New Energy Absorbing Materials and their Use in Personal Protective Equipment

I termini ‘Dispositivi di protezione individuale’ (DPI) indicano indumenti protettivi, caschi, occhiali di protezione o altri indumenti o attrezzature progettati per proteggere il corpo dell'utilizzatore da lesioni, in particolare i DPI sono utilizzati per dissipare l'energia dell'impatto in caso di incidenti. La maggior parte dei DPI dovrebbe superare determinati test standard prima di essere introdotta nel mercato. Inoltre, accanto alle prove di normativa, anche criteri di lesioni biomeccaniche possono essere utilizzati per confrontare diversi articoli di DPI in base alla tolleranza del corpo umano rispetto al carico esterno. I materiali che assorbono energia con maggiore capacità di dissipazione di energia possono migliorare la capacità di mitigazione degli infortuni degli articoli di DPI. Pertanto, questa tesi mira a studiare la possibilità di utilizzare nuovi materiali che assorbono energia per ottimizzare il livello di protezione dei DPI, in particolare per i motociclisti. Il metodo degli elementi finiti (FEM) è stato utilizzato principalmente per valutare la capacità di assorbimento di energia diversi materiali e strutture. Tuttavia anche test sperimentali sono stati effettuati, quando possibile, per la convalida dei modelli FE. È stato sviluppato un metodo computazionale per l'ottimizzazione parziale del guscio composito di un casco per ridurre la forza assiale indotta nel collo dall'impatto sulla testa. I risultati di questa ottimizzazione dimostrano che variando l'orientamento degli strati della mentoniera, mantenendo così la massa del casco inalterata, la forza assiale nel collo può essere ridotta di circa il 30%, mentre si assicura che il casco sia conforme ai requisiti di attenuazione dell'impatto prescritti negli standard del casco adottati in Europa. Inoltre, è stata studiata la possibilità di utilizzare strutture prodotte in modo additivo come imbottitura del casco. I risultati mostrano che l'utilizzo di un rivestimento reticolare gerarchico potrebbe ridurre significativamente il rischio di trauma cranico rispetto a un casco con tradizionale imbottitura in polistirolo, tanto che l’ imbottitura reticolare gerarchica potrebbe essere considerata come la nuova generazione di rivestimenti per l'assorbimento dell’energia in caschi avanzati. Inoltre, sono stati effettuati test sperimentali per studiare la fattibilità dell'uso di nuove fibre polimeriche per rendere i caschi più leggeri. I risultati di questi test mostrano che tali fibre polimeriche possono essere usate in congiunzione con fibre di carbonio per modellare i laminati ibridi per costruire caschi più leggeri. Infine, poiché non esiste una normativa standard per progettare e testare i dispositivi di protezione del collo, è stata studiata numericamente la risposta delle vertebre cervicali ad impatti sul casco in caso di uso di un dispositivo di protezione del collo (neck brace). I risultati di questo lavoro suggeriscono che l'uso di un collare progettato per limitare il movimento dell’insieme testa-collo potrebbe aumentare il carico indotto nel collo e quindi il rischio di lesioni cervicali. Si conclude che la progettazione di tali dispositivi richiede più indagini e la loro valutazione richiede l'introduzione di standard pertinenti.