁DEFLEXION技术，旨在为冬季运动爱好者提供在零度以下也能发挥作用的舒适保护方案。（a）SRange 3D间隔织物 （b）护膝产品（Rukka品牌）图 4道康宁DEFLEXION SRange 3D材料和产品曾有学者对比了D3O、Poron XRD和DEFLEXION的结构及性能，发现聚合物泡沫材料的内部蜂窝结构对冲击防护材料的流变和压缩力学性能有显著影响。从 3 种材料的SEM图（图 5）来看，D3O和Poron XRD是交联度相对较高的聚氨酯基泡沫，泡孔分布紧密，而交联度低的硅橡胶基泡沫DEFLEXION的泡孔数量明显较少。对于冲击保护材料，能量的消散和滞后在实际应用中非常重要。通过测算分析，发现D3O和Poron XRD对高应变率的滞后比DEFLEXION敏感，表明D3O和Poron XRD在实际应用中受到高速冲击时能够吸收大量能量并迅速变硬，而DEFLEXION更适用于低应变率下的巨大应力，用作装甲填充物，如防弹衣等。图 53 种材料的SEM图以及能量延滞与压缩率的关系此外，瑞典POC公司独立开发了装甲防护材料VPD应用技术Fiber Technology纤维技术58纺织导报 China Textile Leader 2023 No.4撞击后极易碎裂；同时材料的硬度增加会导致护具难以弯折变形，降低与身体的贴合度，从而影响其灵活度和舒适性。此外，进一步提高抗冲击材料的单位体积和单位重量的防护性能也十分重要，为达到良好防护效果而不控制护具的重量和厚度，将会影响佩戴者的使用体验与舒适性。3护具形制结构的研究进展防护装备的安全性和外观形制受相关标准的严格规范。目前市场上主流的高端滑雪护具产品大多使用D3O材质，由于各品牌的材料配方均由D3O实验室提供，且受限于标准CE EN 1621-1的形制要求，不同品牌同一防护级别的护具在大小、厚度和防护性能上均非常近似（图 6）。在细节设计上，开设散气孔以提高样品的散热性，部分边缘区域留有开口以增加护具在运动中的可弯折性。图 6部分品牌护膝产品的外观设计（D3O材料）由于护具产品在使用过程中存在损坏现象，为方便更换，大多数关节护具会通过插片的形式与服装结合。某些品牌会设计相应的紧身衣，在特定部位设置内插口袋，填充垫片进去（图 7）。紧身衣对身体具有优良的包裹性，可增加护具与身体的贴合度。图 7插片式防护衣的外观设计近来，仿生学也给予了防护装备新的设计理念。像穿山甲、龙虾等动物会通过坚硬的外壳来保护内部柔软的身体，品牌Dainese就曾借鉴该类元素来设计护背（图 8（a）、图 8（b）；在其最近的设计中，分形（fractals）概念开始被借鉴，以创建更为复杂精巧、防护性能更好的护背产品（图 8（c）。分形结构的设计中引入了较多的镂空，在某种程度上能减重减负，改善其在低温条件下的弯折性，并且有助于散湿散热。Dainese还是第一个将集成安全气囊系统引入防护（Visco-elastic Polymer Dough，团状黏性聚合物），其手感与面团类似，具有高阻尼性；受到冲击后立即变硬并吸收大部分冲击能量，发生压缩形变。区别于D3O的分子间锁紧、形变量小，VPD会迅速收缩变硬，但D3O的反应更迅速。VPD 2.0是POC的防弹背心材料之一，除了抗冲击，还有防撕裂的能力，但吸能效应和反应速度均弱于D3O，吸收冲击力时的震动和冲击感也更强，舒适性较差。2.2我国抗冲击材料的发展我国对人体防护类材料的研究起步较晚，且多集中于缓震领域。2014年，西安理工大学李峰等研究出硼酸改性聚硅氧烷（PBDMS），这是一种类似于D3O的具有剪切增稠效应的聚合物，取名P4U（Protection for You），随后该技术所有相关专利被匹克公司收购；2018年，匹克发布了一种应变率响应型材料，能在跑跳时呈现弹性，散步时变得柔软。