摘要：高密度发泡材料因其优异的力学性能和舒适性，在座椅制造领域得到广泛应用。通过系统研究发泡材料的微观结构特征、力学性能参数及其与人体工程学的关系，建立了发泡材料物性参数与座椅舒适性的量化模型。发泡材料的孔径分布、气泡壁厚度和交联密度对座椅的承压性、回弹性和温度调节能力具有显著影响。基于上述发现，通过优化发泡工艺参数，构建了座椅发泡材料的性能评价体系，为提升座椅舒适性提供了技术支持。关键词：高密度发泡材料；座椅舒适性；力学性能；人体工程学；结构设计
0 引言
座椅舒适性是衡量交通工具、办公家具等产品品质的重要指标，直接影响用户的使用体验和身心健康。高密度发泡材料凭借其独特的物理化学性质，在座椅舒适性设计中发挥着不可替代的作用。随着人们对乘坐舒适性需求的不断提升，高密度发泡材料在汽车座椅领域的应用研究愈加深入。高密度发泡材料凭借其特有的微观结构和力学性能，能有效提升座椅的支撑性、减振性和温度适应性。深入研究高密度发泡材料的性能及其在座椅舒适性设计中的作用，对提升座椅产品质量具有重要的理论意义和实用价值。
1 高密度发泡材料性能分析
1.1 物理力学性能分析
高密度发泡材料在座椅应用中展现出优异的物理力学性能[1]。根据大众汽车集团制定的PV 3410《汽车内饰件用高分子材料测试——压陷硬度与弹性测定》测试标准，通过320 N压力下产生的压陷变形量（EW）和回弹变形量（ESW）及480 N回程压陷数据来表征材料的力学性能。当固定密度为65 kg/m³时，发泡材料的阻尼系数（DKW）随厚度的增加呈线性增长趋势。当厚度为80 mm且顶端硬度（CFD）在5.5～6.2 kPa范围内时，阻尼系数（DKW）与弹性系数（FW） 达到最佳平衡，此时(DKW+FW)＞10 且|FW-DKW|＜2。滞后损失率与材料厚度显著相关：当厚度在60 mm 以下时，滞后损失率随厚度的增加而降低；当厚度在60 mm 以上时，滞后损失率趋于稳定。材料在320 N 的加载和卸载过程中，压陷曲线面积差值反映了能量损耗特性，该特性与座椅的减振缓冲效果直接相关。当发泡材料的密度为70 kg/m³时，座垫区域对2 250 N动态冲击载荷（相当于75 kg人体质量产生的冲击载荷的3倍）的承载能力最佳。在-30～70 ℃时，高密度发泡材料的永久变形率保持在1%以下，展现出优异的环境适应性。
1.2 微观结构表征
高密度发泡材料的微观结构主要由闭孔泡沫单元构成。扫描电子显微镜观察结果表明，当密度为65～70 kg/m³时，材料形成稳定的三维网状结构，气泡平均直径为200～300 µm，气泡壁厚度为15～25 µm。聚氨酯分子链通过化学交联形成三维网络结构，当交联密度达到4.5×104 mol/m³时，材料呈现最佳力学性能。气泡结构的均匀性直接决定压陷变形的各向同性，当气泡尺寸分布系数在0.3 以下时，材料可获得理想性能。由分析可知，增加异氰酸酯指数（95～109）能提升材料硬度，但会导致气泡结构规整性下降。在湿热环境（50 ℃，95% RH）测试中，高硬度高密度样品（密度为70 kg/m³）的永久变形率最低，这与其致密的微观结构密切相关。在热环境（70 ℃，50% RH）测试中，发泡材料的永久变形率随密度的增加而降低；当密度达到70 kg/m³时，永久变形率可控制在2%以下。
2 座椅舒适性影响因素分析
2.1 人体工程学参数测定
座椅人体工程学参数测定采用标准测试装置，该装置包括座椅静荷重试验机、激光标线仪、旋转平台与角度测量仪等[2]。测量基准点设定在人体髋关节点（hip point, H 点），该点由躯干线与大腿线的交叉位置确定。通过测量发现，当发泡材料密度为65 kg/m³，且顶端硬度在5.5～6.2 kPa 范围内时，材料展现最佳支撑性。座垫测试区域标准取样尺寸为250 mm×350 mm×5 mm，采用直径为50 mm 的压头进行力学性能测试。数据显示，当压力为320 N时，不同样品的压陷变形量随厚度的增加而增大；厚度在40 mm 以内时，顶端硬度的变化对压陷变形量的影响不显著。由分析可知，通过下述方法可有效评估座椅支撑性：在H 点上方35 mm 处标记a点，再向下移动标记b 点，然后使用静荷重试验机在a 点施加350 N标准载荷，并将加载速度控制在200 mm/min。试验采用5 N的初始载荷进行预压处理，确保测量结果的准确性和可重复性。靠背测试时，以H 点为中心，沿躯干线方向垂直粘贴美纹纸，每隔50 mm 标记测量点，结合数据采集完成人体工程学参数的全面评估。
2.2 压力分布特征研究
