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冰面行走再也不会滑倒:科学家研发出防滑橡胶   

2015-04-01 12:21:40|  分类: 默认分类 |  标签: |举报 |字号 订阅

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拿大科学家研发了一种价廉有效的方法将玻璃纤维埋入弹力橡胶中,该新型材料可用来制成冬天的防滑鞋

  


防滑鞋模型:这种冬季防滑鞋的鞋底是由内嵌成千上万的玻璃纤维丝的橡胶塑料制成,纤维丝暴露于橡胶表面就像一颗颗微小的钉子可以攫住冰面。

图片来源:Reza Rizvi, Yue Li, and Sharon Ravindran/ 多伦多康复所

 

 
 可倾斜的实验设备-复合图:研究组测试该复合材料制成的防滑鞋,让实验志愿者穿上鞋子行走在冰面覆盖的倾斜地板上。该倾斜地板是 “Winterlab/冬季实验室” (左图)的一部分,那是一个独立可倾斜的实验空间,是多伦多康复所挑战环境测试评估实验室的一部分 。
图片来源:Reza Rizvi, Yue Li, and Sharon Ravindran/ 多伦多康复所 

 

2015年3月17日华盛顿—在今年的二月,暴风雪在美国东海岸和其他地区创下纪录,所到之处使公路,人行道冰雪覆盖,隐患重重。最近加拿大科学家研发了一些新方法可用来大规模生产防滑材料,这种材料有助于行人在雪后的冰面安全步行。

 

该材料是由玻璃纤维埋入柔韧的弹力橡胶中制成,有望在将来的某天用来制作冬季防滑鞋底。 研究者们将制作过程发表在美国物理联合会出版的《应用物理快报》中。

 

研究者们在一个新型封闭实验室中测试了该材料。实验室的地板被覆盖上冰雪,整个实验室可被吊起在空中,倾斜成一定角度,实验志愿者穿上用这种材料制成的鞋子在地板上行走,研究者们将实验室的角度不断倾斜直到志愿者的鞋子开始打滑。(该实验室配有气垫墙和安全带用以避免可能出现的危险跌倒和受伤)。

 

“我想每个曾在冬天冰面上跌倒过的人都会知道那是一种怎样痛苦的体验,” 多伦多康复所的博士后研究员Reza Rizvi这样说,他一直在研发能够在冰面上更好防滑的材料。“想想看因为滑倒而造成的骨折或者残疾—这些都是冰面覆盖的人行道和马路上所存在的隐患,这样的跌跤有可能改变人的一生。尤其对于老年人来说, 在冰面滑倒所造成的髋骨折可以是致命的。”

 

该研究团队的领导者多伦多康复所的Tilak Dutta 指出滑倒也只是危害之一。“同样严重的危害是,许多老年人因为害怕冬天跌倒而选择长时间呆在室内。缺乏运动和封闭会对健康产生更大的危害。因此我们需要给老年人研制一种更好的防滑鞋,好让他们在冬天可以放心外出,保证正常的活动频率。”

 

冰面是非常危险的,Rizvi说,当温度接近零摄氏度时,冰表面的液态水会很容易形成一种薄滑层。而高花纹底的鞋子可以穿过冰表面的薄滑层攫住固态的冰,从而使鞋子具有更好的防滑能力,Rizvi说。但花纹底也存在一定的危险性,比如当鞋子的纹路卡在冰里无法拔出。 另外,高花纹底的鞋子在坚硬潮湿的大理石或者瓷砖表面是很易滑的,因此需要研发一种更好的材料用来制作冬季的防滑鞋,研究人员说。

 

把橡胶转化成砂纸

Rizvi和他的同事,包括来自多伦多大学智能材料与适应性系统实验室的Hani Naguib,共同研究出了一种方法,生产出的橡胶可以微观地“攫住”冰面。

 

该材料是由一种叫做热塑性聚氨酯的橡胶塑料制成,成千上万的玻璃纤维被埋入其中伸展到橡胶外如一个个微小的钉子,使橡胶有如细砂纸般的感觉。

 

该材料看似普通的橡胶,亦可拉伸变形,Rizvi说。在干燥的表面,如大铺地砖上,该材料的功能如普通橡胶一样。但是在冰面上,这种混合了玻璃纤维的橡胶则展示出明显优于普通橡胶的防滑能力。

 

“据观察,这种复合材料的摩擦系数可用来减少人行道的滑倒事件,”Rizvi说。“将这种材料用于我们的日常生活可减少冬季因滑倒而造成的受伤。”

 

现有的制作这种材料的方法是将玻璃纤维平行地挤压进橡胶板,然后重新切割定向使得玻璃纤维暴露出橡胶表面如同针垫上的突出的针。

 

“制作这种高摩擦系数的混合材料并不昂贵,但是切割和重新定向的过程不是那么容易扩展的,”Rizvi说。研究组已经找到一种使生产过程自动化的方法以便大规模价廉地生产这种材料。

 

研究组强调下一步的研究工作将在于进一步提高材料的耐磨性。他们的测试表明该材料的防滑性能会随着使用次数的增加而损耗,因此还不适用于商业化制作鞋类,它的耐用性需要提高。

 

“我很开心我们的研究能够解决冬季里安全的一个重要社会问题,”Rizvi说。

 

“这项工作有潜力对由冬季跌滑而引起的大量昂贵的公共健康问题产生真正有意义的影响,也会显著提高居住在北方寒冷气候中居民的生活质量。”Dutta补充道。

 

英文原文:High Friction on Ice Provided by Elastomeric Fiber Composites with Textured Surfaces,作者:R. Rizvi, H. Naguib, G. Fernie and T. Dutta,该文章于2015年3月17日发表在《应用物理快报》(DOI: 10.1063/1.4894439)。点击链接,阅读原文:http://scitation.aip.org/content/aip/journal/apl/106/11/10.1063/1.4913676

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