（纺织工程专业论文）摩托车护具的开发研究[纺织工程专业优秀论文].pdf

捅费 本文总结了当前国际上护具材料的种类与发展现状，分析了现有护具材料的 缺点和未来发展趋势，系统地提出了一种护具材料的加工方法一热风粘合模压法， 对冲击防护护具，特别是摩托车护具的开发开辟了一个新途径。 由于在此之前未见这方面的报道，本文研究了热风粘合模压法整个工艺过程、 设备选型和主要工艺，主要包括：热熔粘合纤维与三维卷曲中空纤维的选用；混合 开松、梳理成网和纤网铺叠设备的选用；模压成型技术和工艺的研究。通过大量试 验，确定了生产护具的最佳模压温度、模压时间和模压压力，对护具的结构进行了 优化，制得的试验样重量轻、透气好、无异味、吸收能力高，通过了欧洲标准的性 能和质量认证。 本文对护具的质量、护具中的纤维配比、护具中纤维的配置状态对抗冲击性能 的影响进行了较为深入的研究。研究表明，护具质量对穿透力有显著的影响，随护 具质量的增加，防护能力显著提高。护具质量在6 0 9 时，即可达到欧洲e n l 6 2 1 - 1 的 标准要求。研究还发现，三维卷曲中空纤维的含量和细度以及垂直铺层纤维含量多 对护具的防护性能有显著的影响。 通过对护具各项性能的测试分析，基本确定了在同一生产工艺条件下，护具质 量( 密度) 、纤维配比、垂直铺网纤维含量等对护具的抗冲击性、压缩模量、拉伸性 能、弯曲性能、透气性、剥离强力的影响关系。 为了有效提高护具的开发效率，本文还探索了使用有限元软件a b a q u s 模拟分 析护具抗冲击性能的可行性。模拟结果表明与试验结果基本吻合，证明假设护具材 料是各向同性材料是可行的。 关键词：护具；热熔粘合；模压：抗冲击 t h ed e v e l o p m e n tr e s e a r c ho fm o t o r c y c l e s p r o t e c t i v ee q u i p m e n t a b s t r a c t i nt h i s p a p e r ，c a t e g o r i e sa n dc u r r e n t s i t u a t i o no fp r o t e c t i v ee q u i p m e n t sa n d d e v e l o p m e n ts i t u a t i o no fp r e s e n ti n t e r n a t i o n a lp r o t e c t i v em a t e r i a l s a r es u m m a r i z e d 。 b e s i d e s ，s h o r t c o m i n g sa n df u t u r ed e v e l o p m e n tt r e n do fc u r r e n tp r o t e c t i v em a t e r i a l sa r e a n a l y z e d ，an e ww a yo fh o ta i rm o u l dp r e s s i n g t op r o d u c ep r o t e c t i v ee q u i p m e n ti s p r o p o s e d ，w h i c hg i v e san e ww a yf o rt h ed e v e l o p m e n to fp r o t e c t i v ee q u i p m e n t ， e s p e c i a l l yf o rm o t o r c y c l e s p r o t e c t i v ee q u i p m e n t a st h e r ei sn or e p o r ta b o u tt h i sf i e l d ，t h ep a p e ri n v e s t i g a t e st h ew h o l ep r o c e s s ，t h e c h o i c eo ft h em a n u f a c t u r i n ge q u i p m e n t ，a n dt h ep r i m a r yp r o c e s so ft h ew a yo fh o ta i r m o u l dp r e s s i n g 。t h ec o n t e n tc o n c l u d e s ：t h es e l e c t i o no ft h et h e r m a lb o n d i n gc o m p o s i t e f i b e ra n d3 dc u r l ya n dc r i m pp o l y e s t e rf i b e r ，t h es e l e c t i o no ft h ee q u i p m e n tf o rb l e n d i n g ， o p e n i n g ，c a r d i n go f t h ef i b e ra n dw e bf o r m a t i o n ，a n dt h ei n v e s t i g a t i o no ft h et e c h n o l