林至公司开发了一种类似Poron的ACF（Artificial Carti-lage Foam，人工软骨泡沫）材料，已公开的技术文件称该材料在微观上具有像毛刷一样的三维超微结构，当受到外力冲击时，成千上万的毛刷相互摩擦，将冲击能量转化为不明显的热能。目前应用于工业机械减震、缓震鞋垫等产品，可以吸收90%以上的冲击能量。安迪上科公司研发的“EUDE FOAM”也是一种高密度聚氨酯泡沫体，且在Salomon、GFORM等品牌中有所应用。在其公开的专利配方中还含有聚苯乙烯微球，低温下材料整体处于黏弹状态，可以吸收冲击能量；高温下由于聚苯乙烯微球具有较高的玻璃化转变温度，当受到冲击时，黏性的聚氨酯弹性体单元率先变形，而聚苯乙烯微球之间发生非弹性和弹性碰撞，从而吸收冲击能量。山东贝隆控股集团和北京化工大学联合开发出了一系列杜仲胶护具产品，由杜仲胶与发泡聚氨酯等复合而成。杜仲胶具有良好的耐冲击、耐疲劳、抗撕裂、生物亲肤等特性，其形状记忆特性与低温可塑特性使其可以根据体育运动员体型塑形，增加护具与被保护位置的贴合度，开发出适配性强、可个性化定制的杜仲胶体育护具。目前四肢护具及护甲已经在冬残奥高山滑雪运动员训练中使用，舒适性与适配度的提高带来了更为显著的防护效果。低温对于材料的性能影响巨大，上述各类抗冲击材料的硬度均会随温度降低而迅速增加。由于冬季运动环境的特殊性，维持材料在常温与低温下各项性能的稳定是个巨大的挑战。如D3O材料在4时已不复柔软，经应用技术Fiber Technology纤维技术59纺织导报 China Textile Leader 2023 No.4参考文献1 STUART C A，BRUBACHER J R，YAU L，et alSkiing and 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airbags for motorcycle ridersAIn：Proceedings of the World Congress on EngineeringCLondon：2018装备的品牌，其最负盛名的产品当属Dair安全气囊系列。在高速碰撞中，事故的发生通常会在0.08 s内结束，而Dair安全气囊宣称可以在0.05 s内完全展开。在其2019年发布的Smart Jacket中，Dainese披露了Dair安全气囊的一些最新技术细节（图 9）。该技术的关键在于如何在事故发生的瞬间完成充气，并有效吸收、化解强大冲击能量。在Dair系列产品的内部交织了数以百万计相连的细丝组织，撞击的瞬间气瓶中的气体会被充入细丝组织内，而且这种集成的微结构可以确保整个表面的膨胀是均匀且可控的，因此气囊表面会保持均匀的压力，使气体不会因受压而流走。目前，这种安全气囊的相关专利技术仅被Dainese和Alpinestars两家防护装备领域的巨头所掌握。图 9Dainese产品Smart Jacket 中Dair安全气囊的技术细节4结论理想的冬季运动护具产品除了在防护性能上满足CE安全标准，还应该具有柔软舒适、透气性好、在运动中与运动员身体贴合度高等特点。基于此，我国不但需要合成可在低温下保持柔性的轻质抗冲击新材料，还应积极寻找新的抗冲击结构设计元素来进行相关形制的开发，建立一体防护系统，引领防护装备产品由从前的“厚、大、重、板”向“薄、小、轻、巧”方向发展。借助国内冰雪运动的热潮，从相关材料研发、外观设计、商业推广等方面着手，逐渐形成自主知识产权和产品体系，为我国冬季运动爱好者提供更加轻便、灵活、舒适的运动防护装备，促进我国运动防护装备产业的蓬勃发展。（a）龙虾 （b）穿山甲 （c）分形图 8Dainese护背中所包含的设计元素