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Les blessures liées aux sports dues à des accidents d’impact ont été identifiées comme un des problèmes majeurs de santé publique [1, 2]. Pour protéger les personnes contre les blessures sous impact, une large gamme d’équipements de protection a été développée incluant des matériaux de rembourrage pour absorber l’énergie d’impact. Un matériau de rembourrage dissipe l’énergie cinétique d’un impact tout en maintenant la charge maximale (ou l’accélération) au-dessous d’une certaine limite [3]. De cette façon, l’objet protégé n’aura pas à supporter un impact de haute énergie ou de forte charge ce qui se produirait si la masse avait un impact direct sur elle.
Ce type de matériau absorbant l’énergie est toujours intégré ou inséré dans des vêtements pour la protection ou dans des équipements de protection spécialement conçus pour protéger le corps humain contre les chocs, les coups ou les chutes [4 6]. Les parties du corps à protéger sont celles qui s’exposent aux plus grands risques d’impact en cas d’accident, notamment la tête, les épaules, les coudes, les avant-bras, les hanches, les genoux, la jambe et le tibia. Différents types de protecteurs d’impact ont été utilisés dans des sports traumatisants tels que la moto, le cyclisme, l’équitation, le ski, le skateboard, et le snowboard ; les sports de contact tels que le rugby, le hockey, le basketball, le football, le hand-ball, la lutte ainsi que d’autres sports tels que les arts martiaux [7, 8]. De nombreuse applications ont conduit à un besoin croissant de ce type de produit.
Les protecteurs d’impact employés sont généralement fabriqués en utilisant des mousses de polyuréthane (PU) [9]. Cependant, ces mousses présentent certains inconvénients majeurs en tant que matériaux d’amortissement. La perméabilité à l’air et la capacité de transmission d’humidité des mousses polymères, peuvent difficilement satisfaire aux exigences de confort de la plupart des vêtements de protection utilisés dans les sports et autres activités extrêmes où la transpiration est facilement générée et doit être transférée de la surface de la peau à l’extérieur du vêtement. Il a été constaté que, bien qu’une grande variété de protection contre l’impact soit disponible, et que la plupart des utilisateurs seront conscients de leur efficacité à prévenir les blessures, l’utilisation d’équipements de protection individuelle (EPI) est souvent rejetée par les utilisateurs [10].
Récemment, un non-tissé plissé 3D « Vertilap® », un textile tridimensionnel (3D), a été développé pour des applications d’isolation acoustique et thermique [11]. Il est constitué par de deux couches de non-tissé extérieures réunies une âme de base par un adhésif thermique .
Contrairement aux autres textiles 3D [12-14], les plis formés en 3D par le non-tissé, entre les deux couches (peaux) indépendantes sont la caractéristique structurelle la plus importante. Une combinaison d’une bonne compressibilité, d’un transfert de l’humidité élevé et d’une excellente capacité de thermorégulation rend ce type de structure plissée parfaitement appropriée pour les applications de protection du corps humain.
Des travaux ont déjà été menés pour étudier expérimentalement et théoriquement le comportement en compression statique de ces non-tissés plissés 3D. Il a été démontré que ces non-tissés peuvent être capables d’atteindre les propriétés attendues pour la protection contre les chocs ; c’est-à-dire que leurs relations de compression-déplacement globales peuvent être conçues afin d’avoir trois paramètres principaux, à savoir, l’élasticité, la compressibilité et la résilience, adaptés pour ce type d’application d’amortissement [3]. On constate, cependant, un manque d’études expérimentales systématiques sur les propriétés de compression en fonction de leurs paramètres structuraux. Aucune interprétation reconnue et aucun modèle théorique n’ont été donné pour permettre une compréhension raisonnable du mécanisme de déformation en compression pour ce type de produit. En outre, la relation charge-déplacement liée au comportement en compression statique obtenue et l’énergie absorbée calculée à faible taux de déformation ne peuvent pas être utilisées comme références pour optimiser les performances d’amortissement du non-tissé plissé 3D choisi. En effet, la masse d’impact subit une période de décélération, qui est déterminée par l’énergie d’impact prédéfinie et le comportement en compression du non-tissé 3D en fonction de la vitesse de déformation [15, 16]. Lors d’un processus d’impact, la décélération maximale est liée à la force maximale de contact et à la force maximale transmise [17]. Pour le corps humain, en terme de protection, la force transmise à la partie du corps à partir de la force de contact ne doit pas dépasser la tolérance qui pourrait provoquer des lésions tissulaires ou osseuses. En d’autres termes, la force de contact et la force transmise ne sont pas identiques lors de l’impact. Ceci est tout à fait différent d’un test de compression statique à vitesse constante et à basse vitesse ou seule une force de contact statique peut être mesurée. À cet égard, la relation dynamique force déplacement et la force maximale transmise par le non-tissé 3D « Vertilap® » pendant un processus d’impact d’énergie et de vitesse spécifiées sont les deux facteurs clés à prendre en compte lorsque le non-tissé 3D en question est conçu pour protéger une partie particulière du corps humain. Par conséquent, pour comprendre le comportement exact des non-tissé 3D « Vertilap® » et évaluer sa capacité d’absorption d’énergie, des tests d’impact réels sont requis. A ce jour, aucune étude ne porte sur le comportement à l’impact et la capacité d’absorption d’énergie du non-tissé 3D « Vertilap® ».
