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高分子科技空气纤维结构材料の分散体压

2020-12-08

5.1.实验目的及内容


好的床垫&坐垫材料能给使用者提供良好的支撑,但因人体间的个体差异性,不同的人需要的合适的支撑也是不同的。通过对不同体型、每种体型的性别为分类依据,通过对受试者卧姿时的体压分布测试,验证其组合搭配的合理性及各体型人群的使用舒适性。 
本研究的具体内容: 
①各组合适用床垫对人卧姿舒适性的影响 
②性别及体型对卧姿舒适性的影响。


5.2.实验设备及方法
5.2.1试验设备
(1)Tekscan 体压分布测量系统:床垫压力分布传感器+ USB 传感器手柄
本实验所用的床垫压力分布传感器(如图 4-3 所示),尺寸为 1905×1066×8mm , 压力范围为 0-5PSI,传感单元数量:1326,可以以位图或 ASCII 形式输出。


(2)电子测高仪:测量受试者身高,量程为 0-205cm,分度值为 1mm。
(3)电子称重仪:测量受试者体重,量程为 0-160kg,分度值为 0.1kg。
(4)个人电脑:采集数据,对数据进行分析处理。


5.2.2实验方法


体压测试法:传感器通过 Tekscan 软件在电脑上生成的体压分布图(如下图所示),直接导入 Execl 软件生成数据,利用相应软件求出体压指标。 
 

5.2.3测试指标
(1)大压力、平均压力、接触面积、大压力梯度、平均压力梯度
(2)主要受力部位的体压分布:肩背部、腰部、臀部 
5.2.4测试材料

高分子科技

空气纤维材料

     60kg/ m3

40mm

65kg/ m3

40mm

70kg/ m3

40mm


5.3高分子空气纤维材料不同密度的测试分析

铺垫层

空气纤维60kg/m3

空气纤维65kg/m3

空气纤维70kg/m3

床芯厚度

40mm

测试人群

标准体型(BMI=18.5-23.9)

性别

男性

女性

男性

女性

男性

女性

卧姿

侧卧

仰卧

侧卧

仰卧

侧卧

仰卧

侧卧

仰卧

侧卧

仰卧

侧卧

仰卧

大压力/KPa

7.36

4.65

5.83

5.13

6.13

4.78

7.16

6.53

5.36

3.1

5.13

4.91

平均压力/KPa

1. 49

0.9

1.43

1.08

1.34

0.97

1.42

1.03

1.32

0.92

1.39

1.01

接触面积/cm2

265.29

307.61

267.35

308.64

258.06

302.45

262.19

290.06

262.2

276.64

254.97

300.39

大压力梯度/KPa/cm

6.26

4.65

4.14

4.7

3.81

4.52

6.67

6.32

3.81

2.45

5.06

4.07

平均压力梯度/Kpa/cm

0.72

0.47

0.81

0.6

0.82

0.53

0.79

0.66

0.69

0.48

0.80

0.63

 

 



本部分研究选取60、65、70kg/m3三种不同密度的高分子空气纤维材料进行测试。由图 1 可知,男女在侧卧和仰卧姿势下的大压力均随铺垫层空纤密度(60、65、70kg/m3)的增大而减小,即大压力随空纤硬度的增大而减小且侧卧压力均大于仰卧压力;大压力反映的是人体重量集中的部位如臀部关节凸起点处的受力情况,当大压力较小时,整体床垫的压力分布较为均匀。因此对于标准人群来说,当高分子空气纤维材密度较小时会使床垫过于柔软,不舒适,因而选用 65和 70密度下的空纤材料较好。 
由图 2 可知,男女在不同睡姿下的平均压力均随着空纤材料硬度的增大而呈现减小的趋势,且侧卧的平均压力均大于仰卧。平均压力反应的是床垫的软硬度和垫面形状,比较符合人体生理结构特征的床垫,其平均压力会相对较小,有利于人体获得比较舒适的卧感;因此加有 65/70 密度的空纤材料的床垫使人体受力相对较好。由图 3 可知,接触面积均随着空纤硬度的增大而呈现减小的趋势, 且仰卧时的变化趋势大于侧卧,说明侧卧时对床垫软硬度感知方面更好,当床垫软硬度发生变化时,身体与床垫的贴合度会有不同。当空纤密度为60时,其接触面积大,结合图 1/2 可知,此时床垫过软使人体得不到应有的支撑而导致人体局部受压,因此综合而言,此组合下选取 65kg/m3 的空纤材料有利于人体分散压力,并拥有较好的卧姿舒适性。 

