知面不知“芯”——傳統(tǒng)與新型床墊填充材料比較
原創(chuàng)目前我國國民的睡眠問題比較突出,調(diào)查結(jié)果顯示2023年47.55%的國人平均睡眠時長不足8小時(7.40),16.79%不足7小時。伴隨著睡眠問題我國已經(jīng)成為床墊生產(chǎn)消費大國,2022年軟體家具消費規(guī)模增長至215億美元。2022年國務(wù)院發(fā)布《關(guān)于印發(fā)進一步提高產(chǎn)品、工程和服務(wù)質(zhì)量行動方案(2022—2025年)的通知》,明確指出“聚焦突出問題、明顯短板和發(fā)展關(guān)鍵”、“化解一批民生消費領(lǐng)域質(zhì)量痛點”、“加大人體工效基礎(chǔ)研究”。因此,無論是為響應(yīng)以民為本的國家政策還是踐行以人為本的產(chǎn)品設(shè)計理念,床墊行業(yè)都有較為緊迫的產(chǎn)品革新需求。
01 床墊與睡眠的密切關(guān)系
睡眠是人和床墊交互的過程,人、床之間在復(fù)雜生物力學(xué)相互作用下所產(chǎn)生的接觸面稱為人床界面,包括微環(huán)境界面、壓力界面、形狀界面。床墊支撐特性與緩壓特性以及熱舒適性均是通過人床界面特性相關(guān)指標標價。一方面,床墊的結(jié)構(gòu)設(shè)計與材料物理特征參數(shù)影響床墊的支撐與緩壓特性,從而影響用戶的睡眠舒適與健康。
02 常見床墊填充材料及其特征
床墊為多層材料組成的復(fù)合結(jié)構(gòu),如圖1所示,從上到下包括復(fù)合面料層、鋪墊層、芯層,一般為對稱結(jié)構(gòu)。由于床墊各層功能不同因此材料的物理特征參數(shù)也有較大差異,且各層結(jié)構(gòu)材料互相耦合形成床墊的整體力學(xué)特性以及支撐特性。
圖1 床墊層狀結(jié)構(gòu)示意圖(圖片來源:作者繪)
從熱舒適性角度而言,復(fù)合面料層主要影響床墊的透氣性以及熱舒適性,而對床墊的支撐特性沒有顯著影響。從床墊的支撐特性角度而言,由于鋪墊層材質(zhì)較軟,一般不能傳遞彎矩,因此鋪墊層主要起到緩沖作用,表現(xiàn)為對人-床墊界面壓力分布的影響,如圖2(a)所示,而對支撐力的影響不大。芯層主要影響床墊的支撐力,表現(xiàn)為對人體臥姿脊柱曲線的影響,如圖2(b)所示,而在鋪墊層較厚的情況下對人-床界面壓力分布影響不大。良好床墊應(yīng)該維持用戶的臥姿脊柱形態(tài)接近自然站姿形態(tài),即側(cè)臥時在冠狀面為直線,仰臥時在矢狀面為腰椎前凸角略微扁平的曲線。
圖2 床墊硬度對支撐特性影響 (a)人床界面壓力分布;(b)臥姿脊柱形態(tài)
目前常見床墊的填充材料包括聚氨酯泡沫海綿、乳膠海綿、植物纖維和螺旋彈簧等,其中植物纖維包括椰棕、山棕、竹纖維以及絲瓜絡(luò)。床墊的鋪墊層一般使用除彈簧之外的軟性材質(zhì),從而提高緩壓特性并改善睡感,而芯層包括上述所有材質(zhì),但是不同材質(zhì)導(dǎo)致床墊的力學(xué)特性有差異。彈簧床墊,即以彈簧作為芯層的床墊,支撐力較大,且通過調(diào)整彈簧的參數(shù)及其分布能夠滿足不同用戶對支撐力的需求。而以聚氨酯泡沫海綿、乳膠和植物纖維作為芯層的床墊,其支撐力與回彈性一般不如彈簧床墊,且長時間使用后會產(chǎn)生蠕變,導(dǎo)致床墊塌陷。其中聚氨酯泡沫海綿受壓變形后的應(yīng)力應(yīng)變曲線為典型的三階段曲線,如圖3(a)所示,在變形初期為近似線彈性階段,第二階段隨著壓縮量增加,而載荷變化很小,最后為密實化階段,作者壓縮量增加,載荷急劇增大。由于這種三階段曲線能夠隨著載荷的增加表現(xiàn)出不同的剛度,因此能夠適應(yīng)不同體重的用戶支撐需求而被廣泛應(yīng)用在床墊填充層。相比較而言,乳膠海綿壓縮過程沒有明顯的分段,如圖3(a)所示,隨著壓縮量增加,載荷非線性增加,整個過程剛度逐漸增加[1]。
圖3 聚氨酯泡沫海綿和乳膠海綿力學(xué)響應(yīng)[1] (a)聚氨酯泡沫海綿,(b)乳膠海綿
與聚合物材料相比,生物材料中的絲瓜絡(luò)作為填充物后壓縮過程的應(yīng)力應(yīng)變曲線與聚氨酯泡沫海綿相似,也表現(xiàn)出三個明顯的階段。如圖4所示,不同處理過程絲瓜絡(luò)的力學(xué)響應(yīng)曲線,即彈性階段、平臺階段和密實化階段。對比處理前后發(fā)現(xiàn),軟化處理后的壓縮曲線平臺階段較為平滑,沒有出現(xiàn)未處理柱狀絲瓜絡(luò)的鋸齒狀波動,這說明軟化處理后柱狀絲瓜絡(luò)纖維韌性增加,壓縮時纖維束發(fā)生塑性彎曲。以上說明絲瓜絡(luò)作為床墊填充層能夠表現(xiàn)出與聚氨酯泡沫海綿相似的支撐特征,但是絲瓜絡(luò)床墊的緩壓效果小于記憶棉床墊和乳膠床墊,但大于棕床墊[2]。