o g y o ft h em o u l dp r o c e s s ，t h eo p t i m u mm o u l dp r e s s i n gt e m p e r a t u r e ，t i m e ，a n dp r e s s u r ea r e d e t e r m i n e dt h r o u g hal a r g ea m o u n to fp i l o tp r o d u c t i o n t h es t r u c t u r eo ft h ep r o t e c t i v e e q u i p m e n ti so p t i m i z e d ，t h ep r o t e c t i v ee q u i p m e n t ，w h i c hp a s s e st h r o u g h t h ec e r t i f i c a t i o n o ft h es t a n d a r d ，h a st h ea d v a n t a g eo fl o ww e i g h t ，h i g hp e r m e a b i l i t y , n op e c u l i a rs m e l la n d 1 1 i g he n e r g ya b s o r p t i o n t h ep a p e ri n v e s t i g a t e st h ei n f l u e n c eo ft h et h r e ef a c t o r s ，w h i c ha r et h ew e i g h to ft h e p r o t e c t i v ee q u i p m e n t ，t h er a t i oo ft h ef i b e r s i nt h ep r o t e c t i v ee q u i p m e n t ，a n dt h e d i s t r i b u t i o no ft h ew e b0 1 1t h ep r o t e c t i v ee q u i p m e n t si m p a c tr e s i s t a n c ep e r f o r m a n c e t h e r e s u l ti st h a tt h ew e i g h to ft h ep r o t e c t i v ee q u i p m e n th a sd i s t i n c ti n f l u e n c eo ni t si m p a c t r e s i s t a n c ep e r f o r m a n c e t h el a r g e rt h ew e i g h ti s ，t h eb e r e ri m p a c tr e s i s t a n c ep e r f o r m a n c e i s t h ei m p a c tr e s i s t a n c ep e r f o r m a n c eo ft h ep r o t e c t i v ee q u i p m e n ta c h i e v e st h es t a n d a r d o fb r i t i s hs t a n d a r de n l 6 2 1 - 1w h e nt h ew e i g h ti s6 0 9 ，f u r t h e r m o r e ，t h ec o n t e n to ft h e3 d c u r l ya n dc r i m pp o l y e s t e rf i b e ra n dt h ec o n t e n to fv e a i c a ls e t t i n gf i b e ra l s oh a v ed i s t i n c t i n f l u e n c e0 nt h ei m p a c tr e s i s t a n c ep e r f o r m a n c e t h r o u g ht h em e a s u r e m e n ta n da n a l y s i so f t h ep e r f o r m a n c ei n d e x e so ft h ep r o t e c t i v e e q u i p m e n t s ，t h er e l a t i o n s h i po ft h ew e i g h t ，t h er a t i oo ft h ef i b e r ，t h ec o n t e n to fv e r t i c a l s e t t i n gf i b e re t ca n dt h ei m p a c tr e s i s t a n c e ，t h em o d u l u so fc o m p r e s s i o n ，t h e t e n s i l e p r o p e r t y ，t h eb e n d i n gp r o p e r t y ，t h