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知面不知“芯”——传统与新型床垫填充材料比较

原创

 目前我国国民的睡眠问题比较突出,调查结果显示2023年47.55%的国人平均睡眠时长不足8小时(7.40),16.79%不足7小时。伴随着睡眠问题我国已经成为床垫生产消费大国,2022年软体家具消费规模增长至215亿美元。2022年国务院发布《关于印发进一步提高产品、工程和服务质量行动方案(2022—2025年)的通知》,明确指出“聚焦突出问题、明显短板和发展关键”、“化解一批民生消费领域质量痛点”、“加大人体工效基础研究”。因此,无论是为响应以民为本的国家政策还是践行以人为本的产品设计理念,床垫行业都有较为紧迫的产品革新需求。

01 床垫与睡眠的密切关系

睡眠是人和床垫交互的过程,人、床之间在复杂生物力学相互作用下所产生的接触面称为人床界面,包括微环境界面、压力界面、形状界面。床垫支撑特性与缓压特性以及热舒适性均是通过人床界面特性相关指标标价。一方面,床垫的结构设计与材料物理特征参数影响床垫的支撑与缓压特性,从而影响用户的睡眠舒适与健康。

02 常见床垫填充材料及其特征

床垫为多层材料组成的复合结构,如图1所示,从上到下包括复合面料层、铺垫层、芯层,一般为对称结构。由于床垫各层功能不同因此材料的物理特征参数也有较大差异,且各层结构材料互相耦合形成床垫的整体力学特性以及支撑特性。

知面不知“芯”——传统与新型床垫填充材料比较

图1 床垫层状结构示意图(图片来源:作者绘)

从热舒适性角度而言,复合面料层主要影响床垫的透气性以及热舒适性,而对床垫的支撑特性没有显著影响。从床垫的支撑特性角度而言,由于铺垫层材质较软,一般不能传递弯矩,因此铺垫层主要起到缓冲作用,表现为对人-床垫界面压力分布的影响,如图2(a)所示,而对支撑力的影响不大。芯层主要影响床垫的支撑力,表现为对人体卧姿脊柱曲线的影响,如图2(b)所示,而在铺垫层较厚的情况下对人-床界面压力分布影响不大。良好床垫应该维持用户的卧姿脊柱形态接近自然站姿形态,即侧卧时在冠状面为直线,仰卧时在矢状面为腰椎前凸角略微扁平的曲线。

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图2 床垫硬度对支撑特性影响 (a)人床界面压力分布;(b)卧姿脊柱形态

目前常见床垫的填充材料包括聚氨酯泡沫海绵、乳胶海绵、植物纤维和螺旋弹簧等,其中植物纤维包括椰棕、山棕、竹纤维以及丝瓜络。床垫的铺垫层一般使用除弹簧之外的软性材质,从而提高缓压特性并改善睡感,而芯层包括上述所有材质,但是不同材质导致床垫的力学特性有差异。弹簧床垫,即以弹簧作为芯层的床垫,支撑力较大,且通过调整弹簧的参数及其分布能够满足不同用户对支撑力的需求。而以聚氨酯泡沫海绵、乳胶和植物纤维作为芯层的床垫,其支撑力与回弹性一般不如弹簧床垫,且长时间使用后会产生蠕变,导致床垫塌陷。其中聚氨酯泡沫海绵受压变形后的应力应变曲线为典型的三阶段曲线,如图3(a)所示,在变形初期为近似线弹性阶段,第二阶段随着压缩量增加,而载荷变化很小,最后为密实化阶段,作者压缩量增加,载荷急剧增大。由于这种三阶段曲线能够随着载荷的增加表现出不同的刚度,因此能够适应不同体重的用户支撑需求而被广泛应用在床垫填充层。相比较而言,乳胶海绵压缩过程没有明显的分段,如图3(a)所示,随着压缩量增加,载荷非线性增加,整个过程刚度逐渐增加[1]

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图3 聚氨酯泡沫海绵和乳胶海绵力学响应[1] (a)聚氨酯泡沫海绵,(b)乳胶海绵

与聚合物材料相比,生物材料中的丝瓜络作为填充物后压缩过程的应力应变曲线与聚氨酯泡沫海绵相似,也表现出三个明显的阶段。如图4所示,不同处理过程丝瓜络的力学响应曲线,即弹性阶段、平台阶段和密实化阶段。对比处理前后发现,软化处理后的压缩曲线平台阶段较为平滑,没有出现未处理柱状丝瓜络的锯齿状波动,这说明软化处理后柱状丝瓜络纤维韧性增加,压缩时纤维束发生塑性弯曲。以上说明丝瓜络作为床垫填充层能够表现出与聚氨酯泡沫海绵相似的支撑特征,但是丝瓜络床垫的缓压效果小于记忆棉床垫和乳胶床垫,但大于棕床垫[2]