圖4 四種柱狀絲瓜絡(luò)應(yīng)力-應(yīng)變曲線[2] (a)未處理,(b)5%NaOH-5%H2O2 處理,(c)10%NaOH-20%CH3COOH 處理,(d)18%NaOH-1.6%CO(NH2)2處理
除此之外,新型聚合物材料如TPEE空氣纖維作為床墊填充物后也表現(xiàn)出優(yōu)良的緩壓特征以及吸能特性。TPEE空氣纖維結(jié)構(gòu)及應(yīng)力應(yīng)變曲線如圖5所示。從圖5可以看出,TPEE空氣纖維力學(xué)響應(yīng)曲線與絲瓜絡(luò)和海綿相似,屬于多孔材質(zhì)的特征。與海綿鋪墊層相比,床墊填充層使用TPEE空氣纖維后可有效降低界面最大壓力,且在分區(qū)床墊設(shè)計中,將TPEE材料用于人體肩胛-背部和臀部更利于降低界面壓力[3]。
圖5 TPEE空氣纖維[3] (a)材料表觀,(b)應(yīng)力應(yīng)變曲線
03 新材料TPE航空級
雖然傳統(tǒng)的填充層材料具有良好的緩壓特性且質(zhì)量較輕,但是回彈性和透氣性略差;TPEE空氣纖維雖然具有良好的透氣性與回彈性,但是材料略貴且質(zhì)量略重。如果能綜合傳統(tǒng)填充材料與TPEE空氣纖維各自的特性,則能獲得一舉兩得的效果。
近年來有一種新型的TPE材料逐漸受到關(guān)注——彈性空氣壓縮體(EAC,Elastic Air Compressors),由超彈性TPE材料制造的具有多種網(wǎng)格結(jié)構(gòu)的材料,如圖6所示。該材料最早應(yīng)用于美國航天領(lǐng)域,具高回彈性、高著色效果、耐溫性、抗疲勞性、觸感柔軟等優(yōu)良特性,后逐漸被應(yīng)用于美國家具領(lǐng)域。EAC呈鏤空網(wǎng)格狀,可完全代替床墊、沙發(fā)、枕頭和座墊等家具品類的實芯填充物或結(jié)合型填充物,不但能徹底解決不透氣、易塌陷的行業(yè)痛點外,還可直接水洗,真正潔凈防螨。
目前國內(nèi)體系化生產(chǎn)研發(fā)EAC材料及家居產(chǎn)品的企業(yè)是浙江紫色家居用品科技有限公司,該公司是國內(nèi)首次成功從TPE材料研制、產(chǎn)品設(shè)計、模具工藝到批量生產(chǎn)的全產(chǎn)業(yè)鏈落地解決方案商,專注向家具品牌商提供專業(yè)高效的個性化定制服務(wù)。
圖6 EAC材料
04 EAC產(chǎn)品系列
目前紫色創(chuàng)新將EAC系統(tǒng)應(yīng)用于不同類型的家居產(chǎn)品,所開發(fā)的產(chǎn)品系列包括床墊系列、頸枕系列、椅凳系列、沙發(fā)系列、寵物系列、兒童系列。主打賽道是床墊行業(yè),TOB業(yè)務(wù),擁有產(chǎn)品優(yōu)勢點、抓住于競品差異點、了解用戶的痛點。在TPE枕頭類目中推出的翼眠品牌已經(jīng)根深蒂固,但是在TPE床墊類目還沒有品牌浮現(xiàn),目前在電商平臺床墊類目中增設(shè)了TPE床墊、
目前EAC片材在床墊結(jié)構(gòu)中主要充當鋪墊層,如圖7所示,分為厚片材與薄片材。按照一般床墊鋪墊層厚度對支撐特性的影響規(guī)律分析,厚片材能夠獲得更好的緩壓特性。此外,如圖7(c)所示,EAC床墊片材受力后變形類似于水的流動,且網(wǎng)格空間變形后能夠產(chǎn)生更大的空間,且剪切力的影響較小,因此能起到零壓的效果;這與7(d)所示的聚氨酯泡沫海綿變形產(chǎn)生剪切力不同。
圖7 EAC床墊 (a)TPE厚片材組合示意圖,(b)TPE薄片材組合示意圖,(c)EAC床墊片材變形模擬水流動效果圖,(d)記憶海綿變形圖
EAC片材按結(jié)構(gòu)分為十字方形網(wǎng)格、十字方形網(wǎng)格、十字菱形網(wǎng)格、米字方形網(wǎng)格、六邊形網(wǎng)格和弧面蜂巢網(wǎng)格,如圖8所示。其中片材厚度以及網(wǎng)格尺寸、材料顏色均可定制,從而滿足不同的使用需求。
圖8 EAC網(wǎng)格結(jié)構(gòu)和顏色
參考文獻
[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] 張凱婷. 柱狀絲瓜絡(luò)填充材料及床墊性能研究[D]. 安徽農(nóng)業(yè)大學(xué), 2018.
[3] 房嬌嬌, 申黎明, 陳浩. TPEE材料力學(xué)性能及其對床墊體壓分布的影響[J]. 林業(yè)工程學(xué)報, 2021,6(5):191-197.
責任編輯:晁垚
文章來源:魯班園