ep e r m e a b i l i t ya n dr a c k i n gs t r e n g t hi sd e t e r m i n e du n d e r t h es a m ep r o c e s sc o n d i t i o n t h i sp a p e ri n v e s t i g a t e st h ep o s s i b i l i t yo fs i m u l a t ea n da n a l y s i st h ei m p a c to f p r o t e c t i v ee q u i p m e n t su s i n gaf i n i t ea n a l y s i ss o f t w a r ea b a q u s ，t h es i m u l a t i o nr e s u l t s b a s i c a l l ya g r e ew i t ht h ee x p e r i m e n t a lr e s u l t s ，w h i c hp r o v e st h a ti ti sf e a s i b l et os u p p o s e t h em a t e r i a lo ft h ep r o t e c t o ri si s o t r o p i c k e y w o r d s ：p r o t e c t i v ee q u i p m e n t s ；t h e r m a lb o n d ；m o u l dc o m p r e s s ；i m p a c t r e s i s t a n c e 学位论文独创性声明、学位论文知识产权权属声明 学位论文独创性声明 本人声明，所呈交的学位论文系本人在导师指导下独立完成的研究成果。文中依法 引用他人的成果，均已做出明确标注或得到许可。论文内容未包含法律意义上已属 于他人的任何形式的研究成果，也不包含本人已用于其他学位申请的论文或成果。 本人如违反上述声明，愿意承担由此引发的一切责任和后果。 论文作者签名：王 弱日期：2 9 d 7 年否月，日 j 学位论文知识产权权属声明 本人在导师指导下所完成的学位论文及相关的职务作品，知识产权归属学校。 学校享有以任何方式发表、复制、公开阅览、借阅以及申请专利等权利。本人离校 后发表或使用学位论文或与该论文直接相关的学术论文或成果时。署名单位仍然为 青岛大学。 本学位论文属于： 保密口，在年解密后适用于本声明。 不保密衫 论文作者签名：王品日期：2 d q 年占月i 日 导师签名：勇辨嗍2 叼年月f 日 ( 本声明的版权归青岛大学所有，未经许可，任i 可单位及任何个人不得擅自使用) 第一章绪论 1 1 护具的发展现状 第一章绪论 随着体育健身热潮持续加温，越来越多的人投入到了体育锻炼的队伍中来。虽 然体育锻炼能够强身健体，但是隐藏在各项运动中的意外伤害同时也对人体构成了 巨大的威胁，特别是在激烈运动中，冲撞、急停等动作会直接导致运动中的撞伤、 扭伤和拉伤：而很多慢性的运动伤害也在不断的积累中爆发，造成人体伤害：如常 见的网球肘( 网球) 、棒球肘、投手肩、肌腱炎( 篮球) 、脚踝腱炎( 跑步机) 等病症都 是由于没有注重日常的运动防护而造成的。以网球肘为例，很多人由于长期的动作 不规范造成了肘关节附近的肌腱突然过分伸展嵌入纥骨上踝，造成了运动伤害。而 这种伤害的症状轻则肘部疼痛，重则转化为整个手臂疼痛，整个治疗过程需要i - 2 个月，影响了正常的工作和生活。 在体育运动中，伤害是无法避免的。但是除了客观无法避免的隐患之外，有意 识的采取一些方法，避免运动中的伤害就尤为重要。运动护具也正是基于运动者的 这种需求而出现的。运动保护器具不仅能使专业运动员安全进行一些难度大的项目， 还能使成千上万的运动爱好者在受轻伤后继续进行他们所喜爱的运动。因此，运动 护具能使更多的人更积极、更经常、更持久地参加体育活动。 1 1 1 护具产品的种类 市面上的护具产品种类繁多，根据所采用的不同材质基本上可以分为：针织类、 发泡类和织带类三种类型。 针织类产品是市场上最常见的套管式护具产品，该类产品价格平价，基本上可 以对日常的体育运动提供运动保护。与此同时为了满足不同消费者的不同需求，该 类产品在制造的过程中还加入了不同的纤维材料来实现不同的防护效果，如：主材 质为莱卡的针织护具，能给穿戴者透气舒适和全方位( 四向) 的高弹性；主材质为 羊毛纱的针织护具产品，有保暖的功能，最适合老年人健身防护使用；主材质为甲 壳素纱的产品，除臭功效出色，很适合大量运动流汗者使用，可常保清新舒适，防 止异味；主材质为吸湿排汗纱的产品，可保持人体肌肤的干燥，也很适合大量运动 流汗者穿戴；主材质为远红外线纱的护具产品，可有蓄热和保暖的功能，适合居家防 护和避免运动大量流汗后的失温；主材质为竹炭纱的护具产品，可释放出负离子和促 进血液儋环的功效，又具有除臭功能，适合居家防护和避免运动大量流汗后的失温。 发泡护具是市场上中高端的护具产品，当前的赛车服护具多是该类产品，该产 品多为自粘贴式护具，主要采用发泡材质，能够充分防护意外冲击所带来的运动伤 青岛大学硕士学位论文 害，适合激烈运动者的配戴防护。