TPEE材料力學性能及其對床墊體壓分布的影響

房嬌嬌，申黎明*，陳浩

(1.南京林業大學家居與工業設計學院，南京 210037；2.無錫科逸新材料有限公司，江蘇 無錫 214000)

睡眠質量受到人、床、睡眠環境等多種因素影響，其中人與床墊的接觸界面上，床墊力學性能與人體重力間的相互作用力，即人-床界面壓力對睡眠質量產生較大影響。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時間承載過大壓力而導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劣的重要指標[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、體型及臥姿均會引起界面壓力的差異[3]。為優化床墊結構，Esquirol等[4]與Chen等[5]根據身體周長及形狀建立了不同體型的人體模型。K?llman等[6]發現與其他臥姿相比，0°仰臥和90°側臥時產生較大的界面壓力。同時，人體各部位的界面壓力也不同，4.27 kPa毛細血管壓力是發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壓力損傷。Singh等[8]設計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，應依據某一群體的特征參量進行床墊設計。

此外，床墊材料也是影響人-床界面壓力的重要因素。海綿類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現均勻的體壓分布。熱塑性聚酯彈性體是3D網狀纖維結構材料，具有較好的彈性和透氣性。Nagamachi等[12]通過測試界面壓力、血流量及主觀評價，結合追蹤調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。同時該材料用作輪椅坐墊及床墊也能有效避免病患出現壓力損傷[13-14]。上述研究集中于此材料與存在壓瘡風險的患者間的匹配性，以評估人體生理指標的健康性，尚未探究該材料力學性能及其對健康群體的適用性。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，針對人體部位及臥姿，該纖維材料的壓力分散性還需進一步探究。

本課題以熱塑性聚酯彈性體(thermoplastic polyester elastomer，TPEE)為研究對象，將TPEE用于床墊墊層，并以普通海綿為對照組，通過材料力學測試及人-床界面體壓分布的實驗，對比分析TPEE材料和普通海綿的力學性能，并探究TPEE不同密度、人體各部位及臥姿對人-床界面減壓性能的影響，以此綜合評估TPEE材料用于床墊的可行性，從而為床墊結構的創新設計提供理論依據。

1 材料與方法

1.1 受試者

共有8名女性和8名男性參與實驗，均為在校研究生，具體信息見表1。這16名參與者均無肩背部疼痛史或肌肉損傷，骨骼生長正常。實驗前，讓受試者了解實驗內容及臥姿等注意事項，指導受試者正確進行測試。

表1 受試者的人體測量數據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，參照行業標準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款實驗床墊，其剖面圖如圖1所示，所用材料的基本參數見表2。

圖1 TPEE作鋪墊層的床墊結構Fig. 1 Mattress configuration of different TPEE bedding layers

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

1.3 實驗設計

1.3.1 材料的準靜態力學性能試驗

依據國際標準ISO 2439: 2008“Flexible cellular polymeric materials-Determination of hardness (indentation technique)”，使用萬能力學試驗機(AGS-X20KN型，日本島津公司)對材料進行壓縮。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變為40%時的壓力值。當材料在準靜態壓縮時，采用以下公式[15]計算材料吸收的能量W和材料的吸能效率E，以評估材料的吸能性能。

(1)

(2)

式中：εm為任意應變；σ(ε)為對應應力；吸能效率E為材料所吸收的能量與對應應力的比值。

1.3.2 人-床界面的體壓分布測試

人-床界面壓力采用Tekscan公司的體壓分布測量系統(body pressure measure system, BPMS, BCE5530-2型)測量，采樣率為8次/s，測試壓力為0～34.5 kPa。測試前依據被試身高、體質量校準體壓墊，實驗期間提供被試棉質睡衣以營造舒適的測試環境。

選取0°仰臥和90°右側臥進行實驗[6]。為確保讀數準確性，要求受試者在規定臥姿下靜躺3 min后記錄數據，記錄時間為2 min。每張床墊2個姿勢為一組，每2組實驗的間隔為5 min。此外，為避免影響肩頸部的壓力分布，排除個體與枕頭間匹配的差異性，試驗中均不使用枕頭。

為評估TPEE位于墊層時床墊的減壓性能，提取人體頭部、肩胛-背部、臀部、腿部和腳跟5個部位在2種臥姿下的最大壓力，結合對照組床墊，采用公式(3)計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為對照組床墊上人體各部位最大壓力的均值，kPa；PTmax為實驗組床墊上人體各部位最大壓力的均值，kPa。

2 結果與分析

2.1 墊層材料的力學性能

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

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

墊層材料力學性能的測試結果見表3。隨TPEE密度的增加，材料的屈服強度和壓陷硬度逐漸增大，TPEE45的屈服強度和壓陷硬度最小，分別為2.01 kPa和20.01 N。彈性模量則不呈規律變化，TPEE55彈性模量最大為22.33 kPa。這是因為TPEE材料是由條狀細絲縱橫交錯式無序排列而成，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，其中橢圓孔隙的長軸最大為26.56 mm。同時不同截面上材料的孔隙大小及分布也不同，導致材料密度分布的不均勻，因此壓縮過程中不同應變時的應力存在差異，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明顯規律。此外，TPEE的三類測試數值均小于普通海綿。可見，該密度范圍內TPEE的硬度相對較小，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 材料力學性能的測試結果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

