棕纖維在床墊用品中的創(chuàng)新設(shè)計(jì)

精品文檔-下載后可編輯棕纖維在床墊用品中的創(chuàng)新設(shè)計(jì)1棕纖維材料的研究及應(yīng)用現(xiàn)狀

由于人們越來越重視天然棕纖維材料的開發(fā)利用，棕纖維作為天然纖維材料的原材料來源豐富，棕櫚樹廣泛種植于四川、云南、貴州、湖南、湖北各省，年產(chǎn)棕纖維3.5萬噸，作為經(jīng)濟(jì)林木，收益較高，其種植面積也呈逐年上升的趨勢[3]。在日常的生產(chǎn)生活中，棕纖維材料比較重要的研究和應(yīng)用有：水利、建筑工程，增強(qiáng)水利建筑工程強(qiáng)度；環(huán)境工程，過濾材料、活性炭材料等；彈性材料，墊材、緩沖材料、包裝材料等[4-6]。

2棕纖維材料在床墊設(shè)計(jì)領(lǐng)域的應(yīng)用

2.1應(yīng)用的合理性

近年來，消費(fèi)者健康環(huán)保意識不斷增強(qiáng)，綠色消費(fèi)成為時尚。由于棕床墊有純天然環(huán)保、成本低、彈性舒適等優(yōu)點(diǎn)，與普通金屬床墊相比，生產(chǎn)過程也更為綠色環(huán)保[7]。由于棕櫚纖維性能優(yōu)良且使用壽命長（至少8年），歐美等發(fā)達(dá)國家已停止在坐墊中使用海綿，而以棕纖維代替[3]。棕纖維材料取材廣泛，棕櫚樹廣泛生長于我國南方地區(qū)，在云貴部分地區(qū)作為經(jīng)濟(jì)作物種植，棕纖維的原材料來源充裕，材料的儲量豐富，可以運(yùn)用于大規(guī)模的工業(yè)化生產(chǎn)。棕纖維是非人工合成材料，在自然狀態(tài)下就可以降解，不會對自然環(huán)境造成污染。另外，棕纖維材料具有噴膠成片等模壓工藝適應(yīng)性，適合制作各類尺寸的床墊。棕纖維的材料特性適宜應(yīng)用于床墊用品設(shè)計(jì)。棕纖維透水透氣，吸收人體汗液并從床墊底部散發(fā)出去；棕纖維軟硬適中，做成床墊后相對較硬，適宜保持人體睡眠時骨骼的良好形態(tài)，又有一定彈性，舒適性較好；睡眠時正常翻身，即使在床面跳躍翻滾，也悄然無聲，無機(jī)械噪音，保證睡眠質(zhì)量。棕纖維材料大規(guī)模應(yīng)用于床墊用品領(lǐng)域有助于棕櫚產(chǎn)業(yè)的成熟發(fā)展。近代以來以席夢思為代表的彈簧床墊改變了國人的睡眠方式，但我國古代就有“富人睡棕墊，窮人睡草墊”的說法，民間對棕床墊印象良好，如果棕纖維材料大規(guī)模應(yīng)用于床墊，可以促進(jìn)棕櫚產(chǎn)業(yè)經(jīng)濟(jì)鏈的發(fā)展，對我國建設(shè)環(huán)境友好型、可持續(xù)發(fā)展的社會有重要意義。

2.2應(yīng)用的局限性和解決方案

性能較為優(yōu)良的棕片纖維產(chǎn)量少。棕纖維根據(jù)纖維提取處不同，分為從包裹樹干的外皮中提取的棕片纖維（見圖1）和棕樹枝莖中提取的棕板纖維（見圖2）。棕片纖維彈性韌性俱佳，不含糖分和鞣質(zhì)，是制作棕纖維床墊最佳的材料，但產(chǎn)量小，價格高，一棵棕櫚樹一年僅僅出產(chǎn)2kg左右的棕片。棕板纖維產(chǎn)量較高但含有一定的糖分和可水解鞣質(zhì)，較易霉變生蟲，因而生產(chǎn)中常較多應(yīng)用經(jīng)過處理過的棕板纖維來代替棕片纖維。棕纖維作為天然材質(zhì)，必然會有一定潛在的霉變蟲蛀問題，棕纖維材料必須經(jīng)過高溫物理蒸煮去鞣質(zhì)及去糖脫脂處理等多道工序，解決吸潮、霉變、生蟲等問題，或者浸漬化學(xué)物質(zhì)，填充細(xì)胞腔，隔絕水分和菌類，但此類化學(xué)改性尚處于研究階段。床墊經(jīng)常受力部分易塌陷。根據(jù)床墊的使用習(xí)慣，床沿等部位易受到重力施壓，長久容易出現(xiàn)塌陷，這和材料的力學(xué)性能直接相關(guān)，材料剛度和強(qiáng)度等力學(xué)性能的高低，直接關(guān)系到床墊的結(jié)構(gòu)能否有效抵抗外部載荷的作用，床沿主要是受沖擊載荷[8]，因此在床墊制作過程中，棕纖維單片碼墊應(yīng)注意加強(qiáng)邊緣位置的碼墊厚度和強(qiáng)度。根據(jù)體壓分布理論，考慮身體各部位壓力情況設(shè)計(jì)軟硬度不同的緩沖層，探索棕纖維床墊的分區(qū)設(shè)計(jì)。