当前的赛车服护具多是该类产品。现在市面上的 一般发泡护具产品，都只有单层发泡材质，虽然能够起到一定的缓解外部压力的作 用，但是由于其不透气性，很容易造成皮肤的过敏反应。为了加强防护功能，很多 市面上的发泡类产品在设计上配以磁石和弹簧条以达到促进血液循环和加强支撑与 稳定的效果。 织带类的产品主要以护腰为主，属于高端的护具产品，采用高密度的弹性织带 材质不仅弹性压力大，而且耐用，但是由于产品的材质要求较高，因此产品的价格较 发泡类产品更高。 1 1 2 护具的规格和型号 除了均码的护具产品，其余的护具产品，需要根据自身的需求不同来选择合适的尺 寸。台湾大来护具生产商给出了护具产品的规格和型号，如表1 1 表1 1 护具产品的规格和型号 1 1 3 护具选材与加工方法 对于护具产品而言，由于其材料成本的不透明性使很多消费者认为都是差不多 的产品，采购时买最便宜的即可，但实际的情况并不是这样。购买护具的主要用途 是为了防护运动伤害，并不是买来当装饰品，所谓“一分价钱一分货 ，在挑选护 具时切不可因为价格因素忽略了对于自身健康的保护，下面我们举例说明一些廉价 2 第一章绪论 产品所带来的健康风险： 1 产品的原料：一些不良的商家其针织的护具产品采用了劣质橡胶丝作为原料， 当消费者接触这些针织护具的时候会感觉产品有些粘、有些湿。实际是因为这些不 良的商家为了降低成本使用了价格低廉的劣质橡胶丝作为材料，而使用这种材料制 成的护具极易产生弹性疲乏和产品断裂，同时在配戴的过程中经常会产生局部皮肤 过敏的症状，影响消费者的健康。市场上绝大部分的护其是山橡胶或发泡材料制得， 如图1 1 所小，图11 中的护膝、护肩都是橡胶制品，背甲的内部足泡沫，外层是橡 胶，这些护具虽然能够起到一定的缓解外部压力的作用，但是由于其透气性筹，很 容易造成皮肤的过敏反应。有的橡胶护具会在内侧有开有气孔以起到透气的效果， 如图l1 中的护膝内侧，有的护具气孔穿透护具如图11 中的护肩，另外市场上的 发泡护具其发泡橡胶味道特别刺鼻，主要因为其原料没有做味道处理，这对消费者的 健康有很大的影响。 2 产品的制作工艺：市场上廉价的引纵产晶能省就省，如我们看到的很多针织 的护肘和护膝。多数就是一块能够四面弹的套管，在戈节等部位并没有提花，其实 编织提花的主要作用是利用提花部位，制造出护具上厚薄度不同的效果，这样可让 护具更加符合人体工学并且让不同部位有不同弹性压力。很多护具会因弹性松弛而 导致穿戴者活动时移动下滑，或是过于紧绷，造成穿戴者血液不能循环肌肤发红 发肿，而编织提花的产品恰恰能够解决这些问题。 3 没有批号管理：市场上的根多护具都没有显示批号，这样就无法控管产品是何 年何月生产，山哪一位员工负责制造以及由哪一批的原材料生产，如果护具质量出现 问题，无法查出问题出现在哪个环节。 护膝外侧护膝内侧 青岛大学硕士学位论文 护肩 口 护肩内性0 图11 不同材料的护具 背甲 114 国外防护材料的发展情况 国外摩托车防护服的设计和丌发主要集中在几家有影响的大公司，如美国著名 硅胶原料制造商d o w c o m j n g 公司、伦敦的d 3 0l a b 公司等。目前这些公司的设计 和开发主要集中在材料的舒适性、防护的智能型、材料的功能性和绿色化方面，即 如何在不牺牲柔性、透气性和易护理性的前提下，研制出一个能够有效地抵抗强力 冲击的体系。因为目前常规的硬质壳产品既不灵活又不舒服而市场上出售的许多 软泡沫或凝胶系列产品既缺乏透气性又缺乏足够的安全保护。 世界知名机车服生产公司d a i n e s e 的竞赛用手套采用强化加大的耐静擦区域和 防滑设计，防护上衣则采用复合式软式防护设计，选用高透气、多7 l 、高强力面料， 同时配备粘扣带调节式护腰带，肩部与手臂的护具以粘扣带固定于胸前。d i a n e s e 公 司生产的护膝、护腿对膝部、小腿、足踝部位提供防护，这些护具可通过粘扣带调 节尺寸：这套护具还可分离，根据需要可在足踝部位分离。s i x s i x o n e 公司生产的护 臂、护肘和护膝采用舒适透气的e v a 发泡材料制得；该公司生产的防护上衣适用于 第一章绪论 越野骑车时穿着，防护服的前后均有塑料硬壳给予防护，上装配有弹性宽护腰带， 前臂与肘部有特别防护，后背脊处有开节装的塑料硬壳给予穿着者防护。t o r yl e es e 公司生产的防护裤前片部位采用强化尼龙布面料，以增加其耐久性：膝部内面采用 弹性k e v l a r 面料：膝部外面用强化尼龙面料进行风箱褶剪设计，大大增加了活动性； 在腰部至胯部间，用变向的螺纹弹性布作v 形设计，可以增加其合身性与舒适度： 防护服的内里采用网状设计，可以增加透气性【z 】。 2 0 0 6 年3 月在美国亚特兰大举办的北美t e c h t e x t i l 技术座谈会上 ( t e x t i l e s y m p o s i u mn o a ha m e r i c a ) 上，d o w c o m i n g 公司介绍了一种新的专利抗 冲击技术- d o w c o r n i n g 积极防护系统( a c t i v ep r o t e c t i o ns y s t e m ) 。这种专利系统包 含一种经过特殊涂层处理的三维纺织间隔材料。