TPEE材料力學(xué)性能及其對(duì)床墊體壓分布的影響

房嬌嬌，申黎明*，陳浩

(1.南京林業(yè)大學(xué)家居與工業(yè)設(shè)計(jì)學(xué)院，南京 210037；2.無(wú)錫科逸新材料有限公司，江蘇 無(wú)錫 214000)

睡眠質(zhì)量受到人、床、睡眠環(huán)境等多種因素影響，其中人與床墊的接觸界面上，床墊力學(xué)性能與人體重力間的相互作用力，即人-床界面壓力對(duì)睡眠質(zhì)量產(chǎn)生較大影響。除亞健康群體外，睡眠中健康群體的頻繁翻身、睡醒后身體不適感的外在因素多為人體部位長(zhǎng)時(shí)間承載過(guò)大壓力而導(dǎo)致酸痛等局部性損傷[1]。因此，合理的人-床界面壓力是衡量床墊性能優(yōu)劣的重要指標(biāo)[2]。

人體特征參量是決定人-床界面壓力的首要因素，不同年齡、性別、體型及臥姿均會(huì)引起界面壓力的差異[3]。為優(yōu)化床墊結(jié)構(gòu)，Esquirol等[4]與Chen等[5]根據(jù)身體周長(zhǎng)及形狀建立了不同體型的人體模型。K?llman等[6]發(fā)現(xiàn)與其他臥姿相比，0°仰臥和90°側(cè)臥時(shí)產(chǎn)生較大的界面壓力。同時(shí)，人體各部位的界面壓力也不同，4.27 kPa毛細(xì)血管壓力是發(fā)生壓力性潰瘍的閾值[7]，人體枕骨、肩胛骨、臀部、腳跟等骨突部位最易出現(xiàn)壓力損傷。Singh等[8]設(shè)計(jì)的壓力再分配床墊有效改善了重癥嬰兒枕骨部位的壓力損傷。因此，為提高人-床界面的舒適性，應(yīng)依據(jù)某一群體的特征參量進(jìn)行床墊設(shè)計(jì)。

此外，床墊材料也是影響人-床界面壓力的重要因素。海綿類(lèi)泡沫墊是使用最廣泛的墊層減壓材料[9]。Low等[10]與Wu等[11]研究表明，與海綿及棕櫚相比，乳膠墊較好的回彈性能實(shí)現(xiàn)均勻的體壓分布。熱塑性聚酯彈性體是3D網(wǎng)狀纖維結(jié)構(gòu)材料，具有較好的彈性和透氣性。Nagamachi等[12]通過(guò)測(cè)試界面壓力、血流量及主觀評(píng)價(jià)，結(jié)合追蹤調(diào)研得出該聚酯纖維床墊界面壓力適中，且利于人體翻身及血液流通。同時(shí)該材料用作輪椅坐墊及床墊也能有效避免病患出現(xiàn)壓力損傷[13-14]。上述研究集中于此材料與存在壓瘡風(fēng)險(xiǎn)的患者間的匹配性，以評(píng)估人體生理指標(biāo)的健康性，尚未探究該材料力學(xué)性能及其對(duì)健康群體的適用性。而作為床墊材料，其組合后的彈性及硬度綜合決定床墊的減壓性能，針對(duì)人體部位及臥姿，該纖維材料的壓力分散性還需進(jìn)一步探究。

本課題以熱塑性聚酯彈性體(thermoplastic polyester elastomer，TPEE)為研究對(duì)象，將TPEE用于床墊墊層，并以普通海綿為對(duì)照組，通過(guò)材料力學(xué)測(cè)試及人-床界面體壓分布的實(shí)驗(yàn)，對(duì)比分析TPEE材料和普通海綿的力學(xué)性能，并探究TPEE不同密度、人體各部位及臥姿對(duì)人-床界面減壓性能的影響，以此綜合評(píng)估TPEE材料用于床墊的可行性，從而為床墊結(jié)構(gòu)的創(chuàng)新設(shè)計(jì)提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 受試者

