New Energy Absorbing Materials and their Use in Personal Protective Equipment

Personal Protective Equipment (PPE) indicates protective clothing, helmets, goggles, or other garments or equipment designed to protect the wearer's body from injury, in particular they are used to dissipate the energy of the impact in case of accidents. Most of PPE items should pass certain standard criteria before being introduced into the market. Moreover, beside standards, biomechanical injury criteria can be used to compare different PPE items according to the human body tolerance against external loading. Energy absorbing materials with higher capacity of energy dissipation can improve the injury mitigation capability of PPE items. Therefore, this thesis aims at studying the possibility of using new energy absorbing materials to optimize the protection level of protective devices, especially for motorcycle riders. The Finite Element Method (FEM) was mainly used to assess and compare the energy absorption capability of different materials and structures. However, experimental tests were carried out whenever possible for validation of FE models. A computational method has been developed for partial optimization of the composite-shell of an helmet to mitigate the induced neck axial force due to the facial impact. The results of this optimization show that by varying the orientation of the chin bar plies, thus keeping the helmet mass constant, the neck axial force can be reduced by approximately 30% while ensuring that the helmet complies with the impact attenuation requirements prescribed in helmet standards adopted in Europe. Moreover, the possibility of using addictively manufactured structures as the helmet liner has been studied. The results show that using a hierarchical lattice liner could reduce the risk of head injury significantly by comparison to a helmet with EPS liner and could potentially be considered as the new generation of energy absorbing liners for advanced helmets. Furthermore, experimental tests were carried out to study the feasibility of using new polymeric fibres to make helmets lighter. The results of these tests show that such polymeric fibres may be used in conjunction with carbon fibres to mold hybrid laminates to build lighter helmets. Finally, since there is no standard to design and test neck protective devices, the response of cervical vertebrae to direct impacts to the helmets in case of using such a device was studied numerically. The findings of this work show that using a neck brace designed to restrain the head-neck motion might increase the induced load in the neck and therefore the risk of cervical injuries, therefore the design of such devices needs more investigations and their assessment requires the introduction of the relevant standards.

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.