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

圖4b為材料的吸能效率曲線。隨應力的增大，材料的吸能效率均呈現先增大后減小的趨勢。同等應力下，普通海綿及TPEE不同密度的吸能效率的變化規律與其吸收的能量相一致。當吸能效率最大時，表明材料在該應力處的吸能能力最好。當應力為9.16 kPa時，普通海綿的吸能效率最高為43.21%。TPEE 3種密度(45，55，65 kg/m3)吸能能力最佳時的應力分別為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%。可見，材料的吸能效率也隨應力的變化而不同，TPEE 3種密度間的吸能效率也存在顯著差異(P<0.05)。因此應針對不同應力限值，選擇具有最優吸能性能的TPEE材料及其參數。

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，如側臥時，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%。可見，TPEE墊層的使用能降低界面最大壓力。

注：SP為對照組，支撐層袋裝彈簧芯+墊層普通海綿；ST為實驗組，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。圖中數據為平均數±標準偏差，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，側臥時人體頭部、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較大，如墊層TPEE55上，肩胛-背部側臥最大壓力為5.02 kPa，比仰臥增加了37.91%，而仰臥時腿部最大壓力比側臥增加11.85%。這是由于人體側面頭部-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，側臥時頭部、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，側臥時，人體支撐點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臥穩定的力量來源，人體趨向于將重心上移而使下肢受力較小；但仰臥時人體支撐點集中于臀部髖關節，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，除側臥時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，如側臥時，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，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)。側臥時，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)。仰臥時臀部減壓百分比在TPEE45與TPEE65間無顯著差異(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)。可見，TPEE墊層的不同密度可明顯改變人-床界面的減壓百分比，且當TPEE密度為45 kg/m3時，床墊的減壓性能最好。

2.3.2 人體不同部位對減壓百分比的影響

人體各部位人-床界面的減壓百分比如表5所示。側臥時，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，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，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)。側臥時，不同墊層上肩胛-背部與臀部的減壓百分比均無顯著差異(P>0.05)，但該2個部位分別與腳跟、腿部和頭部間差異顯著(P<0.05)；仰臥時，TPEE墊層上肩胛-背部減壓百分比顯著高于其他部位(P<0.05)。可見，肩胛-背部和臀部在TPEE墊層上的減壓效果更為明顯。同時，這2個部位是臥姿時的主要受力部位，即最大壓力的集中點，該2個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 不同臥姿對減壓百分比的影響

由表5可知，仰臥時人體頭部、肩胛-背部和臀部的減壓百分比均大于側臥，而腿部和腳跟的減壓百分比在側臥時較大，該結果在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較小，腿部和腳跟在側臥時較小。可見，當某種臥姿下人體部位的壓力較小時，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系

臥姿狀態下，人體與床墊相接觸，呈現出基本的應力應變關系。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，進而導致人體與床墊的接觸面積產生差異，最終形成不同的界面壓力。假設人體與床墊接觸面積為A，人體對床墊的壓力即為人體各部位重力之和N，則人體對床墊施加的應力為P=N/A。由此可見，人體對床墊施加的應力與墊層材料的力學性能是構成人-床界面體壓分布的關鍵。研究結果表明，TPEE密度、人體不同部位以及臥姿都會影響人-床界面的減壓百分比。據此，綜合這三類因素，進一步分析人-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90°側臥和0°仰臥時，以人體側面及背面的體表面積計算，可獲得人體對床墊施加應力的最大值。基于Winter[16]及Moon等[17]提出的近似人體模型，計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床墊施加的應力如表6所示。

表6 人體各部位對床墊施加的應力Table 6 Stress in various parts of human body /kPa

2種臥姿下，人體各部位對床墊施加的應力為臀部>肩胛-背部>腳跟>頭部>腳跟，其中，側臥時臀部施加的應力最大為2.2 kPa，其余部位的應力均小于2 kPa。由圖2可知，在0<σ≤2.2 kPa范圍內，材料壓縮均處于彈性階段，此時材料硬度隨TPEE密度的增大呈現先增大后減小的趨勢，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，結合圖4可知，當應力為0<σ≤6.43 kPa時，TPEE45吸收的能量最大且吸能效率較高，而σ<2.01 kPa時，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 論

1)隨著TPEE密度從45 kg/m3增加到65 kg/m3，材料的屈服強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，當應力小于6.71 kPa時，TPEE的吸能效率始終高于普通海綿。實際應用中，可根據不同的應力范圍，選擇最優吸能性能的TPEE材料參數。

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%。在分區床墊設計中，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)人體對床墊施加的力及墊層材料的力學性能共同決定人-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床墊施加的應力，結合材料力學性能及臥姿，進一步驗證了2種臥姿下墊層TPEE45對人體各部位的減壓性能最佳。