共有8名女性和8名男性參與實(shí)驗(yàn)，均為在校研究生，具體信息見(jiàn)表1。這16名參與者均無(wú)肩背部疼痛史或肌肉損傷，骨骼生長(zhǎng)正常。實(shí)驗(yàn)前，讓受試者了解實(shí)驗(yàn)內(nèi)容及臥姿等注意事項(xiàng)，指導(dǎo)受試者正確進(jìn)行測(cè)試。

表1 受試者的人體測(cè)量數(shù)據(jù)Table 1 Anthropometric data of the participants

1.2 床墊材料

選取3種密度的TPEE用于床墊墊層，參照行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)QB/T 1952.2—2011《軟體家具 彈簧軟床墊》，搭配袋裝彈簧芯及普通海綿，共配置出4款實(shí)驗(yàn)床墊，其剖面圖如圖1所示，所用材料的基本參數(shù)見(jiàn)表2。

圖1 TPEE作鋪墊層的床墊結(jié)構(gòu)Fig. 1 Mattress configuration of different TPEE bedding layers

表2 材料的基本參數(shù)Table 2 Basic parameters of materials

1.3 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

1.3.1 材料的準(zhǔn)靜態(tài)力學(xué)性能試驗(yàn)

依據(jù)國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)ISO 2439: 2008“Flexible cellular polymeric materials-Determination of hardness (indentation technique)”，使用萬(wàn)能力學(xué)試驗(yàn)機(jī)(AGS-X20KN型，日本島津公司)對(duì)材料進(jìn)行壓縮。壓頭直徑100 mm，加載速度5 mm/min，最大壓縮率為80%。材料的壓陷硬度為壓縮應(yīng)變?yōu)?0%時(shí)的壓力值。當(dāng)材料在準(zhǔn)靜態(tài)壓縮時(shí)，采用以下公式[15]計(jì)算材料吸收的能量W和材料的吸能效率E，以評(píng)估材料的吸能性能。

(1)

(2)

式中：εm為任意應(yīng)變；σ(ε)為對(duì)應(yīng)應(yīng)力；吸能效率E為材料所吸收的能量與對(duì)應(yīng)應(yīng)力的比值。

1.3.2 人-床界面的體壓分布測(cè)試

人-床界面壓力采用Tekscan公司的體壓分布測(cè)量系統(tǒng)(body pressure measure system, BPMS, BCE5530-2型)測(cè)量，采樣率為8次/s，測(cè)試壓力為0～34.5 kPa。測(cè)試前依據(jù)被試身高、體質(zhì)量校準(zhǔn)體壓墊，實(shí)驗(yàn)期間提供被試棉質(zhì)睡衣以營(yíng)造舒適的測(cè)試環(huán)境。

選取0°仰臥和90°右側(cè)臥進(jìn)行實(shí)驗(yàn)[6]。為確保讀數(shù)準(zhǔn)確性，要求受試者在規(guī)定臥姿下靜躺3 min后記錄數(shù)據(jù)，記錄時(shí)間為2 min。每張床墊2個(gè)姿勢(shì)為一組，每2組實(shí)驗(yàn)的間隔為5 min。此外，為避免影響肩頸部的壓力分布，排除個(gè)體與枕頭間匹配的差異性，試驗(yàn)中均不使用枕頭。

為評(píng)估TPEE位于墊層時(shí)床墊的減壓性能，提取人體頭部、肩胛-背部、臀部、腿部和腳跟5個(gè)部位在2種臥姿下的最大壓力，結(jié)合對(duì)照組床墊，采用公式(3)計(jì)算人體各部位的減壓百分比：

(3)

式中：R為人體各部位的減壓百分比，%；PCmax為對(duì)照組床墊上人體各部位最大壓力的均值，kPa；PTmax為實(shí)驗(yàn)組床墊上人體各部位最大壓力的均值，kPa。