这种“智能化纺织材料在正常情 况下保持柔软和韧性，但在受冲击时瞬间变硬。冲击力消失后，材料立即恢复到柔 软状态。 这种突破性技术给高性能服装带来的优点是；可以直接与服装缝合在一起( 过 去的刚性系统通常需要使用可拆下的部件) ；材料可按需求定制，灵活性强，为设计 人员提供创作空间；透气性好、柔软和轻质结构使服装具有良好的舒适性，穿着者 运动自如：可水洗，兔护理和保养。这种纺织材料最卓越的性能在于它既能吸收又 能分散冲击能量。当冲击防护系统在冲击瞬间变硬时，它在整个防护区域吸收和分 散能量。这有效地降低了冲击力的传递，更好地提供保护，与刚性材料相比。开始 起作用的时间早，而持续时间是刚性材料的两倍。这种“积极防护系统 的性能超 越了其它柔软防护材料，如以泡沫或凝胶为基础的材料。这些材料虽然柔软，但不 一定有良好的透气性，或者不可洗涤，该防护系统以一种结实的纺织载体为基础， 透气性好、柔软可洗涤【j j 。 英国赫特福德郡大学创新中心的研究者和伦敦的d 3 0l a b 公司合作，研制出一 种特殊衣料。受到撞击时会迅速变硬，借此减缓撞击力。随后立刻变软，不会限制 穿着人员的灵活性，这种名为d 3 0 的材料平时轻而柔韧，但受到撞击时会在 1 1 0 0 0 s 内变硬，且撞击力越强反应越快。这是因为这种材料由在高速运动时会彼此 钩连的柔韧分子链所构成。这种衣料有两种型号，一种由内外两侧分别被透气层和 弹性材料所包裹的d 3 0 材料构成，另一种则在前一种的基础上，加有塑料片层，在 剧烈震动时可以提高衣服的防护力。用智能衣料制成的第一个产品是供运动员使用 的柔韧护膝，在英国上市己3 个月，销量是以往的3 倍。目前正在开发的产品还有 滑雪运动员的比赛服、运动头盔和适应跑步时负荷变化的反应鞋等。研究者还打算 与阿迪达斯等运动服企业合作。用这种布料为职业运动员设计服装1 4 j 。 1 1 5 国内防护材料的发展情况 青岛大学硕士学位论文 国内摩托车防护服的设计和开发主要集中在几家有影响的大公司，如北京丹佛 尔户外运动有限公司、泰安东升服装有限公司、佛山市源东森贸易有限公司等。目 前国内防护材料的发展水平紧跟国际潮流，防护服装面料从国外进口，加工生产出 与世界领先水平相当的摩托车防护服装，但对防护材料的设计缺乏技术创新点，对 于本课题组采用高性能的热熔粘合复合纤维p e t c o p e t 与三维卷曲中空涤纶纤维 生产护具的的想法，泰安东升服装有限公司率先与我们达成共识，为本课题对护具 的开发研究打开了思路。 1 2 护具的绿色设计 随着人们物质生活和精神生活水平的不断提高，人们对防护材料的要求也提升 到更高的层次一既要节约资源，保护环境，又要关注其对人的身心健康，如嗅觉、 触觉等方面的影响。这也就是防护材料的发展趋势一绿色设计。 1 2 1 绿色设计的含义 绿色设计思想最早的提出是在2 0 世纪6 0 年代，美国设计理论家威克多巴巴纳 克在为真实世界而设计( d e s i g nf o rt h er e a lw o r l d ) 中，强调设计应该认真考虑有 限的地球资源的使用，为保护地球的环境而服务。随着科技的发展和经济水平的提 高，人类当前居住的环境日益恶化，可利用的资源日趋枯竭，经济进一步发展受到 了严重制约，这些问题直接影响到人类文明的繁衍，从而提出了可持续发展的战略。 在产品整个生命周期内，着重考虑产品环境属性并将其作为设计目标，在满足环境 目标要求的同时，保证产品应有的功能、使用寿命、质量要求。这就是绿色设计的 含义【5 1 。 1 2 2 绿色设计的兴起 环境与资源问题，是绿色设计形成世界性潮流的大背景，它不是一种单纯设计 风格的变迁，也不是一般工作方法的调整，而是一种设计理念的大改变，一种关系 到人类社会的今天与未来发展的新思路。当绿色设计日益成为全社会广泛关注的价 值观之后，其定义也在不断地扩展，并且派生出多种关系领域，如基于环境保护角 度的“绿色计划 、基于防止环境被破坏角度的无污染“绿色技术 、乃至发展中国 家农业经济中的“绿色革命一等新概念相继登场。可以说，从绿色设计思潮萌动伊 始，就没有一个完整的、确切的定义与范畴，它是社会理性在设计范畴的折射，因 此，它的认识根源更多地来自全社会环保意识的发展与企业的市场生存理念。就设 计思潮与社会发展思潮的关系而言，在设计运动的各个发展环节中，绿色设计表现 出其独有的面貌与属性。绿色设计被称为是“工业生产的又一次效率革命”，而且已 6 第一章绪论 经成为目前产品设计中的一个主流方向，在很长一段时间内，都会是产品设计中需 要考虑和注重的设计原则。 1 2 3 绿色设计的特征 作为一种设计思想与方法，绿色设计着眼于人与自然的生态平衡关系。在设计 过程中的每一个环节都充分考虑到环境效益，尽量减少对环境的破坏。绿色设计不 仅是一种技术层面的考虑，更关键是一种观念上的变革，要求放弃那种以外观标新 立异为宗旨的习惯，而将设计变革的重心真正放到功能的创新，材料与工艺的创新， 产品的环境亲和性的创新上，以一种更为负责的态度与意识去创造最新的产品。绿 色设计的含义是“以人为本”设计原则的体现，绿色思维也是人性思维的反映。因此， 我们在产品设计中，要注重产品的人性化设计，即注重产品能更好的满足个人的需 要，包括功能更加完善，使用起来更加安全、舒适，外观更加美观等。