队伍编号

217102

选题

创新设计类

产品名称

可降解纤维素的智能座垫

申报单位名称

（此处加盖院系公章）

参赛队员

虎华 李文彤 孙子健 裴伦雨

指导教师

郝三伟

联系

方式

联系人

虎华

电话

18695422005

手机

18695422005

邮箱

2876509405@qq.com 

产品简介

一、开发背景

   当前面临资源短缺与环境污染双重挑战，传统坐垫产品存在显著短板：多数采用聚氨酯泡沫等石油基高分子材料，生产能耗高、污染重，废弃后难降解易形成“白色污染”；部分可降解坐垫又存在力学性能不足、舒适度低、成本偏高的问题。为推动家居产品向低碳与可持续方向转型，项目以“绿色、高性能、智能化”为核心目标，开发可降解智能纤维坐垫，既解决传统产品的环保痛点，又满足用户对舒适度和功能性的需求。

二、结构说明

 产品采用“材料+结构”双创新的复合结构设计，具体可分为三层核心部分：

 1. 基材层：以低成本、可再生的阔叶木浆板为基础基材，利用天然纤维素的可降解性与生物相容性，保障产品环保属性，同时为结构提供基础支撑。(纯纤维素加明胶荧光显示图见图1)

2. 功能复合层：在木浆板表面复合明胶柔性膜，通过氢键网络与分子柔性形成“刚-柔耦合”结构，实现应力缓冲和裂纹扩展引导，解决传统材料易开裂、抗疲劳性差的问题。

3. 内部拓扑结构层：通过拓扑优化设计与3D打印技术，构建轻量化多孔结构（如内凹蜂窝结构、负泊松比单元），兼具高回弹、透气、高效能量吸收特性，材料利用率超90%。此外，内置高灵敏度压力传感器，构成智能监测模块，为功能实现提供硬件支持。 

图1 纤维素/明胶膜荧光显示图

三、功能与使用说明

（一）核心功能

1. 环保降解功能：以可降解纤维素为核心材料，结合降解动力学模型，产品在自然环境中180天内降解率达90%以上，碳减排量提升50%以上，避免“白色污染”。

2. 高性能使用功能：

力学性能：拉伸强度可达9MPa，耐弯折次数超2000次，在-70℃至40℃范围内性能稳定，长期使用不易损坏。(材料抗弯折性能分析见图2)

舒适体验：多孔拓扑结构提升透气性，“刚-柔耦合”设计增强缓冲性，兼顾支撑性与柔软度，适配不同坐姿需求。

图2 材料抗弯折性能分析

3. 智能监测功能：内置压力传感器可精准检测压力分布，通过无线传输将数据发送至移动终端，帮助用户实时了解坐姿情况，养成健康坐姿习惯。

设计说明

一、材料耦合原理

以阔叶木浆板（含天然纤维素，具刚性支撑与可降解性）为基层，明胶（分子链柔，可缓冲应力、引导裂纹）为表层，通过氢键等作用刚柔耦合，既保支撑稳定，又提升舒适与耐用性，且二者均天然可降解，契合环保。

图3 刚—柔耦合双层结构

二、拓扑优化原理

1、孔隙分布优化：算法根据人体坐姿时的压力分布数据，模拟不同孔隙分布下结构的力学响应。在压力集中区域（如臀部、腰部接触区），优化得到较小的孔隙尺寸和合理的孔隙密度，以增强局部力学支撑；在压力较小区域，设计较大的孔隙，减少材料用量，从而在保证坐垫整体力学性能（如抗压缩、抗弯折）的前提下，实现结构轻量化，降低材料消耗，同时提升透气性。

图4 多孔缓冲单元

2、负泊松比效应原理

部分区域融入负泊松比单元拓扑结构，负泊松比材料在受压缩时，会产生横向膨胀而非收缩的特性。这种特性使得坐垫在承受人体压力时，接触区域能更均匀地分散应力，避免局部应力集中导致的材料损坏，同时提升坐垫的回弹性和舒适度。

图5 三维内凹板状负泊松比点阵结构设计方法

三，智能传感与反馈

内置的高灵敏度压力传感器基于压阻效应工作。当传感器受到人体坐姿压力时，其内部的敏感材料（如压敏电阻）的电阻值会随压力大小发生变化。通过测量电阻值的变化，可将压力信号转化为电信号，进而获取坐姿压力的分布情况。

产品特色

一、创新性

1.结构设计：提出阔叶浆膜-明胶双层复合策略，形成裂纹调控与

能量耗散的协同效应，显著提升寿命与舒适度。

2.加工工艺：结合拓扑优化与 3D 打印，实现梯度孔隙率多级缓冲结构，兼顾轻量化与强度，材料利用率超过 90%，生产成本降低约 30%。

3.环境友好：建立降解动力学模型与全生命周期碳追踪体系，产品可在 180 天内降解率达 90%以上，碳减排量提升 50%以上。

二、可行性

本产品以可降解纤维素为核心材料，原料来源广泛、价格低廉，具备大规模生产的可行性。采用熔融 3D 打印技术实现复杂结构的精准成型，材料利用率高，生产成本较传统工艺降低约 30%，具有良好的经济竞争力。产品兼具透气性、回弹性与舒适度，可满足家居、办公、医疗及交通等多领域对绿色健康坐具的需求。同时，其可在自然环境中快速降解，符合国家节能减排政策与众环保理念。综上该作品具备广阔的市场推广潜力和显著的应用价值。

三、完整性

1、技术与设计：材料上以可降解阔叶木浆板 + 明胶为核心，搭配 “刚 - 柔耦合” 双层结构与拓扑优化多孔设计，智能模块含压力传感、无线传输及终端联动，“材料 - 结构 - 智能” 逻辑闭环；工艺采用熔融 3D 打印，材料利用率超 90%、成本降 30%，适配性能优化需求。

2、性能验证：明确拉伸强度 9MPa、-70℃至 40℃性能稳定、180 天降解率超 90% 等核心指标，有抗弯折分析图等支撑，但智能传感精度、长期回弹衰减等数据缺失。

3、生产应用：原料易得、3D 打印技术成熟，具备规模化基础，可应用于家居、医疗等多领域

四、规范性

1、环保规范性：明确符合“低碳可持续”方向，核心指标可量化——自然环境中180天降解率超90%、碳减排量提升50%以上，且建立了降解动力学模型与全生命周期碳追踪体系，贴合当前环保政策对可降解产品的基础要求。

2、基础性能规范性：力学性能和工艺参数清晰且可验证，如拉伸强度达9MPa、耐弯折超2000次、-70℃至40℃性能稳定，同时3D打印工艺实现材料利用率超90%、成本降低30%，这些指标为生产和质量管控提供了明确依据。                               

3、设计逻辑规范性：采用“基材层+功能复合层+内部拓扑结构层”的三层复合设计，搭配“材料-结构-智能”的技术闭环，从材料选择（可降解纤维素+明胶）到功能实现（环保+高性能+智能监测）的逻辑链条完整，符合产品开发的系统性规范。