2 結(jié)果與分析

2.1 墊層材料的力學(xué)性能

材料的應(yīng)力-應(yīng)變曲線如圖2所示，TPEE與普通海綿均符合多孔材料的3個(gè)階段，即彈性階段、塑性加強(qiáng)階段和致密緊實(shí)階段。彈性階段應(yīng)變較小，塑性加強(qiáng)階段的應(yīng)力波動(dòng)較小而應(yīng)變變化較大，致密緊實(shí)階段的應(yīng)力隨應(yīng)變的增加而急劇增高。由圖可知，當(dāng)0<ε<0.492時(shí)，普通海綿所需加載的力值較大；當(dāng)ε>0.492，TPEE65能承載更大的應(yīng)力；且同等應(yīng)變下，普通海綿的應(yīng)力始終高于TPEE45。此外，隨TPEE密度增加，塑性加強(qiáng)階段的應(yīng)力波動(dòng)更大、上升速度加快，且致密點(diǎn)的位置越不明顯，這與普通海綿較長(zhǎng)的塑性階段形成鮮明對(duì)比。

TPEE45、TPEE55、TPEE65分別表示墊層TPEE的密度為45，55，65 kg/m3。下同。圖2 墊層材料的應(yīng)力-應(yīng)變曲線Fig. 2 Stress-strain curves of cushion material

墊層材料力學(xué)性能的測(cè)試結(jié)果見(jiàn)表3。隨TPEE密度的增加，材料的屈服強(qiáng)度和壓陷硬度逐漸增大，TPEE45的屈服強(qiáng)度和壓陷硬度最小，分別為2.01 kPa和20.01 N。彈性模量則不呈規(guī)律變化，TPEE55彈性模量最大為22.33 kPa。這是因?yàn)門(mén)PEE材料是由條狀細(xì)絲縱橫交錯(cuò)式無(wú)序排列而成，如圖3所示。材料表面的孔隙不同，正視圖上孔隙較小，最大橢圓孔隙的長(zhǎng)軸為10.1 mm；俯視圖上孔隙較多且尺寸較大，其中橢圓孔隙的長(zhǎng)軸最大為26.56 mm。同時(shí)不同截面上材料的孔隙大小及分布也不同，導(dǎo)致材料密度分布的不均勻，因此壓縮過(guò)程中不同應(yīng)變時(shí)的應(yīng)力存在差異，易造成TPEE材料在不同密度下彈性階段的劃分不一致，彈性模量隨密度變化無(wú)明顯規(guī)律。此外，TPEE的三類(lèi)測(cè)試數(shù)值均小于普通海綿。可見(jiàn)，該密度范圍內(nèi)TPEE的硬度相對(duì)較小，用于墊層利于增加人-床界面的接觸面積、降低界面壓力。

表3 材料力學(xué)性能的測(cè)試結(jié)果Table 3 Results of compressive properties of materials

圖3 TPEE材料的表面孔隙Fig. 3 Surface porosity diagram of TPEE material

材料準(zhǔn)靜態(tài)壓縮時(shí)，主要通過(guò)前2個(gè)階段的變形來(lái)吸能，其吸能-應(yīng)力曲線如圖4a所示。隨著應(yīng)力的增加，材料吸收的能量逐漸增大。當(dāng)0<σ≤6.71 kPa及σ>22.92 kPa時(shí)，TPEE能吸收更多的能量；當(dāng)6.71 kPa<σ≤22.92 kPa時(shí)，普通海綿的吸能高于TPEE。隨TPEE密度的增大，當(dāng)0<σ≤2.01 kPa時(shí)，其吸收的能量先減小后增大；當(dāng)2.01 kPa<σ≤6.43 kPa時(shí)，其吸收能量逐漸降低；當(dāng)6.43 kPa<σ≤21.4 kPa時(shí)，其吸能先增大后減??；當(dāng)σ>21.4 kPa時(shí)，其吸能性能逐漸增大。材料吸收能量的不同與其變形機(jī)制相關(guān)，當(dāng)TPEE被壓縮時(shí)，在同等應(yīng)力下，材料的應(yīng)變?cè)叫?，即其能承受的載荷越大，則材料吸收的能量越多。由于TPEE的質(zhì)地不均勻，不同應(yīng)力作用時(shí)3種密度材料的應(yīng)變不呈規(guī)律變化，因而吸能性能在不同應(yīng)力下存在較大差異。