产品设计中 的绿色思维还应该包括安全、自然、人性的含义，这样才能算得上真正意义上的绿 色产品。 绿色设计遵循三“r e 刀原则( 减少、回收、再生) ，可以简称为“少量化、再利 用、资源再生 的物尽其能的三原则【6 j 。 1 2 4 护具的绿色设计 据权威机构预测，今后护具的发展将出现“品种多，规格全，批量小、质量精 的趋势。护具将在性能和人性化设计上有一个大的进步，将由过去的“粗、大、厚、 重 向“精、巧、美、轻 发展，使其更加灵巧、舒适【7 】。 目前市场上的护具大都是发泡材料制得的，橡塑制品本身有许多缺陷，比如透 气性差、有异味、易老化、不可回收利用、对环境造成污染等。在崇尚绿色环保的 今天，急切需要寻求一种新的材料来取代橡胶生产护具。本课题大胆采用热熔粘合 纤维与三维卷曲中空涤纶纤维混合，在一个三维构造的模具中，通过热气流模压成 型得到纤维材料护具。 生产设备的设计可以借鉴传统护具，并进行适当的改造创新；采用热熔粘合纤 维来实现护具中纤维之间的粘合，并采用三维卷曲中空涤纶纤维来提高护具的缓冲 性能；护具的试验加工工艺可以参照热熔粘合非织造布与模压纺织品的生产工艺， 1 3 课题研究的内容及意义 本课题的总体思路是：以进口的典型的橡胶护肩为模型，以热熔粘合纤维与三 维卷曲中空涤纶纤维为原料，借鉴热粘合法非织造布中的混合一开松一梳理成网一 层铺纤网一热风预定形等工序，再经独创的模压成形技术，开发具有质量轻、透气 7 青岛大学硕士学位论文 性好，防护性能优良的摩托车护具。 工艺试验主要集中在工艺条件的优化，如模压温度、模压时间、模压压力等对 护具成型工艺的影响，以探索生产护具的最佳工艺。 性能研究主要集中在同一工艺条件下纤维网内部纤维含量不同、纤维网铺层方 式不同对护具的抗冲击性、压缩模量和透气性以及拉伸强度力和剥离强力等方面的 影响，并讨论了纤维自身的特点( 如纤维细度、纤网密度) 对护具抗冲击性的影响。 理论部分主要分析了护具的抗冲击机理，以揭示纤维网分布、纤维体积分数等 对护具的抗冲击性能的影响。 为了护具开发的快速化和结构优化，本文还运用有限元模拟技术对护具的抗冲 击性进行了模拟分析，分析了不同工艺条件下的护具的平均穿透力值，确定了最优 化工艺参数。试验表明，模拟结果与实验数据基本吻合，这为缩短研发时间，减少 开发成本，开辟了新的途径。因为通过模拟就可能对护具结构和生产工艺进行优化 选择，可以帮助我们分析护具中易失效部位，为以后的改进节约大量时间。 研究表明，用该方法加工的护具在透气性和环保方面具有显著的优点，抗冲击 性能良好，但目前开发的样品在手感方面还不如橡胶护具柔软，有待进一步改进。 8 第二章热风模压摩托车护具的可行性研究 第二章热风模压摩托车护具的可行性研究 2 1 传统护具的生产工艺 传统的护具多是橡胶制品或由发泡材料制得。 橡胶护具一般是由胶料注入模具一次定型的，把一定量的胶料置于被加热的模 具型腔内、然后合上模具、对塑料施加压力、使之熔融成为粘流态而充满模腔、成 型为制品；制品固化后，开模：取出制品；并清理模具。开始下一成型周期。图2 。l 是橡胶制品的生产流程。 谥 制 顶 清理模具加料合模固化开模取出制品 图2 1 模压生产工艺 有些护具是由橡胶垫、泡沫衬构成，橡胶注入模具一次定型，泡沫一次注在橡 胶垫内表面，与橡胶垫紧密配合成一体，构成泡沫衬。 发泡材料制品的生产工艺方法，其特征在于：先将干燥原料预先混合均匀，加 入液态原料和水，搅拌揉合均匀，形成一定含水量的不定型物料；将型模加热到一 定温度，通过供料机定量供料，将不定型物料投入或注入到型模中，合模并锁定， 经过充分的发泡成型干燥工艺时间，便可开模，将已干燥定型的成型制品取出；型 模便可继续加热，进入下个循环；成型机生产出来的成型制品，进入包装工序， 经检验、堆码、包装、入库等工序，完成整个生产工艺流程。 2 2 传统护具的模压生产设备 模压成型设备包括模压机、模具和辅助设备。 9 冒廓 青岛大学硕士学位论文 2 2 1 模压机的分类 模压机是模压成型的主要设备。模压机的作用是通过模具对模压料施加压力， 若采用固定式模具，还起开合模具和项出制品的作用。 按模压机的控制方式，可把其分成手动式、半自动式与全自动式三种。手动模 压机的所有运动( 除顶出制品外) 均由操作者完成，模具可固定在模压机的模板上， 也可采用移动式( 手动) 模具。半自动控制的模压机中，由操作者取出制品、清理模 具并加料，接着按下电接触按钮，开始一个新的成型周期，电气控制系统通过四通 阀使模压机闭合，借助时间继电器、限位开关和液压阀等元器件，可完全自动地依 次完成高速合模、慢速合模、完全合模、开模排气、排气停留、合模、固化与开模 这些动作。每一成型周期均需由操作者重新启动。半自动控制可使操作者的失误减 至最小，其系统中可包括安全联锁装置，以防止发生故障，使操作者在紧急情况下 可采用手动控制。全自动模压机的所有动作均采用自动方式完成。自动模压成型过 程通常采用上压式模压机，因为下模板固定便于加料、制品脱模和高频预热等。 2 2 2 橡胶模具的分类 橡胶模具按成型工艺分为压模、铸压模和注射模。 压模是模压硫化常用的模具。它可分为开放式、半封闭式和封闭式三种。