基于睡眠健康的化纖枕芯填充材料性能研究

萬殊姝 沈蘭萍 張紫艷

摘?要：為對比各類化學(xué)纖維枕芯的睡眠舒適性，選取滌綸、羽絨棉、丙綸、白竹炭纖維和合金鍺纖維5類填充纖維，制成枕芯小樣，分別測試其透氣性、透濕性、靜態(tài)熱性能、硬挺度和壓縮性。通過各項性能數(shù)據(jù)的對比，獲得各類枕芯在睡眠健康及舒適性上的優(yōu)劣。結(jié)果表明，枕芯的透氣性主要由填充纖維間空隙大小決定，滌綸枕芯透氣性最好;纖維自身的吸濕性會影響枕芯的透濕，白竹炭纖維因內(nèi)含竹炭微粉，其枕芯的透濕性最好;羽絨棉纖維因其特殊的中空結(jié)構(gòu)，其保暖性和彈性最好;丙綸纖維因具有良好的抗彎剛度，其枕芯對頭頸部的支撐能力和蓬松度均為最好。通過測試分析，得到了各類化纖枕芯的特點，為消費者選取產(chǎn)品提供一定借鑒。

關(guān)鍵詞：睡枕枕芯;滌綸;羽絨棉;丙綸;白竹炭纖維;合金鍺纖維

中圖分類號：TS102.5

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號：1009-265X（2021）02-0001-06

作者簡介：萬殊姝（1996-），女，湖南湘潭人，碩士研究生，主要從事紡織材料改性及功能性紡織材料方面的研究。

Abstract：In order to compare the comfortable capability of various types of chemical fiber pillow fillings， five types of chemical fibers including polyester， down-cotton， polypropylene， white bamboo charcoal fiber and germanium alloy fiber were selected to make pillow filling samples. The samples were tested for the air permeability， moisture permeability， static thermal performance， stiffness and compressibility respectively. Through the comparison of various performance data， the advantages and disadvantages of the samples in respect of sleep health and comfortable capability are obtained. The result shows that the air permeability of pillow filling is mainly determined by pore size of the filling， and the polyester pillow performs best in air permeability. The moisture absorption of fiber will affect the moisture permeability of the pillow， and white bamboo charcoal fiber preforms best in moisture permeability since it contains bamboo charcoal powder. Having a special hollow structure， down-cotton fibers preforms best in heat retention and resilience. Polypropylene fiber is of good bending stiffness， and the pillow filling made from it performs best in bulkiness and the ability of supporting the head and neck. Through testing and analysis， the characteristics of various types of chemical fiber pillows are summarized to provide some reference for consumers to select products.

Key words：sleeping pillow filling; polyester; down-cotton; polypropylene; white bamboo charcoal fiber; germanium alloy fiber

人類有三分之一的時間都用于睡眠，良好的睡眠質(zhì)量對于人類活動具有重要影響。心理因素、生理因素、環(huán)境因素和寢具因素均會對睡眠質(zhì)量產(chǎn)生影響[1-3]。睡覺時人體處于平躺的姿勢，血液會集中涌向頭部。如果不使用枕頭容易造成頭部充血，壓迫血管壁。如果使用了枕頭，但是其厚度、軟硬、材質(zhì)等不合適，也可能會導(dǎo)致各類頸椎、皮膚或呼吸道疾病[4-6]。睡枕的形狀主要分為立方型枕、扁平型枕、S型枕、凹型枕和凸型枕。何艷梅等[7]通過問卷調(diào)查和性能測試，發(fā)現(xiàn)S型枕是較多被調(diào)查者主觀認(rèn)為最舒適的一種枕芯，同時睡枕的主觀高度感、枕型的合體感、濕悶感對總體舒適感評價有較大影響;侯建軍等[8]通過壓力測試、舒適感主觀評價、相關(guān)性及方差分析等方法，得到凸形枕和S形枕在使用時壓力分布均勻，脊柱的變形較小，整體舒適性較高的結(jié)論。崔蒙蒙[9]認(rèn)為，睡枕的長度應(yīng)當(dāng)長于肩膀適當(dāng)，便于使用者在翻身時也能平穩(wěn)支撐頭部，而寬度應(yīng)當(dāng)比頭頸部略大即可，如若過寬，則可能會導(dǎo)致使用者肩部也被增高，進(jìn)而造成肩頸不適。除上述提到的因素外，睡枕的材質(zhì)也是影響睡眠質(zhì)量和舒適性的關(guān)鍵因素之一。睡枕材質(zhì)自身的透氣性、透濕性、壓縮回復(fù)性和接觸感的差異直接決定了睡眠舒適性。睡枕分為枕套和枕芯兩個部分。枕套與肌膚接觸，一般選擇易于清洗、耐磨和觸感良好的紡織面料。而枕芯則是枕頭發(fā)揮作用的關(guān)鍵部分，雖然它不是直接接觸皮膚，卻在許多方面影響頭頸部甚至全身的健康。如果所選擇的枕芯填充物不好，頭頸部產(chǎn)生的代謝廢物可能會在枕芯內(nèi)部造成細(xì)菌滋生，進(jìn)而引起呼吸道、消化道或者皮膚疾病。目前，市面上的枕芯填充物包括中藥、天然纖維、化學(xué)纖維和乳膠幾類，其中化學(xué)纖維作為填充物的枕芯產(chǎn)品仍然是市面上的主流。即使是其他材料的枕芯，也會有許多產(chǎn)品通過混入化學(xué)纖維改善其缺陷，例如在枕芯上部位置設(shè)置決明子和茶梗包，下部和外部為化學(xué)纖維，起到支撐、提供彈性的作用;或者是將天然纖維與化學(xué)纖維按照一定比例混合后填充枕頭，以降低成本，提升耐用性。因此探究化學(xué)纖維作為枕芯材料的各項性能具有實際意義。

