林朝阳 费本华 孙丰波 魏松坡 黄 彬

（1.福建省建瓯市朝阳竹编帽业有限公司，福建 建瓯 353100；2.国际竹藤中心，北京 100020）

我国约有8 000 万从业人员需佩戴安全帽，随着安全要求的不断提高，安全帽的需求量以约10%的增幅逐年递增[1]。安全帽作为工业生产中重要的头部防护装备，其设计、制造质量的提升十分重要。目前制作安全帽的材料主要以玻璃钢壳和塑料壳为主[2-7]，玻璃钢壳以玻璃纤维、维伦丝、丙伦无纺布和树脂等为原料；塑料壳以聚碳酸酯、超高分子聚乙烯、改性聚丙烯等为原料。这两类帽壳成形容易、质量控制到位，因而被广泛使用[8-12]。然而，一些安全帽通风性能差，在闷热的环境下，尤其在炎热的夏季或者在高温、高湿地区，使用者会因透气性不好摘下安全帽，导致事故发生，因此有巨大的安全隐患[1]。

为了增加安全帽的舒适度，设计师通过在帽壳上增加通风口或安装微型风扇等形式，以改善安全帽通风性能，取得了一定效果，但并未能广泛使用。由竹丝编制而成的安全帽帽壳，由于采用手工编织，经纬篾丝编织留有缝隙，因此透气透湿性良好。再经浸胶处理，竹编帽壳具有轻质高韧、强度大、弹性好等特点，克服了塑料、玻璃钢等安全帽闷热、质量重以及对人体易产生化学过敏等缺点，提升了安全帽的舒适度，可应用于建筑、矿山冶金、林业、码头、交通等工业场所。

竹编安全帽的编织工艺充分利用了竹材天然优良的劈篾性能和力学强度[13-18]，编制成的安全帽坚固耐用，可以竹代塑[19-23]，具有很高的应用和推广价值。竹编安全帽的编织工艺也是对我国传统竹编工艺的继承和延伸[24-25]。目前，市场上流通的竹编安全帽产品形式多样，质量参差不齐，缺乏统一的标准，对于制作工艺技术与相关性能均缺乏系统的研究和科学评价，这不利于产品的推广和技术提升。本文对竹编安全帽制作工艺和性能进行分析，以期为竹编安全帽产品的技术进步、标准制定、产品推广提供依据。

1 材料与方法

1.1 材料

竹材：2～4年生的毛竹（Phyllostachys edulis），产地为福建省建瓯市，胸径为4～6 cm，无死竹、虫蛀、霉变。竹材长度不小于5 m，弯曲度不超过7%，和生枝桠分叉处须离根部2 m以上。将竹材加工成竹丝，具体标准详见表1。下额带：以丙纶纱线为原料，采用经纬交错织造而成。加强钢板：直径10 cm,厚度0.5 mm的不锈钢板材，置于加强筋和帽壳之间。脲醛胶：以甲醛、尿素、聚乙烯醛、三聚氰胺、工业淀粉为原料，每吨按0.7∶0.4∶0.025∶0.02∶0.025比例制成。

表1 竹编帽壳结构单元规格及要求Tab.1 Specifications and requirements of structural unit of bamboo braided helmet shell

1.2 竹安全帽编织工艺

竹安全帽编织工艺包括竹材破篾、帽壳编织、浸胶和组装，如图1 所示。

图1 竹编安全帽生产工艺Fig.1 Production technology of bamboo safety helmet

1） 竹材破篾：将竹材破篾，制成各种规格的篾丝。

2）帽壳编织：用定型器排布筋篾，锁紧顶丝；顶丝锁好后，用套具固定在标准头模上；编织盔丝和腰丝；腰丝编织完成后，每根筋篾用无烟酒精灯烧烤弯曲至90°；再编沿丝至标准长度，锁好锁边丝；最后完成帽沿扎口。

3）帽壳浸胶：采用尿醇胶对帽壳进行浸胶处理，对浸胶后的安全帽进行称重，间隔8 h称重1 次，直至帽壳质量无变化，计算浸胶率。本试验中帽壳的浸胶率为23%。

4）安全帽组装：将帽壳浸胶后晾干，安装好防护钢板和下颌带，完成安全帽组装。

1.3 性能测试与分析

按照GB/T 2812—2006 《安全帽测试方法》，测试安全帽的冲击吸收性能和耐穿刺性能，先将安全帽送检样品进行高温（50 + 2）℃、低温（-10 + 2）℃和浸水（20 + 2）℃预处理3 h，再将预处理的样品佩戴在标准头模上，如图2所示[24]，落锤、穿刺锤的高度为1 000 mm，记录冲击吸收力值和穿刺结果。

图2 冲击吸收和耐穿刺性能测试装置示意图Fig. 2 Schematic diagram of impact absorption and puncture resistance test device

安全帽冲击试验过程中，根据能量守恒定律，落锤撞击产生的动能被分为3 部分，第一部分能量以应力波的形式发射进入落锤，被称为E1；第二部分被安全帽吸收的能量，被称为E2；第三部分为进入头部模型的能量，被称为E。根据安全帽检测规范规定，安全帽经高温、低温、浸水预处理后，进入头模的冲击力不超过4.9 kN，则安全帽冲击性能视为合格。