开放 式模具上模无导向和定位部分，空气易排出，胶料承受单位压力小，适合制造断面 形状简单的产品，如胶板、试片等。封闭式模具胶料容易充满型腔，胶料承受的单 位压力大，产品密实，适合制造复杂断面的制品。但模具加工难度大，成本高。半 封闭式模具就排胶难易和胶料承受压力而言处于两者之间。 铸压模有两种形式，一种是用在以普通单缸平板硫化机为基础发展起来的活塞 注胶式的铸压模，另一种是用在柱塞式的双缸平板硫化机上的铸压模。机上一个柱 塞用来对模具加压，另一个柱塞用来传递胶料，两个操作互相独立。 注射模具有一系列优点，如取消了坯料准备工序，综合了成型和硫化过程，从 而大大简化了生产工序，生产效率高等。另外注射过程可以全部自动化，劳动强度 小，产品质量好，但是，长期以来橡胶注射成型的推广，因受工艺问题和设备的限 制在我国未被广泛使用。近年来胶料品种的发展，为注射成型奠定了基础，设备问 题也逐步得到解决。现已在许多国家广泛使用。我国也在胶鞋和部分工业制品中逐 步使用。并设计和制造了3 d m i x 5 0 0 卧式六模胶鞋注射成型机。它是比模压法产 量更高的一种新工艺【8 9 1 0 1 1 1 。 i o 第二章热风模压摩托车护具的可行性研究 2 3 热熔粘合非织造布的借鉴 热熔粘合非织造布的生产工艺流程是：成网前准备一纤维梳理一成网一热粘合 加固。 ( 1 ) 成网前准备：在成网之前，需要将不同性能、不同品种的纤维原料分别喂 入、开松。使压紧的纤维块通过机械打击和撕扯而松解成小块的纤维束；将已开松 的纤维经过混合，使不同性能的纤维得以充分混合；最后将混合均匀的纤维层经过 梳理机梳理。 ( 2 ) 纤维梳理：经过准备工序加工后，纤维大多呈束状，为了使其成为单纤维 状，必须对其进行梳理，所用设备可以是罗拉式梳理机，也可以是盖板式梳理机， 本课题采用的是盖板式梳理机，该梳棉机的锡林、盖板、道夫的针布内能容纳一定 量纤维，具有一定“吸、放 作用，从而使梳理机有均匀混合作用。另外，同时喂 入的纤维可能不同时输出，而不同时喂入的纤维则有可能同时输出，从而使梳理机 有混合作用。 ( 3 ) 成网：在非织造布生产中，为了改善成品的纵横向强力等性能的差异，采 取了各种杂乱成网技术，如交叉折叠成网、气流成网及杂乱辊成网等，每种方法都 各自仅适用于一定的场合，如气流杂乱成网，适合定量4 0 , - - 8 0 9 m 2 ，增加定量后纤 网会较厚，不匀率增加：交叉铺网适合定量大于l o o g m 2 ：其它范围的定量则可以采 用带机械杂乱装置的梳理机生产【1 2 1 。鉴于护具的高密度，本课题对成网方式采用水 平铺网，另外，为了提高护具的缓冲性能，部分纤网采用气流垂直铺层的方式【l 引。 纤维的两种铺层方式见图2 2 0 水平铺网 图2 2 纤维的铺层方式 垂直铺网 ( 4 ) 热熔粘合加固：热熔粘合加固非织造布的生产设备主要有两种：热风法和 热轧法。热风法采用热风穿透圆网式烘筒，由热空气穿透纤维层，纤维在自由状态 下均匀受热，在纤维的每一个交接点上，均匀粘结，是比较理想的点粘结。热轧法 的熔融粘结是在压力下加热体与纤维表面直接接触，热传导快，加热时间短。但是 纤维在加热条件下受热熔融粘结时，会不同程度地被压扁，纤维层被压缩，手感变 青岛大学硕士学位论文 硬。对于密度较大的热熔粘合非织造布，热风式更能显示其优越性，因为热轧式对 于密度较大的产品，热量不能快速传递到，导致不能够充分熔融【1 4 1 。针对护具的产 品特点，我们可以借鉴热风式热熔粘合设备。 2 3 1 圆网型热风机 在热熔粘合过程中，热的载体是空气，随着热空气穿透纤维网，将热量传递给 纤维。因此，首先要保证热风在循环流动过程中，其速度要可进行控制，以免破坏 纤维网的结构和均匀度；其次，要对纤维网整个宽度进行迅速而均匀的加热，烘房 内的温度必须能达到所用粘结纤维的熔点温度，而且各处的温度偏差应控制在1 5 范围内，以保证非织造布各项性能均匀而稳定；第三，纤维网在加热后应能立即 进行加压和冷压；第四：纤维网加热后可进行迅速而均匀的冷却：第五，纤维网在 烘房内通过的路线要长，且能耗要尽可能低【l 引。 图2 。3 所示为圆网单滚筒烘燥机。当采用1 只滚筒时，纤网对滚筒的包围弧可 达到3 0 0 0 ，如图2 3 a 所示。轴流风机从滚筒的侧面抽风，在滚筒内形成循环气流如 图2 3 b 所示。气流通过热交换器时进行加热。圆网滚筒也有采用2 只或2 只以上的。 图2 4 所示为圆网双滚筒示意图。2 4 a 呈垂直排列，2 4 b 呈水平排列，圆网双滚筒 可使热风交替穿过纤网的两面，提高了加热效果。滚筒的直径一般为l 3 。5 m ，最 大工作宽度为6 5 m ，每只滚筒都可实行单独调速，以适应不同规格热风非织造布加 工要求【1 6 1 。 2 3 a 结构示意图2 3 b 循环气流示意图 图2 3 圆网单筒烘燥机 1 2 第二章热风模压摩托车护具的可行性研究 2 4 a 结构示意图 2 4 b 滚筒水平排列 图2 4 圆网双筒烘燥机 2 3 2 平网型热风机 在加固薄型纤网时，一般采用平网热风机( 如图2 5 所示) 。这种设备可根据工艺 上的需要，将整个工作长度分为几个不同的温度区域，对纤网进行有效的热风烘燥， 平网型烘房除单层式外还有多层的，这样可以节省占地面积，在保持一定的生产速 度时，可增加纤维网的受热时间，从而保证粘结材料得到充分的熔融。 