化纖枕芯主要有以下幾類：滌綸、羽絨棉、丙綸。滌綸是當(dāng)前應(yīng)用范圍最廣泛的一類合成纖維。滌綸纖維填充的產(chǎn)品具有彈性大、質(zhì)量輕、價格低廉的優(yōu)點[10]。羽絨棉又稱絲綿或中空棉，它是一種中空滌綸，相較于普通滌綸，其纖維的纖度小，又因質(zhì)似羽絨，故稱為羽絨棉。其產(chǎn)品保暖效果好，價格較動物羽絨低許多[11-12]。丙綸纖維填充的產(chǎn)品有壓縮回復(fù)性和保暖性好，易于清洗晾曬并且廉價的優(yōu)勢，它被廣泛應(yīng)用于玩具中的填充材料、服裝里料、家具用品等多個行業(yè)[13-15]。隨著科學(xué)技術(shù)水平的發(fā)展，選取具有良好舒適性和保健作用的功能性纖維作為枕芯填充物也是一種發(fā)展趨勢，例如吸濕透氣、抗菌除臭的白竹炭纖維[16-17]以及可以有效釋放負(fù)離子、發(fā)射遠(yuǎn)紅外的合金鍺纖維[18-19]等，這類纖維一般是將具有某種功能的微粉（如竹炭粉末、合金鍺粉末等）通過特殊的工藝與切片或紡絲液混合，再通過常規(guī)方法紡絲制備獲得。根據(jù)切片或紡絲液的不同，又各自分為滌綸基、黏膠基等類型。將上述幾類化學(xué)纖維分別填充為枕芯小樣，并測試其透氣性、透濕性、靜態(tài)熱性能、硬挺度和壓縮性等內(nèi)容，進(jìn)而較為全面的考量各類枕芯填充材料的性能。

1?實?驗

1.1?原料選取

選取的原料有滌綸纖維、丙綸纖維、羽絨棉纖維、白竹炭纖維和合金鍺纖維，其中白竹炭纖維和合金鍺纖維均為滌綸基。5種纖維的具體規(guī)格和參數(shù)如表1所示。

為了盡可能的避免因為實驗的纖維原料在生產(chǎn)和打包運輸?shù)入A段產(chǎn)生的結(jié)塊不均勻現(xiàn)象影響實驗結(jié)果，實驗用的纖維要預(yù)先經(jīng)過開清梳聯(lián)合機梳理后平鋪成纖維網(wǎng)后方可使用。

1.2?性能測試

1.2.1?透氣性測試

按照GB/T 5453—1997《紡織品 透氣性的測定》進(jìn)行測試。分別將經(jīng)過梳理后的30 g散纖維裝入尺寸為30 cm×30 cm的滌綸網(wǎng)紗袋中。儀器的壓強差設(shè)置為100 Pa。對每種試樣多個部位進(jìn)行多次測試，取5次測試結(jié)果的平均值。