由图 4 可知,男女在不同睡姿下的大压力梯度有较大的区别,标准体型的男性的大压力梯度随床垫硬度的增加而增大,当垫层空纤密度为60时男性的大压力梯度大,在垫层密度为70时的大压力梯度小;而标准女性在垫层空纤密度为 65 时的大压力梯度大,垫层空纤密度为 70 时大压力梯度小。且男女不同姿势下的变化趋势相一致。大压力梯度体现了床垫的刚度和材质分布,刚度较小,材质分布较为合理的床垫大压力梯度较小,人体感觉也较为舒适。合理的床垫设计应该使大压力梯度位于人体结节点附近。 
由图 5 可知,标准体型的男性和女性都是在适中垫层(65kg/m3)上的平均压力梯度大,仰卧和侧卧具有相似的规律。尤其是女性在这三种组合床垫的平均压力梯度相近。平均压力梯度表示人体对压力刺激的整体反应,而且比较好,平均压力梯度大,说明人体压力更加集中于人体重量关节突起点处(背部和臀部),人体压力分布不均匀;平均压力梯度小,说明人体压力分布较为均匀,身体各部位受力也较为均匀。 

5.4人体主要受力部位的体压分布

铺垫层

空气纤维60kg/m3

空气纤维65kg/m3

空气纤维70kg/m3

床芯厚度

40mm

卧姿

侧卧

体压指标

大压力

平均压力

大压力

平均压力

大压力

平均压力

性别

主要部位

肩背部

5.36

5.06

0.5

0.46

7.36

2.95

0.54

0.44

4.97

3.44

0.45

0.38

腰部

2.39

2.81

0.2

0.22

3.29

2.74

0.29

0.22

3.94

4.49

0.27

0.32

臀部

4.26

5.83

0.56

0.63

5.75

5.55

0.66

0.66

5.36

3.79

0.54

0.65

卧姿

仰卧

体压指标

大压力

平均压力

大压力

平均压力

大压力

平均压力

性别

主要部位

肩背部

3.55

3.3

0.38

0.32

4.78

3.51

0.43

0.42

2.07

3.86

0.39

0.43

腰部

1.81

1.97

0.21

0.18

1.36

1.69

0.21

0.21

1.55

2.18

0.21

0.21

臀部

3.74

3.3

0.46

0.35

4.45

6.53

0.53

0.59

3.1

4.91

0.43

0.53





由图 6 可知,侧卧时男性肩背部受力大,受力集中于肩胛骨处;而女性为臀部受力大,这与男女不同的生理构造有关,根据解剖学研究表明,男性的肩部较宽,而女性的髋关节较大,侧卧时与床垫的接触面积小,进而使压力分布更为显著。男性的总体趋势为肩背部大压力大、臀部次之,腰部小;女性的总体趋势为臀部大压力大、肩背部次之,腰部小。而随着垫层空纤材料硬度的增大,各主要受力部位的大压力也随着增大。当垫层空纤密度为 70 时,男女在各部位的压力分布为接近,可以说习惯侧卧的人选择 70 密度的空气纤维作为垫层对于不同性别的人都是适用的。
由图 7 可知,仰卧时男女在各主要部位的受力趋势与侧卧一致,但其力值均小于侧卧,仰卧时男性的肩背部和臀部的受力相近, 但腰部受力过小;而女性在仰卧时大压力集中在臀部,且与腰部的大压力悬殊过大,人体关节处是承受压力的大处,臀部和背部关节点处承受较大重量,而臀部是人体感觉较迟钝的地方,对较大压力刺激不是很好,此处压力分布较大是合理的。腰部受力不足,很可能会造成腰部悬空,产生疲劳感和酸痛感;因此如果习惯仰卧的人建议选择60或65密度的空气纤维作为垫层。

由图 8 所示,侧卧时几款床垫的平均压力数值相近,臀部的平均压力大,肩背部次之,腰部小。标准男性在垫层空气纤维材料密度为 65 时其平均压力大,标准女性在垫层空气纤维材料的密度为 70 时平均压力大,说明这两款床垫对于标准群体来说分散压力的性能好。


而图 9 中仰卧时,依然是腰部平均压力小,肩背部和臀部受力呈对称分布的趋势,且小于侧卧时的平均压力,总体来说,当垫层空气纤维材料的密度为 65 kg/m3 时床垫的舒适性好,且满足对人体各部位的合理支撑。




附:空气纤维材料对不同体形人的体压分散支撑图(100mm):


1.偏瘦体型 (上层厚度50mm密度65kg/m3 +下层厚度50mm密度70kg/m3)


侧卧


仰卧




2.标准体型 (上层厚度50mm密度70kg/m3 +下层厚度50mm密度70kg/m3)

侧卧

仰卧
3.偏胖体型 (上层厚度50mm密度60kg/m3 +下层厚度50mm密度70kg/m3)
侧卧

仰卧


此配置男女均适用,在做进一步研究时可依据人体各部位压力分布对空气纤维床垫芯材采用模块化形式(即3段式或6段式)来搭配床芯,来达到舒适的成效。


空气纤维材料现共有3种材料可以生产,一是PE(POE) 二是PP 三是TPEE。以上报告中密度值为PE(POE)密度值,PP密度值和PE(POE)密度值相似。但TPEE密度在生产相似回弹性、支撑度和软硬度产品时密度略有区别于PE(POE)和PP材质,对应如下:

PE(POE)/PP

TPEE

55 kg/m3

45 kg/m3

60 kg/m3

55 kg/m3

65 kg/m3

65 kg/m3

70 kg/m3

75 kg/m3


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