图2 5 平网型热风机 2 4 三维模压成型技术的研究思路 要形成三维形状的纺织品，可以考虑采用模压成型( c o m p r e s s i o nm o l d i n g ) 的方 法。纺织品的模压成型是在热和压力的作用下，经过拉伸、压缩，织物由两维的平 面形状转变成持久的三维立体形状。常见的模压方式是热模压，即将织物预先裁切 成一定的形状，置于模具内加热、加压，使之成型为所需的三维形状。这一技术是 最古老的聚合物加工成型技术之一，主要用于塑料的压塑成型。早在二次世界大战 期间，人们就开始将平坦的纺织物或纤网放在模子表面进行热定型以生产无缝的三 维服装部件，如肩衬等，材料大多是特殊的机织或针织物，这可看作最早的模压纺 织品。目前模压制品主要见于妇女内衣、泳衣、运动装，以及一些医用、汽车用、 建筑用产品及运动器材中，如罩杯、垫肩、座椅垫、医用矫形器件、建筑构件等。 青岛大学硕士学位论文 与同类的缝制产品相比，模压成型产品具有以下特点：1 ) 一次性成型，成品形状由 模压机的合模力与模具尺寸和形态所决定；2 ) 同批产品具有相同的质量和形态；3 ) 成品的机械性能稳定，局部性能差异小；4 ) 生产效率高，制品的成本较低；5 ) 由于 成品无缝，贴身穿着更舒适。从组织结构分析，纺织品无论是机织物、针织物或非 织造物都可以进行模压。但模压成型技术在纺织行业中应用并不广泛，而且对模压 织物的厚度和硬挺度也有一定的要求。因为传统的模压成型技术都采用的是传导性 热模压方式，纺织品的导热性又很差，织物太厚或太硬都难以模压出理想的三维制 品。而护具恰恰是一种又厚、又硬的的材料。并且传统的模压技术是将等厚度的均 质材料模压得到异厚度不均质的三维产品，而我们的模压技术是要得到异厚度均质 的三维产品，因此必须对传统的模压技术进行改进。 有人将空气层原理用于网的形成，将热空气粘合原理用于网的固化。步骤是： 开松的纤维从滚筒剥离后，分散在气流中，通过运输通道由气流送到穿孔的三维模 型表面成形，然后粘合固化。研究后认为，利用热空气粘合的方法是最适合的，因 为它容易采用，适合不同的形状，并且非常经济。在粘合阶段三维网是固定的，用 一架抽吸风扇使热空气通过它使纤维粘合。三维网停留在粘合箱的时间( 停留时间) 是重要的参数，它影响到粘合效果和循环时间。以最少的时间让热空气流量稳定， 使三维网周围的温度达到设定的水平。因为网形成过程是连续的，而粘合过程是间 歇的，纤维喂入，模型移动，粘合过程必须紧密配合，这样网的重量和粘合的效果 才能达到预期设定的要求。 在成形区域，空气流速和压力分布是关键，它关系到整个三维模型表面的纤维 分布。因为纤维运动完全依靠空气流，空气流分布模式能很好地指示纤维分布的情 况。控制纤维在三维壳结构中的分布，各种三维形状就能形成，这需要设计空气通 道最佳化，设计模型箱，空气流速度和合适的空气流控制装置最佳化。最佳化过程 是重要的，因为空气流和三维模式表面所成的角会非常显著，这会导致纤维沉积不 均匀。另外重要的是避免空气流形成涡流，这会导致纤维缠结【l 7 。 可以说，纤维网状物的三维模压成型技术是一个有诱惑力的研究领域，因为许 多领域应用的产品，如固定的过滤层和异型垫等都需要三维形状的非织造产品。但 是，目前这一技术的进展并不顺利，因为纤维网状物的三维成型与织物的三维成型 有很大不同，它本身就是一个全新的技术，而且它与梳理、铺网技术的结合也是一 个难题，都需要高额投入。另外，异厚度、均质的三维成型产品的研发更增加了技 术难度。尽管国外许多公司试图直接产生三维形状的纤维结构，但这些技术都没有 在商业上成功过。 t h om a s 开发的技术只限于坚硬的结构和简单的几何形式。m i u r a 和h os 0 咖 描述的方法只能用于生产非织造布的超短纤维。 1 4 第二章热风模压摩托车护具的可行性研究 2 5 纺织品模压成型原理 纺织品的热模压成型原理与热定形原理相似，都是利用纺织材料在受热过程中 内部结构和性质的变化规律进行加工。室温状态下，大部分纺织材料处于玻璃化温 度以下，由于分子间的作用力大，热运动的能量不足以使整个高分子链和链段运动 而被冻结，在外力下，形变能力小。而当模具腔内温度使置于其中的织物温度达到 玻璃化温度以上时，具有热塑性的纤维大分子之间的作用力减小，分子链段开始自 由转动，纤维的变形能力增大，在一定的压力作用下，强迫其变形，会引起纤维内 部分子链间部分价键拆开并在新的位置上重建，冷却和解除外力作用后，织物的形 状就会在新的分子排列状态下稳定下来，根据模具形状所产生的织物变形将被保留， 不再消失【1 扪。 本课题开发的新型护具采用的原料是热熔纤维和三维卷曲中空涤纶纤维，经过 高温高压热熔纤维能够与三维卷曲中空涤纶纤维很好的粘合在一起，与热粘合法非 织造的工艺原理有些相似。因此，生产可以借鉴热粘合法非织造的工艺和设备。 2 6 异厚度、均质的三维护具的开发思路 2 6 1 工艺过程 为了研究方便，护具的试验生产直接从企业购买预定型的平面状纤维网状物。 2 6 1 1 异厚度、均质材料准备根据成品的最终形状的要求对产品进行分形设计， 然后将平面状纤维网状物按分形设计的大小和形状剪裁、叠合。 2 6 1 2 预热模压之前，可将剪裁、叠合后