圖4b為材料的吸能效率曲線。隨應(yīng)力的增大，材料的吸能效率均呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢(shì)。同等應(yīng)力下，普通海綿及TPEE不同密度的吸能效率的變化規(guī)律與其吸收的能量相一致。當(dāng)吸能效率最大時(shí)，表明材料在該應(yīng)力處的吸能能力最好。當(dāng)應(yīng)力為9.16 kPa時(shí)，普通海綿的吸能效率最高為43.21%。TPEE 3種密度(45，55，65 kg/m3)吸能能力最佳時(shí)的應(yīng)力分別為5.16，7.99和9.7 kPa；隨TPEE密度的增大，其最大吸能效率逐漸降低，TPEE45吸能效率最高為30%?？梢?jiàn)，材料的吸能效率也隨應(yīng)力的變化而不同，TPEE 3種密度間的吸能效率也存在顯著差異(P<0.05)。因此應(yīng)針對(duì)不同應(yīng)力限值，選擇具有最優(yōu)吸能性能的TPEE材料及其參數(shù)。

圖4 墊層材料的緩沖吸能特性Fig. 4 Energy absorption characteristics of cushion material

2.2 人-床界面的體壓分布

不同床墊上，人體頭部、肩胛-背部、臀部、腿部和腳跟的最大壓力的均值如圖5所示。由圖可知，2種臥姿下，ST床墊上人體各部位最大壓力均低于SP床墊，如側(cè)臥時(shí)，頭部在ST床墊上的最大壓力分別為3.93，4.37及4.16 kPa，而SP床墊上為5.47 kPa，分別減少了27.86%，19.89%和23.7%?？梢?jiàn)，TPEE墊層的使用能降低界面最大壓力。

注：SP為對(duì)照組，支撐層袋裝彈簧芯+墊層普通海綿；ST為實(shí)驗(yàn)組，支撐層袋裝彈簧芯+墊層TPEE，其中TPEE45、TPEE55、TPEE65分別表示墊層TPEE的密度為45，55，65 kg/m3。圖中數(shù)據(jù)為平均數(shù)±標(biāo)準(zhǔn)偏差，n=16。下同。圖5 人體各部位在不同墊層床墊上的最大壓力Fig. 5 Average of maximum interface pressures at various positions

此外，側(cè)臥時(shí)人體頭部、肩胛-背部及臀部最大壓力均大于仰臥，而腿部和腳跟最大壓力在仰臥時(shí)較大，如墊層TPEE55上，肩胛-背部側(cè)臥最大壓力為5.02 kPa，比仰臥增加了37.91%，而仰臥時(shí)腿部最大壓力比側(cè)臥增加11.85%。這是由于人體側(cè)面頭部-臀部間的體表面積較小、下肢體表面積較大，背面則相反。因此，側(cè)臥時(shí)頭部、肩胛-背部和臀部與床墊接觸面積較小，其壓力較大；而下肢與床墊接觸面積較大，使其壓力小于仰臥。同時(shí)，側(cè)臥時(shí)，人體支撐點(diǎn)位于肩部肱骨頂端及臀部髂骨，肩部三角肌和臀部髂腰肌是維持側(cè)臥穩(wěn)定的力量來(lái)源，人體趨向于將重心上移而使下肢受力較??；但仰臥時(shí)人體支撐點(diǎn)集中于臀部髖關(guān)節(jié)，重心下移且由髖骨連接股骨共同受力，下肢受力較大。

2.3 TPEE床墊的減壓性能

2.3.1 TPEE密度對(duì)減壓百分比的影響

在3種不同密度的TPEE墊層上，人體各部位減壓百分比如表4所示。隨TPEE密度的增加，除側(cè)臥時(shí)臀部減壓百分比逐漸降低外，其余部位在2種臥姿下的減壓百分比均呈現(xiàn)先減小后增大的變化。墊層TPEE45上人體各部位減壓百分比最大，TPEE65次之，TPEE55最小，如側(cè)臥時(shí)，頭部減壓百分比由墊層TPEE45上的27.86%減小到TPEE55上的19.89%，而后增加到TPEE65上的23.70%。

表4 不同密度的TPEE墊層與界面減壓百分比的方差分析Table 4 Analysis of variance results of the effect of TPEE density on interface pressure reduction

