Tvrdší a bezpečnější cyklistické přilby s použitím nového plastového materiálu
Podle zprávy Světové zdravotnické organizace z roku 2020 je více než 60 procent hlášených úmrtí a dlouhodobých zdravotních postižení způsobených jízdními koly důsledkem úrazů s úrazy hlavy.
Vědci z Nanyang Technological University, Singapur (NTU Singapur), ve spolupráci s francouzským výrobcem speciálních materiálů Arkemou, vyvinuli tvrdší a bezpečnější cyklistickou helmu s použitím kombinace materiálů. Nový prototyp přilby má vyšší absorpci energie, snižuje množství energie přenesené do hlavy cyklisty v případě nehody a snižuje pravděpodobnost vážného zranění.
Tým vedený docentem Leong Kah Faiem ze Školy strojního a leteckého inženýrství vytvořil tým složený z výzkumných pracovníků Dr. Bhudolia Somen Kumar, výzkumné spolupracovnice Goram Gohel a studentky MSc Elisetty Shanmuga, která složila helmu s vnějším pláštěm vyrobeným převážně z nového typu akrylové termoplastické pryskyřice, vyztužené uhlíkovými vlákny.
Nová termoplastická pryskyřice s názvem Elium byla vyvinuta společností Arkema, jedním z průmyslových partnerů NTU. „Naše partnerství se společností Arkema je poháněno touhou vyvinout nový typ přilby, která je silnější a bezpečnější pro cyklisty,“ uvedl doc. Leong. „Přilby se opakovaně prokázaly, že hrají zásadní roli při snižování závažnosti zranění a počtu smrtelných úrazů. Naše prototypová přilba byla podrobena přívalu mezinárodně srovnávaných testů a prokázala schopnost poskytnout větší ochranu cyklistům ve srovnání s běžnou přilbou. “
Zjištění výzkumného týmu byla zveřejněna v recenzovaném časopise Composites Part B: Engineering v květnu.
Tvrdší a tužší vnější skořepina absorbuje více energie
Cyklistické přilby se skládají ze dvou komponent. První je vnější plášť, obvykle vyrobený z hromadně vyráběného plastu, jako je polykarbonát. Pod ním je vrstva pěny z expandovaného polystyrenu.
Vnější skořepina je navržena tak, aby při nárazu praskla, aby se rozptýlila energie po celém povrchu přilby. Pěnová vrstva poté stlačuje a absorbuje většinu nárazové energie, takže se do hlavy přenáší méně energie. Kompozitní helma týmu nahrazuje konvenční polykarbonátovou vnější skořepinu pomocí Elia vyztuženého uhlíkovými vlákny.
Díky této výztuze je vnější plášť odolnější, tužší a méně křehký než polykarbonátový plášť. Rovněž zvyšuje dobu kontaktu helmy, což je celková doba nárazu, během které helma zažívá nárazové zatížení.
Tyto vlastnosti umožňují vnějšímu plášti absorbovat více energie nárazu po delší dobu a zároveň jej rovnoměrně rozptýlit po celé přilbě. To má za následek menší celkovou sílu zasahující do hlavy, čímž se snižuje šance na kritické zranění.
„Když přilba narazí na povrch vysokou rychlostí, všimli jsme si, že dochází k deformaci spolu s poruchou roztažení kompozitního pláště, což znamená, že vnější plášť bere více zátěže a absorbuje více energie,“ řekl Dr. Somen. „To je to, co opravdu chcete – čím více nárazu absorbuje skořápka, tím méně z ní se dostane do pěny, a tím dojde k menšímu celkovému nárazu do hlavy. Zjistili jsme, že u stávajících polykarbonátových přileb je asi 75 procent energie absorbována pěnou. To není ideální, protože pěna je v přímém kontaktu s lidskou hlavou. “
Naproti tomu složená skořepina helmy týmu absorbovala více než 50 procent energie nárazu, takže pěna absorbovala mnohem méně energie, zhruba 35 procent.
Bezpečnost kovaná na kovadlinách NTU
Vědci testovali přilby tak, že je sjížděli vysokou rychlostí na třech různých typech překážek - plochých, polokulovitých (zaoblených) a obrubníkových (ve tvaru pyramidy) - aby simulovali různé podmínky na silnici.
Jedná se o stejné testy, jaké se používají pro certifikaci podle normy US Consumer Product Safety Commission (CPSC 1203), což je mezinárodně uznávaný bezpečnostní standard pro přilby. Prototyp helmy týmu splňuje všechny směrnice CPSC 1203.
Vědci věnovali zvláštní pozornost špičkovým zrychlovacím silám, což je měřítko toho, kolik síly helma zabírá, na základě toho, jak rychle se pohybuje v místě nárazu. Helma musí mít špičkové zrychlení menší než 300 G (síla g), aby byla považována za vhodnou pro použití podle CPSC 1203, přičemž nižší hodnoty síly g jsou bezpečnější.
Ve dvou testech s plochou překážkou přinesly přilby výzkumníků srovnatelné výsledky 194,7G a 197,2G oproti kontrolním 195,4G a 198,2G.
Testy na polokulovitých a obrubníkových překážkách však ukázaly podstatná vylepšení kompozitní helmy oproti polykarbonátové. Při dvou hemisférických testech zaznamenala kompozitní přilba 100,9 G a 103,1 G, zatímco kontrolní přilba měla mnohem vyšší špičkové zrychlení 173 G a 178,7 G.
Analýza výsledků testu ukázala, že kompozitní přilba by mohla ve srovnání s polykarbonátovou přilbou potenciálně snížit míru kritického a smrtelného zranění z 28,7 procenta na 6 procent a z 16,7 procenta a 3 procenta.
Přestože špičkové zrychlení bylo u obou typů přileb zhruba stejné, tvrdší vnější plášť složené přilby vedl k delšímu trvání zrychlení během nárazu. To umožňuje vnějšímu plášti absorbovat více energie, což znamená nižší šanci na kritická a smrtelná zranění.
Efektivnější výroba by mohla vést k levnějším a tvrdším přilbám
Prototyp přilby se také vyrábí snadněji než běžná přilba. Použití Elia, místo jiných konvenčních termoplastů, zjednodušuje proces výroby kompozitní helmy.
Elium je kapalné při teplotě okolí, což umožňuje jeho lisování při pokojové teplotě, na rozdíl od jiných kompozitních skořepin na bázi termoplastů, které vyžadují zpracování při vyšší teplotě.
Vědci NTU spolupracují se společností Arkema na komercializaci výrobního procesu helmy, což by výrobcům, kteří mají zájem, umožnilo jejich výrobu. Docent Leong říká, že přilby vyrobené jejich metodou nabízejí stejnou ochranu jako současné přilby nejvyšší úrovně, ale potenciálně za cenu přilby střední třídy (100–150 USD).
Vědci v současné době pracují na vývoji kompozitních přileb vyrobených z Elia a polypropylenové tkaniny, což je další typ termoplastu. To má překonat jeden současný kompromis, který spočívá v tom, že přilba váží asi o 20 procent více než polykarbonátové přilby.
Přilby vyrobené z Elia a polypropylenové tkaniny mohou být stejně lehké jako polykarbonátové, ale nabízejí lepší ochranu.