La fabrication de textiles est un métier très ancien, ayant une histoire suivant l’histoire de l’humanité. Les produits textiles jouent un rôle essentiel pour répondre aux besoins fondamentaux de l’homme. Les textiles sont également importants dans tous les aspects de nos vies, de la naissance à la mort. En plus de fournir une protection contre les éléments, les premiers textiles ont été utilisés comme décoration, fournissant un statut pour leur propriétaire. Ils servaient aussi d’outils, de sacs de transport et de stockage de la nourriture. Les fibres synthétiques ont ouvert de nouveaux domaines d’application pour les textiles. Les fibres synthétiques, selon leur composition, offrent entre outres une résistance, une élasticité, une résistance chimique, une résistance à la flamme et une résistance à l’abrasion élevées. De nouvelles techniques de fabrication ont également contribué à l’amélioration des performances et de la durée de vie des textiles techniques. L’utilisation des textiles dans les textiles techniques a donné une impulsion supplémentaire à la technologie et à la comparaison des fibres. Les textiles techniques ont répondu aux différents défis créés par le progrès de la société et par les besoins toujours croissants de l’humanité, en ce début du 21ème siècle.
Les non-tissés sont des matériaux fabriqués à partir d’un ensemble de fibres désordonnées consolidées par des liaisons thermiques, mécaniques ou chimiques. Leur rigidité et leur résistance sont limitées, par rapport aux étoffes tissées, mais présentent une ductilité remarquable et des capacités d’absorption d’énergie. De nos jours, des fibres de haute performance sont utilisées pour fabriquer des non-tissés pour la protection balistique, l’isolation et le renforcement du sol, etc.
De plus, de nouveaux matériaux basés sur ce concept sont apparus récemment en raison de leur analogie structurale avec les tissus biologiques. Les étoffes non-tissés présentent des déformations et des défaillances beaucoup plus complexes que les étoffes tridimensionnelles, ceci est due à des micro-mécanismes résultant de l’agencement aléatoires des fibres et enchevêtrées et de la modification de la topologie du réseau fibreux due à la rupture progressive des liaisons interfibres.
La mécanique des non-tissés est dictée par l’interaction d’un certain nombre de micro mécanismes, comprenant le dépôt des fibres, la rupture des liaisons et leur réorientation et le glissement et les éventuelles ruptures des fibres. La séquence d’activation de ces processus et l’interaction complexe entre eux au niveau microscopique dépendent de la configuration initiale du réseau fibreux et de la nature des liaisons interfibres.
Dans tous les cas, la rupture de la fibre est le premier mécanisme d’endommagement, qui se produit à des tensions très basses et se propage rapidement.
Le procédé Vertilap® consiste à napper verticalement un voile de carde, une nappe de filaments continus ou une bande non-tissé. Les produits obtenus se caractérisent par leurs faibles densités, une bonne résilience, une élasticité immédiate, des propriétés isolantes à la fois thermiques qu’acoustiques et de bonnes propriétés de confort, grâce notamment aux échanges d’air et d’eau qu’ils autorisent. Leur conception mono-composant les rend faciles à recycler. Les produits Vertilap® peuvent avantageusement remplacer, dans certaines applications, des non-tissés aiguilletés, ou thermoliés, ou des mousses.
Le développement d’un non tissé 3D Vertilap® pour la protection des personnes à des impacts à faible vitesse est un travail de recherche entre LPMT et la société N. Schlumberger qui souhaite faire des avancées sur cet axe et ouvrir les applications nouvelles pour ce nouveau produit.
L’utilisation d’un nouveau produit non-tissé 3D comme matériau d’amortissement insérable dans des vêtements et les équipements de protection contre le choc doit répondre à plusieurs exigences. La première consiste à avoir la capacité à absorber l’énergie et à atténuer la force de l’impact. La seconde est de proposer des propriétés de confort au porter pour l’utilisateur. Cette notion de confort passe bien évidement par une capacité de déformabilité de transfert de chaleur et d’humidité grâce à une bonne respirabilité.
Le Vertilap® se compose de plusieurs couches de non-tissé 3D, en polyester par exemple, maintenues ensemble. Les caractéristiques du produit Vertilap® peuvent varier principalement en raison du type de matériau et du nombre de plis ainsi que l’épaisseur du support et la colle d’adhésion utilisée pour lier les matériaux. Typiquement, le Vertilap® pourra être placé dans des poches préalablement conçues dans les vêtements pour protéger les principaux organes du corps.
CHAPITRE 1 : INTRODUCTION |
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