弹性体模块、弹性减震结构、弹性减震结构阵列、纳米杀菌材料结构的制作方法

[0001]
本发明涉及减震技术领域，尤其涉及一种弹性体模块、弹性减震结构及模块化智能响应弹性减震结构阵列、纳米杀菌材料结构。


背景技术：

[0002]
在生活中，柔性的减震垫层结构被广泛应用于床垫，沙发座椅，背包等领域。柔性减震垫能够增加人体与载荷间的接触面积，从而减小施加在人体上的压强来避免人体的损伤，更能获得舒适的适用体验。
[0003]
现有的应用于人体接触的减震技术主要依靠弹性体材料(如泡沫，橡胶，气垫等)或弹性体材料与机械弹簧结构结合(如沙发，床垫)来获得减震效果。在这些应用中，弹性体材料往往负责与人体的直接接触来增大与人体的接触面积。然而，目前弹性体材料与人体的接触面设计往往基于单一的平面结构，对人体载荷的响应性能单一，通常无法满足特异化的应用场景。在应对突加的冲击型载荷时，具有单一平面结构的弹性体垫层形变量太大，无法对冲击能量进行高效吸收，容易造成对人体的损伤，并且与人体接触的减震材料容易滋生细菌导致健康问题。


技术实现要素：

[0004]
针对现有技术中的问题，本发明提供了具有模块化装填系统的智能响应弹性减震机构，为满足不同应用的场景提供了个性化的选择。
[0005]
本发明采用以下技术方案：
[0006]
本发明提出了一种弹性体模块，包括受力单元、支撑单元和弹性体底座；所述受力单元包括：受力机构和设置在其顶部的受力面；所述支撑单元其顶部与所述受力机构底部连接，其底部与所述弹性体底座连接；所述支撑单元内部具有或不具有空腔。
[0007]
本发明提出的弹性体模块中，所述弹性体底座设置有孔，所述孔位于所述支撑单元的下方；
[0008]
和/或，所述受力机构、所述受力面、所述支撑单元、所述弹性体底座中，有两个或两个以上部件为一体设置；
[0009]
和/或，所述受力单元、支撑单元和/或弹性体底座具有纳米杀菌材料涂层；所述纳米杀菌材料涂层具有杀菌活性的纳米颗粒中的至少一种：银，铜，金，氧化锌，氧化铜，氧化钛；所述纳米颗粒尺寸大小为2nm-200nm。优选地20nm-100nm。更优选地为50nm-70nm。
[0010]
本发明还提出了一种弹性减震结构，包括弹性体模块和吸能体模块；其中，
[0011]
所述弹性体模块为仿生突触结构，其包括：受力单元、支撑单元和弹性体底座；所述受力单元包括：受力机构和设置在其顶部的受力面；所述支撑单元其顶部与所述受力机构底部连接，其底部与所述弹性体底座连接，其内部具有空腔；所述弹性体底座设置有孔，所述孔位于所述支撑单元的下方；
[0012]
所述吸能体模块包括：吸能体底座和固定在其顶部的吸能单元；所述吸能体底座与所述弹性体底座底部连接；所述吸能单元穿过所述孔探入所述空腔；所述吸能单元填满所述空腔，或与所述空腔的腔壁具有间隙。
[0013]
本发明提出的弹性体模块或弹性减震结构中，所述受力单元的厚度为1mm-10cm；优选地为10mm-1cm。更优选地为50mm-70m。
[0014]
和/或，所述弹性体底座厚度为2mm-20cm；优选地为20mm-10cm。更优选地为50mm-80mm。
[0015]
和/或，所述受力机构的横截面呈圆形、三角形、正方形、长方形或六边形；
[0016]
和/或，所述受力面为向外凸起的弧形；
[0017]
和/或，所述支撑单元的纵截面呈球形、柱形、锥形或纺锤形。其中球形具有较小的长径比，适用于载荷较大的情形；柱形具有较大的长径比，适用于载荷较小的情形；锥形或纺锤形具有适中的长径比，适用于一般载荷情形。
[0018]
本发明提出的弹性体模块或弹性减震结构中，所述受力机构、所述受力面、所述支撑单元、所述弹性体底座的材料为：tpe、tpr、硅橡胶、硫化橡胶及海绵中的一种或多种混合；
[0019]