3棕纖維材料在床墊中的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

3.1棕床墊的基本形式

棕纖維床墊的形式多樣，市場上大致有棕繃床墊、噴膠棕床墊和棕簧結(jié)合床墊3種。3.1.1棕繃床墊棕繃床制作工藝獨(dú)特，用木頭做成框架，在上面打眼，棕線密密地串成結(jié)實(shí)的床面，見圖3（圖片摘自家居商城網(wǎng)）。優(yōu)質(zhì)棕繃床木框要選用大的硬木料，且木料最好陰干兩三年，從而不易變形，棕絲采用強(qiáng)度好的山棕片絲，再加上精湛的手藝，床面韌性好，強(qiáng)度高，受力均勻，防潮透氣，冬暖夏涼，為我國江浙地區(qū)的傳統(tǒng)臥具，有“一塊棕板睡三代”的說法。棕繃床是純手工制作，產(chǎn)量小，不能大規(guī)模工業(yè)化生產(chǎn)，棕繃床對原料、手工要求較高，否則平整度欠佳，容易下榻松軟，需要定期修理。

3.1.2噴膠棕床墊

噴膠棕床墊是以棕纖維為主體材料，通過一定的加工工序，采用膠黏劑使之相互粘連，棕纖維之間交聯(lián)成網(wǎng)狀，形成膠點(diǎn)交結(jié)的多空結(jié)構(gòu)及具有一定彈性的床芯，再在其表面覆以面料形成的床墊，見圖4（圖片摘自中團(tuán)網(wǎng)）。噴膠棕床墊中，棕纖維和膠黏劑的質(zhì)量尤其關(guān)鍵。

3.1.3棕簧結(jié)合床墊

棕簧結(jié)合床墊是棕床墊和彈簧床墊的結(jié)合，緩沖層為彈簧，支撐層為棕墊，再覆以面料層，或者另一面還有海綿支撐層，可以兩面使用，見圖5（圖片摘自家具網(wǎng)）。棕簧結(jié)合床墊利用彈簧作為緩沖層，受沖擊時有良好的柔和緩沖作用，考慮人體對于舒適性的需求，使骨骼和肌肉的結(jié)構(gòu)能夠處于一種較為合理與放松的狀態(tài)，并發(fā)揮了棕墊的吸濕透氣和硬度特性，冬夏兩用，冬天睡海綿支撐層一面，溫暖舒適，夏天睡棕墊支撐層一面，涼爽透氣[9-10]。

3.2棕床墊結(jié)構(gòu)

3.2.13層結(jié)構(gòu)

依照現(xiàn)代科學(xué)對床墊舒適性和健康性的研究，同其他材料的床墊相似，棕床墊的結(jié)構(gòu)也以3層結(jié)構(gòu)為優(yōu)。最上面一層為接觸層，約2~3cm，由于與人體幾乎直接接觸，從舒適性考慮，采用柔軟的材料，如乳膠、海綿或山棕棕片纖維。中間支撐層，約2~6cm，使人體在床墊上活動時整體移動，睡眠時保持人體良好的姿態(tài)，選用較硬質(zhì)的材料，如棕板纖維、椰棕、油棕纖維或混合使用。最下面為緩沖層，約6~18cm，選用厚軟的材質(zhì)，出于成本的考慮，多采用山棕棕板纖維。

3.2.2其他結(jié)構(gòu)

根據(jù)市場的需要，除3層結(jié)構(gòu)的床墊外，還有單層、雙層以及多層結(jié)構(gòu)的棕床墊。單層床墊及單一纖維材料制成的床墊，如山棕纖維、油棕纖維或椰棕纖維，彈性和舒適性較差，用于集體宿舍或?yàn)槔夏耆怂褂?。雙層結(jié)構(gòu)將緩沖層和支撐層合二為一，采用同一材質(zhì)，接觸層仍是較為柔軟的面層。多層結(jié)構(gòu)是將緩沖層再細(xì)分多層，用不同材質(zhì)，探索提高緩沖層的支撐性能。

3.2.3分區(qū)設(shè)計(jì)

