CN111263836A - 用于床上用品的三维聚合物纤维基质层 - Google Patents
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Abstract
公开了一种用于床上用品如床垫中的包括涂覆在其上或与其共挤出的相变材料的三维聚合物纤维基质层。选择相变材料以提供改善的冷却性质，当用于床上用品中时，其与由三维聚合物纤维基质提供的自由体积一起显著改善温度管理。
Description
技术领域
本公开一般涉及床上用品及制造方法，更具体地，涉及包括具有挤出或涂覆的相变材料的三维聚合物纤维基质层的床上用品。
背景技术
与全泡沫床垫组装体以及混合泡沫床垫(例如，包括除一个或多个泡沫层之外的弹簧线圈、包括流体的囊状物及其各种组合的泡沫床垫)相关联的一个持续存在的问题是用户舒适度。为了处理用户舒适度，床垫通常用具有不同特性如密度和硬度等的多个层制造，以满足预期用户的需要。用户舒适度关注的一个具体领域是一段时间后用户所经历的热量积累水平。另外，一些床垫可保持高水平的水分，进一步导致用户不舒适并潜在地导致差的卫生。
不幸地，在当前床垫组装体中使用的高密度泡沫，特别是采用通常具有精细孔结构和低气流的传统记忆泡沫层的那些，通常阻止适当的通风。结果，泡沫材料在一段时间后会表现出用户不舒适的热量水平。
此外，，从选择床垫的时间点到最终更换床垫，用于床垫的泡沫层的性质会在拥有床垫的整个使用期中变化。特别地，消费者已经注意到，当在陈列室地板上测试床垫时，他们选择的床垫可能具有与在他们购买床垫之后最终被运送到他们家中的床垫的坚固度至少稍微不同的坚固度。通常，消费者发现送到他们家中的床垫比他们在陈列室地板上测试的床垫更坚固。另外，随着时间的推移，床垫的坚固度可能改变。当消费者使用床垫时，床垫可能产生其中床垫不如其它区域坚固的区域。因此，随着时间的推移，床垫的睡眠表面可能具有不一致的触感，在这一种情况下床垫的坚固度改变或者被感知为改变。
床垫制造商通过教导消费者关于泡沫的性质并告知他们应该预期他们新购买的床垫的坚固度随时间而改变，来规避这个问题。然而，这种方法不能解决所述现象的根本原因，并且不能为消费者提供关于他们的新床垫的坚固度可能改变多少的可靠估计。
发明内容
本文公开的是床上用品如床垫，其包括三维聚合物纤维基质，所述三维聚合物纤维基质包括涂覆在其上或与其共挤出的相变材料。
在一个或多个实施方案中，用于床上用品的三维聚合物纤维基质层包括：具有恒定长度、宽度和高度尺寸的挤出的三维聚合物纤维基质层，所述挤出的三维聚合物纤维层包含无规取向的聚合物纤维，所述无规取向的聚合物纤维在相邻聚合物纤维之间的连接点处粘结且具有每单位层面积自由体积；和涂覆在其上或与其共挤出的相变材料。
通过参考以下对本公开的各种特征的详细描述和其中包括的实施例，可以更容易地理解本公开。
附图说明
图1示意性地示出了包括涂覆其上的相变材料的三维聚合物纤维基质层的局部横截面图；和
图2示意性地示出了包括其上具有PCM涂层的三维聚合物纤维基质层的示例性床垫。
具体实施方式
本公开通过提供具有一个或多个挤出的三维聚合物基质层的床上用品如床垫克服了现有技术中提到的问题，其中至少一个所述挤出的三维聚合物纤维基质层包括与其共挤出或涂覆于其上的相变材料(PCM)，以提供挤出的三维聚合物和相变材料纤维基质层。相变材料(PCM)是当材料从一相切换到另一相时吸收和释放热能的物质。例如，当PCM从液态凝固，例如冻结时，其在相对恒定的温度下以潜热的形式释放大量的能量。相反，当这样的材料从固态熔化时，它从环境吸收大量的热。有利地，可以选择PCM以提供改善的冷却性质，当用于床上用品如全泡沫床垫中时，其与由三维纤维基质提供的自由体积一起显著改善温度管理。
如在本公开中所使用的，术语“床上用品”包括但不限于床垫、枕头、床垫套、座垫和旨在对人的至少一个部位进行缓冲和支撑的任何产品。其还包括由记忆泡沫制成的类似物品，如用于床垫和枕头中的那些，例如腰部支撑物、背部支撑物、游戏椅、垫脚软凳、椅垫、长凳和座椅。
PCM作为涂层施加在三维聚合物纤维基质的表面上，并且在一些实施方案中，可以渗透到三维聚合物纤维基质的表面中。在一个或多个实施方案中，PCM与三维聚合物纤维基质共挤出。