和/或，所述吸能体底座、吸能单元的材料为epp(expanded polypropylene)，tpe(thermoplastic elastomer)，tpr(thermoplastic rubber)，硅橡胶，硫化橡胶，海绵，多孔铝，多孔镍，多孔钛及多孔石墨烯中的一种或多种混合。
[0020]
本发明提出的弹性减震结构中，所述吸能体底座的厚度为3mm-15cm；优选地为30mm-10cm。更优选地为50mm-80mm。
[0021]
和/或，所述吸能单元顶部与所述空腔顶部腔壁的间距为1mm-5cm。优选地为1.5cm-4cm。更优选地为2cm-3cm。
[0022]
本发明提出的弹性减震结构中，所述受力机构、所述受力面、所述支撑单元、所述弹性体底座、所述吸能体底座、所述吸能单元中，有两个或两个以上部件为一体设置。
[0023]
本发明提出的弹性减震结构中，所述受力单元、支撑单元、弹性体底座、吸能体底座和/或所述吸能单元具有纳米杀菌材料涂层；所述纳米杀菌材料涂层具有杀菌活性的纳米颗粒中的至少一种：银，铜，金，氧化锌，氧化铜，氧化钛；所述纳米颗粒尺寸大小为2nm-200nm。优选地为20nm-100nm。更优选地为50nm-70nm。
[0024]
本发明提出的弹性减震结构中，所述弹性减震结构的长径比(最长径和与其相垂直的最长径之比)为0.25-10。优选地为0.5-5。更优选地为1-3。
[0025]
本发明还提出了一种模块化智能响应弹性减震结构阵列，包括弹性体模块；多个所述弹性体模块之间的所述弹性体底座相互连接；
[0026]
或，包括弹性减震结构；多个所述弹性减震结构之间的所述弹性体底座相互连接、所述吸能体底座相互连接。
[0027]
本发明提出的模块化智能响应弹性减震结构阵列中，多个所述弹性体模块形成矩形阵列、环形阵列、镜面对称阵列和非对称阵列中的至少一种；
[0028]
或，多个所述弹性减震结构形成矩形阵列、环形阵列、镜面对称阵列和非对称阵列中的至少一种。
[0029]
本发明提出的模块化智能响应弹性减震结构阵列中，所述模块化智能响应弹性减
震结构阵列的弹性减震结构密度为10-100000个/平方米。优选地为100-10000个/平方米。更优选地为500-5000个/平方米。
[0030]
本发明还提出了一种纳米杀菌材料结构，包括一个或多个弹性体模块，其中，受力单元、支撑单元和/或弹性体底座具有杀菌活性的纳米颗粒中的至少一种：银、铜、金、氧化锌、氧化铜、氧化钛；
[0031]
或，包括一个或多个弹性减震结构，其中，受力单元、支撑单元、弹性体底座、吸能体底座和/或吸能单元具有杀菌活性的纳米颗粒中的至少一种：银、铜、金、氧化锌、氧化铜、氧化钛；
[0032]
所述纳米颗粒尺寸大小为2nm-200nm。优选地为20nm-100nm。更优选地为50nm-70nm。
[0033]
本发明中，所述仿生突触结构能自动响应调整受力方向并减小作用于人体或物体的压应力。这一功能的实现主要与突触仿生结构以及其构成的阵列形状直接相关。突触结构单元的形变会直接影响到阵列的形变。
[0034]
本发明提出的模块化智能响应弹性减震结构阵列由多个弹性减震结构形成，弹性减震结构分为上下两个模块，上半部分是与人体接触的仿生突触结构的弹性体模块，下半部分是负责吸收突发冲击载荷的吸能体模块。其中，弹性体模块设计受生物体突触结构启发，设计呈仿生突触结构，该结构在保持轻量化的同时，能够使得载荷与人体的接触面积自动增加，智能化调节施加在人体的压应力。在常规受压过程中，通过孤立的弹性减震结构形变和多个弹性减震结构排列形成的阵列整体形变相配合的方式对压力进行智能化动态调整，从而实现接触面积与载荷间的智能匹配。在突加冲击载荷过程中，模块化智能响应弹性减震结构阵列能在保持与人体最大接触面积的同时，填充在弹性体模块内的吸能材料模块通过塑性变形将冲击能量逐步吸收，从而减小冲击对人体的损伤。本发明中弹性体模块和吸能体模块可以分别选择合适的材料进行动态调整，以适应不同的应用场景。在弹性体表面涂敷纳米抗菌涂层，能够有效抵抗常见细菌生长。