正常人站立時，脊椎形狀是S形，后背及腰部的曲線也隨著起伏，躺下時重心位于腰部附近，人體平躺時身體各部位重量分布為臀部40%，背部15%，頭部10%，腳部10%，腰部25%，人體各部位的受力和其質(zhì)量成正比[11]。因而，對床墊進(jìn)行分區(qū)設(shè)計(jì)是非常有必要的，也進(jìn)行了相關(guān)的研究，且市場上分區(qū)床墊的設(shè)計(jì)越來越細(xì)致，從三區(qū)、五區(qū)、七區(qū)，甚至九區(qū)，根據(jù)頭部、肩背部、腰部、臀部、大腿、小腿和腳部不同壓力情況，設(shè)計(jì)軟硬度不同的緩沖層[12]，棕纖維床墊也需要擺脫單一硬度的平板結(jié)構(gòu)，根據(jù)體壓分布理論，實(shí)現(xiàn)分區(qū)化的軟硬度設(shè)計(jì)，從而實(shí)現(xiàn)高質(zhì)量和高舒適度的睡眠。

4棕床墊設(shè)計(jì)領(lǐng)域中的探索與創(chuàng)新

4.1棕纖維成片工藝的創(chuàng)新

噴涂工藝將天然纖維作為緩沖材料是將纖維鋪展好，噴涂膠黏劑，使膠液充分滲透，再干燥模壓固化而成型材?，F(xiàn)在市場上棕床墊以棕纖維成片噴膠固化成型為主流，它經(jīng)過了棕纖維預(yù)處理、棕纖維噴膠成片、碼疊、熱壓、硫化、冷卻和切割成型等工序完成。每個工序都有自己的操作規(guī)范，其中棕纖維的預(yù)處理、棕纖維噴膠成片、碼疊等工藝流程有繼續(xù)深入創(chuàng)新的現(xiàn)實(shí)需要。棕纖維的預(yù)處理是在棕纖維打散鋪裝前，篩除纖維中的沙土、棕皮等雜料，進(jìn)而蒸煮、碾壓、梳理，然后利用制繩機(jī)絞成單股單向的螺旋繩，保持存放一段時間，使其彎曲定型，彎曲的棕纖維鋪疊在一起更能增加彈性。棕纖維是自然材料，沒有達(dá)到像金屬彈簧類似的精確量化的打繩彎曲角度等數(shù)據(jù)，因而需要進(jìn)一步創(chuàng)新。棕纖維噴膠成片是將棕繩打散，鋪成單片施膠，單片的厚度、質(zhì)量以及每個單片的施膠量都有一定的規(guī)范，但如何實(shí)現(xiàn)單片的厚度、密度均勻，橡膠均勻地包裹在每個纖維上，并實(shí)現(xiàn)在纖維交結(jié)處形成膠花，從而實(shí)現(xiàn)最優(yōu)的工藝性能，也是需要創(chuàng)新的內(nèi)容。碼墊是將單片鋪疊成一定面積和質(zhì)量的棕墊，然后經(jīng)過熱壓、硫化形成成品。現(xiàn)在的碼疊工序還是依靠人工操作，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)清理未噴透的單片和棕疙瘩，補(bǔ)齊有漏洞的單片和在四周加上加強(qiáng)片，如何實(shí)現(xiàn)機(jī)械化、自動化甚至智能化的碼疊，也是需要創(chuàng)新的工藝設(shè)計(jì)內(nèi)容。

4.2棕床墊結(jié)構(gòu)的創(chuàng)新

市場上常見的棕纖維床墊基本都是平板結(jié)構(gòu)，創(chuàng)新的波浪和圓筒結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的棕床墊正處在研究和探索階段。波浪結(jié)構(gòu)的棕墊是將鋪疊好的單片放入波浪形的模壓機(jī)中熱壓而成，見圖6[13]。圓筒結(jié)構(gòu)的棕墊是通過模具將鋪疊好的單片膠合定型成圓筒狀，再平鋪成板狀，見圖7[13]。3種床墊中，平板結(jié)構(gòu)受力均勻，但需要較多的棕纖維單片碼疊才能實(shí)現(xiàn)較高的強(qiáng)度。波浪結(jié)構(gòu)的頸部受擠壓，密度增加，強(qiáng)度加大，加上腹部吸納能力，是性能較強(qiáng)的彈性體。圓筒結(jié)構(gòu)受壓時中空部位產(chǎn)生位移，而緊密的纖維材料產(chǎn)生抗力，壓力消除后恢復(fù)原狀，彈性也較強(qiáng)。3種比較，波浪和圓筒結(jié)構(gòu)的受壓強(qiáng)度和彈性較強(qiáng)，且通風(fēng)透氣性較好，但兩種創(chuàng)新結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的量化的力學(xué)彈性模量仍需要進(jìn)一步探索[7，13]。

5結(jié)語

棕纖維是綠色環(huán)保、環(huán)境友好型的可再生資源，材料特性