1.2.2?透濕性測試

按照GB/T 12704.1—2009《紡織品 織物透濕性試驗方法 第1部分：吸濕法》進(jìn)行測試。稱取質(zhì)量為（2±0.05）g的纖維試樣裝入滌綸網(wǎng)紗做成大小相同的圓形袋子。實驗箱內(nèi)溫度為（36±0.5）℃，相對濕度為（90±2）%，氣流速度為0.4 m/s。每種纖維各制備3組試樣，取3組測試結(jié)果的平均值。

1.2.3?靜態(tài)熱性能測試

按照文獻(xiàn)[20]測試：稱取調(diào)濕后的散纖維各10 g，分別裝入500 mL燒杯中，用膠帶將大小與燒杯口一致的硬紙板沿著邊緣粘牢在燒杯口上，使得燒杯密封。在硬紙板上開一個小孔，把溫度計通過小孔插入纖維中部。將燒杯置入已加熱好的水浴鍋中，觀察燒杯中溫度計的數(shù)值，記錄數(shù)值從25 ℃上升至40 ℃的范圍內(nèi)，每改變1 ℃所用的時長;然后再將燒杯從水浴鍋中取出置于常溫，記錄溫度計數(shù)值從40 ℃下降至25 ℃范圍內(nèi)，每改變1 ℃所用的時長。每種纖維各測試1次。

1.2.4?硬挺度測試

枕芯的硬挺度指其抵抗彎曲變形的能力，因此使用抗彎剛度來表征。按照GB/T 18318.1—2009《紡織品 彎曲性能的測定 第1部分：斜面法》進(jìn)行測試。使用角度為45°、尺寸為25 cm×20 cm的自制簡易梯形裝置，試樣由邊緣縫合的滌綸網(wǎng)紗包覆，試樣不加絎縫，避免絎縫部位抗彎剛度增加而影響試樣的彎曲性能。試樣的有效尺寸為（10±1）cm×（30±1）cm，填充量為（10±0.05）g。每個試樣分別沿兩個方向各測試5次，取平均值，得到兩個方向的抗彎剛度B1/（cN·cm）和B2/（cN·cm）。再根據(jù)式（1），計算得枕芯總抗彎剛度B總/（cN·cm）。

1.2.5?壓縮性測試

按照FZ/T 01051.2—1998《紡織材料和紡織制品 壓縮性能 第2部分：連續(xù)壓縮性的測定》進(jìn)行測試。將質(zhì)量10、15、20、25、30、35 g和40 g的不同散纖維分別裝入（30±1）cm×（30±1）cm的試樣袋中，試樣不加絎縫。實驗選擇的壓板尺寸為5 cm×2 cm，壓頭運行速度設(shè)置為3 mm/min，設(shè)置輕壓為1 cN/cm2，重壓為14.7 cN/cm2。測試位置為試樣距離邊線5 cm處的四個角和中心位置。試驗記錄初始厚度T0/mm、最小厚度Tm/mm、壓縮功W/（cN·cm/cm2）、回復(fù)功Wτ/（cN·cm/cm2）、試樣面積A/cm2和試樣質(zhì)量G/g，再根據(jù)式（2）、（3）、（4）分別計算得到試樣的壓縮率C/%、壓縮功彈性率R/%和蓬松度B/（cm3/g）。每組試樣測試3次，取平均值。

2?結(jié)果與分析

2.1?透氣性

人體在睡眠狀態(tài)時，頭頸部會產(chǎn)生熱量與代謝物，如果與其直接接觸的睡枕無法快速有效地將其吸收排出，長期使用透氣性與透濕性差的睡枕，將對睡眠質(zhì)量與頭部健康產(chǎn)生影響。

透氣性測試結(jié)果如圖1所示。

由圖1可以看出，填充物為滌綸纖維的枕芯小樣透氣性最好。當(dāng)填充物為散纖維時，枕芯的透氣主要是通過纖維間的空隙實現(xiàn)的，空隙體積越大，空氣越容易流通。實驗中，各組纖維裝入的小袋尺寸和所裝質(zhì)量均相同，則纖維間的空隙主要是由纖維的卷曲性決定。根據(jù)表1中的纖維卷曲率可知，滌綸纖維的卷曲性最好，越卷曲的纖維，在空間中所占體積會更大。5種纖維中，枕芯小樣透氣性最低的是羽絨棉纖維，因為它不僅直徑最小，同時具有最低的纖度，因此在實驗規(guī)定的條件下，枕芯小樣中的纖維數(shù)量更多，纖維排列更緊密，影響了空氣的流通，使得透氣性變差。