[0035]
本发明提供的模块化智能响应弹性减震结构阵列应用范围包括座垫，背包，儿童座椅，沙发，床垫，头盔以及人体安全防护等领域。
[0036]
本发明的有益效果是：与现有的技术相比，模块化的结构设计为不同应用场景提供了灵活的组合方式；具有空腔的弹性体的突触结构阵列设计能够动态调整载荷与人体的接触面积，在保持减震效果的同时，能够节约材料并获得轻量化的效果，且稳定性更好；吸能体模块的加入使减震垫能够获得应对突加的重型载荷的能力，安全系数获得极大提升；模块化的设计使得材料的更换和调整变得更加容易。具有广谱抗菌性能，能够减少细菌感染带来的疾病传播。
附图说明
[0037]
图1为本发明弹性减震结构的示意图。
[0038]
图2a为实心的智能响应弹性减震结构阵列的俯视图。
[0039]
图2b为实心的智能响应弹性减震结构阵列的侧视剖视图。
[0040]
图3为实心的智能响应弹性减震结构阵列应对载荷时的智能响应示意图。
[0041]
图4a为模块化智能响应弹性减震结构阵列的俯视图。
[0042]
图4b为模块化智能响应弹性减震结构阵列的侧视剖视图。
[0043]
图5为本发明中弹性减震结构应对常规载荷和突加载荷时的响应示意图。
[0044]
图6a为本发明中模块化智能响应弹性减震结构阵列环形非旋转阵列的示意图。
[0045]
图6b为本发明中模块化智能响应弹性减震结构阵列环形旋转阵列。
[0046]
图6c为本发明中模块化智能响应弹性减震结构阵列镜像环形旋转阵列。
[0047]
图7为本发明中银纳米粒子(直径在5nm到50nm)涂层在tpe材料上的扫描电子显微镜图像。
[0048]
图8为本发明中弹性减震结构长径比的示意图。其中，a为弹性减震结构的最长径，b为与所述最长径垂直的最长径。
具体实施方式
[0049]
结合以下具体实施例和附图，对发明作进一步的详细说明。实施本发明的过程、条件、实验方法等，除以下专门提及的内容之外，均为本领域的普遍知识和公知常识，本发明没有特别限制内容。
[0050]
图1-图7中，1-弹性体模块；11-受力单元；111-受力机构；112-受力面；12-支撑单元；121-空腔；13-弹性体底座；131-孔；2-吸能体模块；21-吸能体底座；22-吸能单元。
[0051]
如图1所示，本发明提出的弹性体模块1包括受力单元11、支撑单元12和弹性体底座13；受力单元11包括：受力机构111和设置在其顶部的受力面112；支撑单元12其顶部与受力机构111底部连接，其底部与弹性体底座13连接；支撑单元12内部具有空腔121或不具有空腔121。弹性体底座设置有孔131，孔131位于支撑单元的下方。
[0052]
如图1所示的弹性减震结构包括弹性体模块1和吸能体模块2，其中，吸能体模块2包括吸能体底座21和固定在其顶部的吸能单元22；吸能体底座与弹性体底座底部连接；吸能单元穿过孔探入空腔121；吸能单元填满空腔121，或与空腔的腔壁具有间隙。
[0053]
如图2a、2b所示，实心的智能响应弹性减震结构阵列，该结构阵列可适用于常规非重型载荷的应用场景。其弹性减震结构上部为弧形受力面，中部为锥形结构，下部为连接仿生突触结构单元的一体化底座。弧形受力面，锥形结构和一体化底座材质均为同一种弹性体材料，如tpe，tpr，硅橡胶，聚氨酯橡胶，聚硫橡胶，天然橡胶以及海绵。该结构设计仅可适用于没有重型冲击载荷的应用场景。其中，智能响应弹性减震结构形成的阵列方式也可为环形阵列，镜面对称阵列以及不规则的非对称阵列方式。
[0054]
如图3所示为实心的智能响应弹性减震结构阵列在外界载荷下的智能应力响应示意图。由于弹性减震结构间存在着大量的空隙，空隙的多少是由阵列的密集程度决定的，阵列的密集程度会影响到作用于人体的载荷应力大小。突触结构单元阵列的密度为10个-100000个/平方米；当外界载荷施加到减震结构上后，由于减震结构的变形，将使得弹性减震结构受力方向自动指向受力点，并自动增加载荷施加方向的弹性减震结构的数量，从而增大接触面积，减小施加到人体上的载荷应力。