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图4 四种柱状丝瓜络应力-应变曲线[2] (a)未处理,(b)5%NaOH-5%H2O2 处理,(c)10%NaOH-20%CH3COOH 处理,(d)18%NaOH-1.6%CO(NH2)2处理

除此之外,新型聚合物材料如TPEE空气纤维作为床垫填充物后也表现出优良的缓压特征以及吸能特性。TPEE空气纤维结构及应力应变曲线如图5所示。从图5可以看出,TPEE空气纤维力学响应曲线与丝瓜络和海绵相似,属于多孔材质的特征。与海绵铺垫层相比,床垫填充层使用TPEE空气纤维后可有效降低界面最大压力,且在分区床垫设计中,将TPEE材料用于人体肩胛-背部和臀部更利于降低界面压力[3]

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图5 TPEE空气纤维[3] (a)材料表观,(b)应力应变曲线

03 新材料TPE航空级

虽然传统的填充层材料具有良好的缓压特性且质量较轻,但是回弹性和透气性略差;TPEE空气纤维虽然具有良好的透气性与回弹性,但是材料略贵且质量略重。如果能综合传统填充材料与TPEE空气纤维各自的特性,则能获得一举两得的效果。

近年来有一种新型的TPE材料逐渐受到关注——弹性空气压缩体(EAC,Elastic Air Compressors),由超弹性TPE材料制造的具有多种网格结构的材料,如图6所示。该材料最早应用于美国航天领域,具高回弹性、高着色效果、耐温性、抗疲劳性、触感柔软等优良特性,后逐渐被应用于美国家具领域。EAC呈镂空网格状,可完全代替床垫、沙发、枕头和座垫等家具品类的实芯填充物或结合型填充物,不但能彻底解决不透气、易塌陷的行业痛点外,还可直接水洗,真正洁净防螨。

目前国内体系化生产研发EAC材料及家居产品的企业是浙江紫色家居用品科技有限公司,该公司是国内首次成功从TPE材料研制、产品设计、模具工艺到批量生产的全产业链落地解决方案商,专注向家具品牌商提供专业高效的个性化定制服务。

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图6 EAC材料

04 EAC产品系列

目前紫色创新将EAC系统应用于不同类型的家居产品,所开发的产品系列包括床垫系列、颈枕系列、椅凳系列、沙发系列、宠物系列、儿童系列。主打赛道是床垫行业,TOB业务,拥有产品优势点、抓住于竞品差异点、了解用户的痛点。在TPE枕头类目中推出的翼眠品牌已经根深蒂固,但是在TPE床垫类目还没有品牌浮现,目前在电商平台床垫类目中增设了TPE床垫、

目前EAC片材在床垫结构中主要充当铺垫层,如图7所示,分为厚片材与薄片材。按照一般床垫铺垫层厚度对支撑特性的影响规律分析,厚片材能够获得更好的缓压特性。此外,如图7(c)所示,EAC床垫片材受力后变形类似于水的流动,且网格空间变形后能够产生更大的空间,且剪切力的影响较小,因此能起到零压的效果;这与7(d)所示的聚氨酯泡沫海绵变形产生剪切力不同。

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图7 EAC床垫 (a)TPE厚片材组合示意图,(b)TPE薄片材组合示意图,(c)EAC床垫片材变形模拟水流动效果图,(d)记忆海绵变形图

EAC片材按结构分为十字方形网格、十字方形网格、十字菱形网格、米字方形网格、六边形网格和弧面蜂巢网格,如图8所示。其中片材厚度以及网格尺寸、材料颜色均可定制,从而满足不同的使用需求。

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图8 EAC网格结构和颜色

参考文献

[1]    Chao Y, Liu T, Shen L. Method and finite element verification of indentation calculation for a novel air-spring mattress: for estimating spinal alignment in sleep postures[J]. ENGINEERING COMPUTATIONS, 2023.

[2]    张凯婷. 柱状丝瓜络填充材料及床垫性能研究[D]. 安徽农业大学, 2018.

[3]    房娇娇, 申黎明, 陈浩. TPEE材料力学性能及其对床垫体压分布的影响[J]. 林业工程学报, 2021,6(5):191-197.

 

  

责任编辑:晁垚

文章来源:鲁班园

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