压力分布测试采用标准化方法，对座椅承压特性进行系统评估。压力分布测试中，当发泡材料密度为65 kg/m³时，发泡硬度与压力分布显著相关。由分析可知，高硬度发泡材料（密度为70 kg/m³）在承受2 250 N动态冲击载荷（相当于75 kg 人体质量产生的冲击载荷的3 倍）时，能表现出优异的压力分散性能。在测试过程中，当发泡材料厚度为80 mm 时，阻尼系数（DKW）与弹性系数（FW）达到最佳平衡，此时(DKW+FW)＞10 且|FW-DKW|＜2。压力分布与发泡密度的关系如图1 所示。当发泡材料处于高硬度、高密度状态时，压陷程度最小，这与其内部结构致密性直接相关。在干热环境（70 ℃，50% RH）测试中，高硬度高密度样品的永久变形率最低，而低硬度低密度样品（密度为45 kg/m³）的永久变形率超过65%。压力测试结果表明，4号座垫（高硬度高密度样品，密度为70 kg/m³）的塌陷情况最轻微，2 号座垫（高硬度低密度样品，密度为45 kg/m³）次之，而1 号和3 号座垫出现明显塌陷，塌陷深度为2～3 mm，且塌陷量呈中心向外递减分布。
图1 压力分布与发泡密度关系
2.3 温湿度调节性能评价温湿度调节性能评价采用标准环境模拟测试。样品尺寸均为100 cm×100 cm×50 cm，通过对比试验前后的高度计算永久变形率，在A 组湿热环境（50 ℃，95% RH）、B 组干热环境（70 ℃，50% RH）、C 组常温环境（23 ℃，50% RH）和D 组低温环境（-30 ℃，50% RH）4 种工况下，高密度发泡材料的性能存在显著差异。温湿度测试中，在D 组低温环境下发泡材料的平均永久变形率最低，而在B 组干热环境下发泡材料的平均永久变形率最高；在A 组湿热环境下，低硬度低密度发泡材料（密度为45 kg/m³）的永久变形率最高，高硬度高密度发泡材料（密度为70 kg/m³）的永久变形率最低；在C 组常温环境和D 组低温环境下，所有样品的永久变形率基本维持在1%左右。在高温（50 ℃以上）、高湿（70% RH 以上）环境下，长期受压的发泡材料的永久变形率显著增加，而在低温和常温环境下，发泡材料的永久变形率相对较小。
3 发泡材料结构优化设计
3.1 密度梯度分布设计基于人体工程学原理进行高密度发泡材料的密度梯度分布设计，建立密度与承压的数学关系模型：
式中，ρ(x,y)为任意点的密度值；(x,y)为任意点的坐标；ρ0为基础密度；k1为密度增量系数；(x0,y0)为最大承压点的坐标；σx和σy为密度分布标准差。
当臀部区域的密度为70 kg/m³，大腿中部和前部区域的密度为57 kg/m³时，压力刺激作用相对较弱[3]。通过对比4 种样品（1 号为45 kg/m³的低硬度样品，2 号为45 kg/m³的高硬度样品，3 号为70 kg/m³的低硬度样品，4 号为70 kg/m³的高硬度样品） 发现，在湿热环境（50 ℃，95% RH）下，高硬度高密度样品（4号样品）的永久变形率最低。密度梯度分布设计能使人体质量以较大接触面积分布在座垫上，有效提升局部舒适感。研究表明，在乘坐区域采用低硬度发泡材料，在支撑区域采用高硬度发泡材料，并结合隔料槽的设计方案，能有效提升座椅耐久性。
3.2 弹性模量调控方法
弹性模量调控通过优化发泡配方实现。采用聚醚多元醇、聚酯多元醇作为主要原料，将异氰酸酯指数控制在95～109范围内，并结合乙二醇、丙二醇等扩链剂的使用，能有效提升材料性能。弹性性能评估中，当发泡厚度为80 mm 且顶端硬度在5.5～6.2 kPa 范围内时，材料展现最佳弹性性能，此时(DKW+FW)＞10 且|FW-DKW|＜2；在320 N 的标准载荷下，高硬度样品（密度为70 kg/m³）的阻尼系数（DKW）和弹性系数（FW）达到最佳平衡。弹性模量与顶端硬度的关系如图2所示。
图2 弹性模量与顶端硬度关系
通过甲苯二异氰酸酯（TDI）和二苯基甲烷二异氰酸酯（MDI） 的合理配比，材料在不同温度（-30 ℃、23 ℃、50 ℃、70 ℃）下均表现出稳定的弹性模量，在高温（50 ℃）、高湿条件下，永久变形率保持在较低水平。
3.3 减振性能优化方法