2.2?透濕性

枕芯的透濕性與透氣性共同決定了枕芯能否吸收人體代謝，維持頭頸部在睡眠期間的干爽。相比于透氣性，透濕性的結(jié)果除了受到枕芯填充纖維間空隙大小的影響，纖維自身吸濕導(dǎo)濕性能的影響作用也很明顯。透濕性結(jié)果如圖2所示。

枕芯填充物實現(xiàn)透濕，主要有3種途徑：一是依靠纖維自身的親水基團(tuán)結(jié)合水分子;二是通過纖維間的毛細(xì)效應(yīng);三是依靠纖維間的空隙。研究選取的纖維均為滌綸或丙綸類的合成纖維，這些纖維分子結(jié)構(gòu)缺少親水基團(tuán)，因此其透濕主要依靠后兩種途徑。由圖2可知，白竹炭纖維填充的枕芯透濕性最好，這是因為白竹炭纖維內(nèi)外均勻分布著具有稀疏多孔結(jié)構(gòu)的白竹炭微粒，增大了纖維的比表面積，極大程度上有益于纖維的毛細(xì)效應(yīng)。而滌綸纖維也有較好的透濕性，羽絨棉纖維則透濕性最差，這是因為前者纖維間空隙體積最大，后者空隙體積最小造成的，具體原因與上文透氣性的相同。

2.3?靜態(tài)熱性能

當(dāng)人體處于睡眠狀態(tài)時，能量代謝比清醒狀態(tài)要明顯降低，頭頸部的皮膚以及人體體核溫度均會持續(xù)降低，一般在凌晨4點至6點達(dá)到最低，而后升高[21]。因此枕芯的熱舒適性也是重要的研究內(nèi)容。

通過測試得到的5種纖維的升溫趨勢與降溫趨勢如圖3和圖4所示。

已知空氣的導(dǎo)熱系數(shù)為0.027 W/m·℃，比固體纖維的導(dǎo)熱系數(shù)要小。因此在升溫初期，靜止空氣越多，升溫速率越慢。由圖3可以看出，在初期的升溫過程里，滌綸和丙綸纖維的升溫速率最慢，這是因為兩者纖維卷曲度和抗彎剛度大、直徑長等原因，使得枕芯小樣中靜止空氣較多，因此升溫慢。但是靜止空氣的量并非影響升溫的唯一因素，羽絨棉纖維由于特殊的空心結(jié)構(gòu)，纖維內(nèi)部也具有較多量的靜止空氣，但因為空心結(jié)構(gòu)，在同等質(zhì)量下，纖維的根數(shù)更多，纖維間接觸的點也更多，固體纖維的接觸點越多，升溫越快，因此羽絨棉纖維枕芯小樣的升溫速率最快。5組小樣從33 ℃升溫至34 ℃左右時用時最短，這是由于加熱一段時間后，纖維附近的靜止空氣溫度基本與纖維持平，而在隨后過程中，由于纖維整體熱量的升高與外界的對流減弱，吸收熱量又會變慢。

由圖4可以看到，整個降溫過程中，羽絨棉纖維的降溫速率最慢，這是因為羽絨棉纖維中空的纖維結(jié)構(gòu)，在纖維內(nèi)部有更多的靜止空氣，保溫性最好。而合金鍺纖維的整體降溫速率最快，這則是因為其纖維內(nèi)含有合金鍺微粒，鍺是一種半導(dǎo)體，傳導(dǎo)熱量的能力良好，因此合金鍺纖維在降溫過程中擁有最快的降溫速率。

人體的體感溫度會隨晝夜有所不同。一般情況下，夜晚睡眠期間的環(huán)境溫度會低于睡前時的環(huán)境溫度。而在處于睡眠狀態(tài)時，即使頭頸部有涼感，也可能不會察覺。因此睡枕需要滿足一定的保暖需求。由圖3和圖4可以看出，羽絨棉填充的枕芯綜合升溫速率最快，降溫速率最慢，具有較好的保暖性。

2.4?硬挺度

睡枕在睡眠期間起到支撐頭部的作用，過軟或者過硬都不利于睡眠健康。使用絕大多數(shù)的纖維填充物作為枕芯已經(jīng)可以有效的提供睡枕所需的柔軟，但是過于柔軟的纖維枕芯卻可能會容易變形，而且使人體睡姿不穩(wěn)。5組纖維填充的枕芯硬挺度測試結(jié)果如圖5所示。