受TPEE密度的影響，2種臥姿及不同部位時(shí)，3種墊層間的減壓百分比均存在顯著差異(P<0.05)，尤其在墊層TPEE45上，人體各部位減壓百分比顯著高于另2種墊層(P<0.05)。側(cè)臥時(shí)，肩胛-背部、臀部及腿部的減壓百分比在墊層TPEE55與TPEE65間的差異均不顯著(P>0.05)。仰臥時(shí)臀部減壓百分比在TPEE45與TPEE65間無(wú)顯著差異(P>0.05)，其余部位減壓百分比在每2種密度的TPEE墊層間均存在顯著差異(P<0.05)?？梢?jiàn)，TPEE墊層的不同密度可明顯改變?nèi)?床界面的減壓百分比，且當(dāng)TPEE密度為45 kg/m3時(shí)，床墊的減壓性能最好。

2.3.2 人體不同部位對(duì)減壓百分比的影響

人體各部位人-床界面的減壓百分比如表5所示。側(cè)臥時(shí)，除墊層TPEE55上臀部減壓百分比較大，其余墊層上人體各部位減壓百分比均為肩胛-背部>臀部>腳跟>頭部>腿部。仰臥時(shí)，TPEE墊層上各部位減壓百分比均為肩胛-背部>臀部>頭部>腳跟>腿部。可見(jiàn)，TPEE墊層更利于緩解肩胛-背部和臀部的最大壓力，其減壓百分比均在25%以上。其中墊層TPEE45上，仰臥時(shí)肩胛-背部減壓百分比最大為45.89%，是腿部的1.91 倍。

此外由表5可知，3種墊層及2種臥姿下，人體各部位間的減壓百分比均存在顯著差異(P<0.05)。側(cè)臥時(shí)，不同墊層上肩胛-背部與臀部的減壓百分比均無(wú)顯著差異(P>0.05)，但該2個(gè)部位分別與腳跟、腿部和頭部間差異顯著(P<0.05)；仰臥時(shí)，TPEE墊層上肩胛-背部減壓百分比顯著高于其他部位(P<0.05)?？梢?jiàn)，肩胛-背部和臀部在TPEE墊層上的減壓效果更為明顯。同時(shí)，這2個(gè)部位是臥姿時(shí)的主要受力部位，即最大壓力的集中點(diǎn)，該2個(gè)部位界面壓力的降低更利于改善人體睡眠的舒適與健康。

表5 人體各部位及臥姿與界面減壓百分比的方差分析Table 5 Analysis of variance results of interface pressure reduction at various positions in lying positions

2.3.3 不同臥姿對(duì)減壓百分比的影響

由表5可知，仰臥時(shí)人體頭部、肩胛-背部和臀部的減壓百分比均大于側(cè)臥，而腿部和腳跟的減壓百分比在側(cè)臥時(shí)較大，該結(jié)果在3種TPEE墊層上相一致。圖5所示，頭部、肩胛-背部和臀部的最大壓力在仰臥時(shí)較小，腿部和腳跟在側(cè)臥時(shí)較小?？梢?jiàn)，當(dāng)某種臥姿下人體部位的壓力較小時(shí)，使用TPEE墊層的減壓效果更好，即合理的臥姿與TPEE墊層的搭配能更好地降低界面壓力。此外，除墊層TPEE45上腳跟及TPEE55上頭部的減壓百分比在2種臥姿間無(wú)顯著差異(P>0.05)，其余TPEE墊層上，人體各部位在臥姿間的減壓百分比均存在顯著差異(P<0.05)。

2.4 界面減壓百分比與墊層材料性能及人體不同部位間的關(guān)系

臥姿狀態(tài)下，人體與床墊相接觸，呈現(xiàn)出基本的應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系。人體重力施加到床墊上，人體下陷的位移隨床墊材料硬度的不同而變化，進(jìn)而導(dǎo)致人體與床墊的接觸面積產(chǎn)生差異，最終形成不同的界面壓力。假設(shè)人體與床墊接觸面積為A，人體對(duì)床墊的壓力即為人體各部位重力之和N，則人體對(duì)床墊施加的應(yīng)力為P=N/A。由此可見(jiàn)，人體對(duì)床墊施加的應(yīng)力與墊層材料的力學(xué)性能是構(gòu)成人-床界面體壓分布的關(guān)鍵。研究結(jié)果表明，TPEE密度、人體不同部位以及臥姿都會(huì)影響人-床界面的減壓百分比。據(jù)此，綜合這三類(lèi)因素，進(jìn)一步分析人-床界面減壓百分比差異化的原因。