2 结果与分析

2.1 性能评价

对竹编安全帽样品进行了抽样送检，每组样品8 个，结果如图3 所示。竹编安全帽样品经高温处理后，样品中头模冲击吸收力（Ea）最大值为4.49 kN，最小值为1.35 kN，平均值为2.85 kN；经低温处理后，检测样品中头模吸收力（Eb）最大值为4.34 kN，最小值为1.75 kN，平均值为2.92 kN；经常温浸水处理后，检测样品中头模冲击吸收力（Ec）最大值为4.38 kN，最小值为1.51 kN，平均值为2.59 kN。送检竹编安全帽样品的冲击吸收性能合格。

图3 不同预处理下竹编安全帽的冲击吸收性能Fig.3 Impact absorption properties of bamboo woven safety helmet with different pretreatment

安全帽耐穿刺试验过程中，穿刺锤接触头模形成闭合电路会发出信号。经检测，安全帽经过高温、低温、常温浸水3 种处理后，送检的8 个样品耐穿刺性能合格，穿刺锤均未接触头模表面，帽壳无碎片脱落。

2.2 冲击吸收力分布特征

在竹编安全帽制作工艺中，一是对竹编帽壳进行浸胶处理，以增强材料的冲击韧性；二是在帽顶的下方设置防护钢板，以增加安全帽的安全系数。为了进一步测试胶黏剂、钢板对安全帽冲击韧性的影响，对未浸胶、未加防护钢板的安全帽（M1），浸胶、未设防护钢板的安全帽（M2）和浸胶、加防护钢板的安全帽（M3），分别进行了常温常态下的冲击吸收性能测试，结果如图4所示。由图可知，3种安全帽的冲击吸收力中位数值为M1>M2>M3，说明浸胶处理和钢板均提高了竹编安全帽的冲击吸收性能。M1中冲击吸收力的中位数值小于4.9 kN，上方边缘数值高于4.9 kN，有异常值，且数值高于4.9 kN，说明竹编帽壳在未经处理的情况下，直接应用于安全帽生产，会有部分产品冲击吸收性能不合格。M2和M3的上方边缘数值均在4.9 kN以下，且无异常值，说明竹编帽壳在浸胶处理后，冲击性能提高，达到了安全帽性能要求；M2中位数值大于M3中位数值，说明浸胶处理的竹编帽壳安装上钢板后，冲击性能进一步提高。

图4 不同帽壳结构冲击吸收性能Fig.4 Impact absorption properties of different cap shell structures

为了进一步分析浸胶和钢板对竹编安全帽安全系数的提升程度，对3 种安全帽M1、M2、M3 的冲击吸收力进行了方差分析和多重比较。如图4 所示，M1 与M2 之间和M1 与M3 之间均存在显著差异（P<0.01），M2 与M3 之间差异性不显著（P>0.05），说明竹编安全帽经过浸胶后冲击吸收性能显著提高；安装钢板对浸胶处理后的竹编安全帽的冲击吸收性能有所提升，但提升幅度不显著。

2.3 冲击破坏外观图像分析

对冲击试验后的竹编安全帽样品进行了图像分析，如图5 所示。M1 的15 个样品均发生了破坏，破坏形式有3 种，包括帽顶塌陷、顶丝断裂、筋篾断裂。其中，发生帽顶塌陷的有11 个，顶丝和筋篾未断裂；帽壳顶丝断裂2 个；筋篾断裂2 个。说明将未经任何处理的竹编帽壳直接用于安全帽组装达不到安全帽的性能要求。M2 的15 个样品经冲击后，外观保持完好的有11个，出现的破坏形式为撞击点塌陷、顶丝断裂、筋篾断裂3 种。其中，撞击点塌陷1 个，帽壳顶丝断裂1 个，筋篾断裂2 个。M3 的15 个样品经冲击后，外观保持完好的有13 个，外观破坏的有2 个样品，破坏形式相同，均发生帽壳顶丝断裂和钢板变形。可见，经浸胶处理和加设钢板后的竹编安全帽冲击吸收性能增强，经冲击试验后，帽壳外观有少量破损。

图5 竹编安全帽冲击破坏图像Fig. 5 Impact damage image of bamboo safety helmet

综合三者的破坏形式可以推断，竹编安全帽的破坏形式依次是顶丝和筋篾断裂、撞击点塌陷、钢板变形、帽顶塌陷，浸胶处理防止了帽顶的塌陷，钢板防止了撞击点的塌陷。

3 结论

本文对竹编安全帽的材料选择、制作工艺进行阐述，对产品性能进行分析评价，主要得出以下结论：竹材可作为安全帽的生产原料，其性能能够满足耐冲击和耐穿刺要求；竹编安全帽冲击试验表明，冲击过程中，竹编帽壳依次产生顶丝和筋篾断裂、撞击点塌陷、帽顶塌陷等破坏方式；浸胶处理可显著增加竹编安全帽的冲击韧性，并有效防止帽顶塌陷发生；在竹编安全帽中增设钢板，可进一步提升竹编安全帽的防护性能，并可有效防止撞击点塌陷发生。本文通过对竹安全帽编织工艺和产品性能的研究，为竹编安全帽的技术提升、标准制定和产品推广提供了依据，也为进一步研究分析奠定了基础。