根據(jù)圖5可得，羽絨棉填充枕芯的各向抗彎剛度均最小，硬挺度最差;丙綸纖維填充的枕芯的各向抗彎剛度均最大，硬挺度最佳。因為睡枕的硬挺度主要由纖維自身的力學(xué)性能和纖維形態(tài)決定。由表1已知，羽絨棉單纖維抗彎剛度最小，同時它具有最小的纖維直徑，并且結(jié)構(gòu)中空;丙綸單纖維的抗彎剛度最大，其纖維直徑也最大。在睡枕使用時，枕芯的硬挺度越大，它的抗彎曲變形能力越好，對肩頸部支撐能力就越強。

2.5?壓縮性

纖維枕芯的壓縮性是決定睡枕使用舒適度的一大因素。5種纖維的枕芯小樣在不同填充量的下對應(yīng)的壓縮率、回彈率和蓬松度測試結(jié)果如圖6、圖7、圖8所示。

睡枕需要合適的彈性，既能滿足一定的承托力，又可以避免塌陷變形，利于睡枕長期使用。由圖6、圖7可以看到，5種纖維的壓縮率和壓縮彈性率均隨填充量的增加而減小。這是因為枕芯小樣的填充量越大，其體積質(zhì)量就越大，空氣量越少，枕頭中的空隙越少越難壓縮。羽絨棉因其較小的線密度和中空結(jié)構(gòu)，具有最小的抗彎剛度，當(dāng)同等質(zhì)量下，枕芯小樣中纖維根數(shù)最多，枕芯小樣的壓縮率和壓縮彈性率最好，羽絨棉枕芯相比其他枕芯的彈性更好。

蓬松度是指纖維單位質(zhì)量所具有的體積，由圖8可以看出，枕芯填充更多纖維時，其蓬松度就會上升。丙綸纖維因其具有較大的彎曲剛度、摩擦系數(shù)及卷曲數(shù)，枕芯小樣里纖維間空隙最大，因此丙綸填充的枕芯蓬松度最好。而羽絨棉因為纖維細(xì)度和卷曲數(shù)小，同樣情況下纖維接觸點增多，使得纖維彼此間存在的孔隙較少，這導(dǎo)致同樣條件下羽絨棉枕芯的抗壓縮性能及恢復(fù)能力較好，蓬松度卻較差。

3?結(jié)?論

通過對市面上流行的枕芯填充纖維以及具有健康保健功能的填充纖維進(jìn)行實驗，基于5種纖維自身的特性，測試它們作為枕芯小樣時的透氣性、透濕性、靜態(tài)熱性能、硬挺度及壓縮性，主要得出以下結(jié)論：

a） 纖維的卷曲性在一定程度上影響了枕芯的透氣性。滌綸纖維透氣性最好，丙綸其次，而羽絨棉枕芯的透氣性較差。

b） 白竹炭纖維填充枕芯具有良好的透濕性能，可以有效吸收傳導(dǎo)人體在睡眠時產(chǎn)生的體液，同時具有一定的抗菌特性。滌綸和丙綸透濕性僅次于白竹炭枕芯。

c） 羽絨棉纖維填充的枕芯，在25～40 ℃范圍內(nèi)，整體的升溫速率最快、降溫速率最慢，在5種枕芯填充物當(dāng)中保暖性最好，可以在一定程度上幫助解決夜間降溫帶來的頭頸部易受涼的問題。

d） 在5種纖維中，丙綸纖維填充的枕芯硬挺度最好，可以更好的支撐頭部與肩頸。

e） 5種填充纖維中，羽絨棉纖維的壓縮率和壓縮彈性率在各個填充量下均為最好，因此羽絨棉枕芯彈性良好。而丙綸纖維枕芯的蓬松度最好。當(dāng)對枕芯的蓬松度有要求時，相比于其他4種纖維，填充更少的丙綸纖維就可以滿足要求。

f） 根據(jù)實驗結(jié)果給出各類枕芯的使用建議：出汗量較大的人群可以使用透濕透氣性能均優(yōu)的滌綸枕芯;注重保暖的人群適合使用羽絨棉枕芯;脊椎需要加強支撐的人群適合丙綸枕芯;而白竹炭纖維和合金鍺纖維因各自具有獨特的發(fā)射遠(yuǎn)紅外、釋放負(fù)離子等功能，適合對保健功能有追求的人群。

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