人與床墊的接觸面積總是大于人的體表面積，因而當(dāng)90°側(cè)臥和0°仰臥時(shí)，以人體側(cè)面及背面的體表面積計(jì)算，可獲得人體對(duì)床墊施加應(yīng)力的最大值。基于Winter[16]及Moon等[17]提出的近似人體模型，計(jì)算受試者各部位的重力及體表面積，確定人體各部位在不同臥姿下對(duì)床墊施加的應(yīng)力如表6所示。

表6 人體各部位對(duì)床墊施加的應(yīng)力Table 6 Stress in various parts of human body /kPa

2種臥姿下，人體各部位對(duì)床墊施加的應(yīng)力為臀部>肩胛-背部>腳跟>頭部>腳跟，其中，側(cè)臥時(shí)臀部施加的應(yīng)力最大為2.2 kPa，其余部位的應(yīng)力均小于2 kPa。由圖2可知，在0<σ≤2.2 kPa范圍內(nèi)，材料壓縮均處于彈性階段，此時(shí)材料硬度隨TPEE密度的增大呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢(shì)，即TPEE45較軟，TPEE65次之，TPEE55上最硬。因而研究得出，墊層TPEE45的減壓性能較好。此外，結(jié)合圖4可知，當(dāng)應(yīng)力為0<σ≤6.43 kPa時(shí)，TPEE45吸收的能量最大且吸能效率較高，而σ<2.01 kPa時(shí)，TPEE65吸收的能量及吸能效率均大于TPEE55。因此，隨TPEE密度的增大，臀部減壓百分比逐漸減小，其余部位則隨之先減小后增大。綜上可知，墊層TPEE45上人體各部位的減壓百分比最大，其減壓性能較好。

3 結(jié) 論

1)隨著TPEE密度從45 kg/m3增加到65 kg/m3，材料的屈服強(qiáng)度和壓陷硬度逐漸增大。與50 kg/m3的普通海綿相比，該密度范圍內(nèi)TPEE材料的硬度較小，將其用于床墊墊層利于增加人-床界面的接觸面積，從而降低界面壓力。

2)TPEE的吸能性能隨應(yīng)力變化而不同，3種密度間TPEE吸收的能量及吸能效率存在顯著差異。TPEE的最大吸能效率隨密度的增大而減小，TPEE45吸能效率最大為30%。此外，當(dāng)應(yīng)力小于6.71 kPa時(shí)，TPEE的吸能效率始終高于普通海綿。實(shí)際應(yīng)用中，可根據(jù)不同的應(yīng)力范圍，選擇最優(yōu)吸能性能的TPEE材料參數(shù)。

3)與海綿墊層相比，TPEE墊層能有效降低界面最大壓力。隨著TPEE密度的增大，人體臀部減壓百分比逐漸減小，其余部位則先減小后增大，且墊層TPEE45上人體各部位的減壓百分比最大。對(duì)比其余部位，人體肩胛-背部和臀部在TPEE墊層上的減壓百分比較大，均大于25%。在分區(qū)床墊設(shè)計(jì)中，將TPEE材料用于人體肩胛-背部和臀部更利于降低界面壓力。此外，TPEE密度、人體不同部位及臥姿三類(lèi)因素的不同條件之間的減壓百分比均存在顯著差異。

4)人體對(duì)床墊施加的力及墊層材料的力學(xué)性能共同決定人-床界面體壓分布和墊層減壓性能。基于被試的人體各部位對(duì)床墊施加的應(yīng)力，結(jié)合材料力學(xué)性能及臥姿，進(jìn)一步驗(yàn)證了2種臥姿下墊層TPEE45對(duì)人體各部位的減壓性能最佳。