减振性能优化主要通过控制滞后损失实现。当发泡材料厚度在60 mm 以下时，滞后损失随厚度的增加呈下降趋势；厚度在60 mm 以上时，滞后损失趋于稳定。标准厚度（80 mm）的测试中，4 号样品（高硬度，密度为70 kg/m³）的塌陷情况最轻微，而1 号样品（低硬度，密度为45 kg/m³）在压缩过程中结构遭到破坏。在车辆行驶过程中，座椅承受的冲击载荷可达到人体质量的3 倍以上，因此设计弹簧时以2 250 N （假设人体质量为75 kg） 作为参考值。数据分析表明，在B 组干热环境（70 ℃，50% RH）下高硬度发泡材料的永久变形率最低，展现出优异的减振性。比较各个样品的性能，2 号样品（高硬度，密度为45 kg/m³） 仅出现轻微塌陷，而3 号样品（低硬度，密度为70 kg/m³）虽密度较大，但变形量相对较大。这表明硬度对减振性的影响更显著。
4 座椅舒适性评价与应用验证
4.1 舒适性评价指标体系
座椅舒适性评价指标体系严格遵循PV 3410 测试标准。阻尼系数（DKW）为320 N 加载和卸载数据的差值，弹性系数（FW）为480 N 卸载值与320 N 卸载值的差值。座垫舒适性判定标准为(DKW+FW)＞10 且|FW-DKW|＜2。在发泡材料厚度为80 mm 的工况下，当顶端硬度在5.5～6.2 kPa 范围内时，达到最优舒适性指标。滞后损失是量化参数。当材料厚度在60 mm 以下时，滞后损失呈递减趋势；当材料厚度在60 mm 以上时，滞后损失的数值趋于稳定。标准化测试数据包含压陷变形量（EW）、回弹变形量（ESW）及480 N 回程压陷数据三项核心指标[4]。密度为65 kg/m³的发泡材料能展现理想的承压性，而57～67 kg/m³的密度梯度分布方案可获得最优舒适性评分。在湿热环境（50 ℃，95% RH）下，高硬度高密度（70 kg/m³）样品的永久变形率最低，低硬度低密度（45 kg/m³）样品的永久变形率最高，相关对比数据验证了评价体系的可靠性。
4.2 力学性能测试方法
力学性能测试在德国Zwick Z005 材料试验机上进行。发泡材料力学性能测试参数与条件见表1，环境温度严格控制在（23±2）℃，相对湿度控制在（50%±6%） RH。测试样品分为4 组：1 号样品（低硬度，45 kg/m³）、2 号样品（高硬度，45 kg/m³）、3号样品（低硬度，70 kg/m³）、4 号样品（高硬度，70 kg/m³）。所有测试均在样品生产168 h 后进行。样品尺寸为100 cm×100 cm×50 cm，压缩比例设定为75%，永久变形率采用以下计算公式：（初始高度-变形后高度）/初始高度×100%。测试过程中分别采用标准压头（100 mm、200 mm）和假臀压头进行加载，结果显示压头规格对测试结果无显著影响。在不同工况下，材料性能差异显著：在干热环境（70 ℃，50% RH）下，1 号和3 号样品的永久变形率超过65%；在常温（23 ℃）和低温（-30 ℃）条件下，各样品的永久变形率稳定在1%。座椅静荷重试验采用标准压头，在H 点上方35 mm处施加350 N 标准载荷，加载速度控制在200 mm/min，通过施加5 N的预压载荷确保测量精度。
表1 发泡材料力学性能测试参数与条件注：
测试前，样品需在标准环境下放置至少24 h。
4.3 应用效果分析
实车验证数据显示，高密度（70 kg/m³）发泡材料座椅在承受2 250 N 动态冲击载荷时性能优异，完全满足75 kg 乘员3 倍冲击力的承载要求。在座垫塌陷度测试中，4 号样品的塌陷量最小，2 号样品次之，1 号和3 号样品的塌陷深度达2～3 mm，且塌陷量呈中心向外递减分布[5]。在靠背性能测试中，1 号样品出现局部弹簧外露，3 号样品的变形量较大但未发生弹簧外露，4 号样品的塌陷量最小，2 号样品仅出现轻微塌陷。在高温（50 ℃以上）、高湿（70% RH 以上）环境下的长期压缩试验中，高硬度高密度样品的永久变形率增加幅度最小。测试数据表明，优化后的座椅发泡结构能在-30～70 ℃全温度范围内保持良好的稳定性。密度梯度分布设计方案在乘坐区域采用低硬度发泡材料，在支撑区域采用高硬度发泡材料，配合隔料槽设计，显著提升了座椅的耐久性与舒适性。
5 结论
通过系统研究高密度发泡材料在座椅舒适性设计中的应用，阐明了发泡材料微观结构与宏观性能的关系，建立了材料性能与座椅舒适性的评价体系。研究表明，优化发泡材料的结构设计和性能参数能有效提升座椅的整体舒适性。这些研究成果为座椅产品的开发提供了重要的技术支撑，对推动座椅制造技术进步具有积极意义。发泡材料的密度梯度分布、弹性模量调控和减振性能优化为提升座椅舒适性提供了新思路。未来还需进一步探索新型发泡材料的开发及其在不同应用场景下的性能优化，以期为提升座椅舒适性提供更多技术方案。
来源：Internet
关键词：
高密度发泡材料
座椅舒适性