[0055]
如图4所示，本发明的模块化智能响应弹性减震结构阵列示意图，该阵列适用于偶尔存在突发性重型载荷的应用场景。主要包括上部弹性体模块和下部吸能体模块，其中，弹性体模块设计为仿生突触结构。其中上部的仿生突触结构分为受力单元，具有空腔的支撑单元和连接仿生突触结构单元的一体化弹性体底座。上部的弹性体模块负责与人体的接触
并分散压应力。下部的吸能体模块主要应对突加的重型载荷，通过吸能体材料的塑性变形来吸收冲击能量，避免或减轻人体或物体在突变冲量下引起的损伤。根据不同弹性体的形变特性以及载荷的类型，突触结构，空腔以及底座的厚度可在2mm到30cm之间调整。吸能单元顶部至受力机构底部间距可根据应用场景不同在0.1mm到10cm间进行调整。
[0056]
如图5所示为本发明的弹性减震结构在不同载荷下的响应特性。在无载荷情况下(图中a)，上部的弹性体模块和下层的吸能体模块呈分离状。在常规载荷下(图中b)，仅仅通过弹性体模块的形变即可对外加载荷进行应力分散，此时吸能体模块仍然未发生形变。在突发的重型载荷情况下(图中c)，上部弹性体模块的变形仍然无法对外界冲击进行减速以减小冲击能量，此时下部的吸能体模块开始工作，通过塑性变形将外界冲击的能量逐步吸收，从而减小外界冲击对人体的伤害。
[0057]
如图6a、6b所示为本发明的模块化智能响应弹性减震结构阵列的不同阵列排布方式，环形非旋转阵列(图6a)可对平面型压力进行有效支撑，环形旋转阵列可对球面型压力进行有效支撑(图6b)，镜像环形旋转阵列可对双球面型压力(如臀部压力)进行有效支撑(图6c)。
[0058]
如图7所示为在本发明中，tpe弹性减震结构上喷涂银纳米粒子后的扫面电镜图像。使用银纳米粒子的直径在5nm到50nm之间，涂层分散液为聚乙二醇，涂敷方式为浸渍式，干燥方式为自然对流干燥。涂层中银纳米粒子的面积密度为0.3mg/cm2。扫描电镜图清晰看到银纳米粒子均匀分散在tpe材料表面。
[0059]
表1为本发明对涂敷有银纳米粒子抗菌涂层的tpe材料进行的抗菌性能测试，所使用菌种为金黄色葡萄球菌和大肠杆菌两种常见菌种。结果显示，具有抗菌涂层的tpe减震层能够杀死94％以上的细菌，并且显示了良好的循环稳定性。即使再清洗10次(将涂敷抗菌涂层的tpe材料在纯净水中浸泡搅拌1-10次，每次半小时)以后，材料的抗菌性能并未出现明显的下降。
[0060]
表1
[0061][0062]
本发明提供的模块化智能响应的抗菌型弹性减震结构，该结构具有仿生突触结构弹性体阵列，能够对外部施加载荷进行智能响应和载荷压力的自动调整，有效减小了载荷应力对人体的压迫。通过在仿生的突触结构内部设计空腔，可将二次吸能材料模块快速安装在突触结构弹性体模块内部，使得该复合结构能够对突加重型载荷的能量进行高效吸收，避免或减轻对人体的伤害，十分适合于安全防护等应用场景。突触结构弹性体和二次吸能材料的设计均为模块化，可根据应用需求选择合适的弹性体材料和二次吸能体材料模块进行组合，具有良好的可定制性，且使用方便快捷，具有轻量化的特征。通过在弹性减震垫表面涂敷纳米杀菌涂层材料，可有效杀死90％以上常见细菌并阻止细菌在减震垫表面的滋生。
[0063]
本发明可以根据不同应用场景的不同载荷情况，选择弹性体模块填装吸能体模块组成弹性减震结构，或不填装吸能体模块。其中，单用弹性体模块可以采用实心或空心结
构；不同的弹性减震结构个数及不同的排列方式可以组成适用于各种应用场景的模块化智能响应弹性减震结构阵列。本发明中所提及的所有部件均可以一体化生产。
[0064]
本发明的保护内容不局限于以上实施例。在不背离发明构思的精神和范围下，本领域技术人员能够想到的变化和优点都被包括在本发明中，并且以所附的权利要求书为保护范围。