在一个或多个实施方案中，合适的PCM包括但不限于微胶囊化的PCM。本领域已知的多种方法中的任一种都可用于将PCM微胶囊化。可用于将PCM微胶囊化的最典型方法之一是将熔融PCM的液滴分散在水溶液中，并使用如凝聚、界面聚合或原位聚合的技术在液滴周围形成壁，所有这些技术在本领域中是周知的。例如，本领域周知通过凝聚形成明胶胶囊、通过界面聚合形成聚氨酯或聚脲胶囊、通过原位聚合形成脲-甲醛、脲-间苯二酚-甲醛和三聚氰胺甲醛胶囊的方法。然后，微胶囊化的PCM可分散在液体载体如凝胶中，并施加到三维聚合物纤维基质的表面上或与其共挤出。
PCM的胶囊化为PCM产生了微小的微观容器。这意味着，不管PCM是固态还是液态，PCM都将被包含。微胶囊的尺寸通常在约1至100微米的范围内，并且更通常为约2至50微米。选择的胶囊尺寸取决于使用微胶囊化PCM的应用。
微胶囊通常具有相对高的相变材料有效载荷，通常至少70重量％，更通常至少80重量％，并且根据一些实施方案，微胶囊可含有大于90％相变材料。
可用于本公开的胶凝剂包括多糖、非离子聚合物、无机聚合物、聚阴离子和聚阳离子。可用于本公开的多糖的实例包括但不限于藻酸盐和天然离子多糖如壳聚糖、结冷胶、黄原胶、透明质酸、肝素、果胶和角叉菜胶。适用于本发明实践的可离子交联的聚阴离子的实例包括但不限于聚丙烯酸和聚甲基丙烯酸。可离子交联的聚阳离子如聚乙烯亚胺和聚赖氨酸也适用于本发明。非离子聚合物的具体实例是聚乙烯醇。硅酸钠是有用的无机聚合物的实例。
胶凝剂通常以水溶液的形式提供，其浓度和粘度足以在微胶囊上提供所需量的包衣。本领域技术人员已知的是，宏观胶囊化技术是胶凝剂的这些参数的常规优化。
微胶囊化的PCM可分散在液体载体如凝胶中，并施加到三维聚合物纤维基质的表面上或与其共挤出。表面施加可包括浸涂、喷涂等。具体的施加方法不旨在受到限制。
在一个或多个实施方案中，三维PCM和聚合物纤维基质层通过在有或没有PCM的情况下挤出所需的三维聚合物纤维而形成，所述PCM可包括微胶囊化的和/或未微胶囊化的PCM。为了共挤出，将所需聚合物的颗粒、小球、碎片等与所需的PCM一起在通常高于聚合物熔融温度的高温高压下进料到挤出装置，即挤出机中。特定的PCM被选择以在挤出过程期间热稳定。然后将熔融形式的聚合物和PCM共挤出通过模头，所述模头通常为包括许多具有限定直径的间隔开的孔的板，其中孔的位置、密度和直径在整个板上可以相同或不同。当不同时，可使与PCM共挤出或涂覆有PCM的三维聚合物纤维基质层具有不同的密度区带，例如，截面面积可具有不同的每单位面积自由体积量。例如，三维PCM和聚合物纤维基质层可包括框状结构，其中外周边部分具有比内部部分更高的密度；或其中三维PCM和聚合物纤维层具有棋盘形图案，其中棋盘中的每个正方形具有与相邻正方形不同的密度；或其中三维PCM和聚合物纤维层具有对应于其用户的不同预期重量负荷的不同密度部分。挤出的三维聚合物纤维和PCM的各种结构不旨在受到限制，并且可为任何所需应用定制。这样，挤出的三维聚合物纤维基质层和共挤出或涂覆的PCM的坚固度，即压痕力偏移，和/或密度可为均匀的或在合适的情况下根据模头配置、传送机速度和涂覆密度而变化。
将聚合物(如果存在的话，和共挤出的PCM)挤出到冷却浴中，冷却浴导致聚合物纤维缠结并通过缠结粘结。同时，将连续挤出的冷却的聚合物基质拉到传送机上。传送速率和冷却浴温度可单独变化以进一步改变三维聚合物纤维基质层的厚度和密度。通常，挤出的三维聚合物纤维基质层的厚度可被挤出为厚度在约1至约6英寸范围内的全宽床垫材料并可被生产成套面尺寸或成卷的形式。然而，如果需要，也可以使用更薄或更厚的厚度以及更宽的宽度。具有共挤出或涂覆的PCM的挤出的三维聚合物基质层可以具有0.5至5.9英寸范围内的厚度。
合适的挤出机包括但不限于连续加工高剪切混合器，如：工业熔融塑炼挤出机，可从多个制造商获得，包括例如Cincinnati-Millicron，Krupp Werner&Pfleiderer公司，Ramsey,N.J.07446,American Leistritz Extruder公司；Somerville,N.J.08876；Berstorff公司，Charlotte,N.C.；和Davis-Standard Div.Crompton&Knowles公司,Paweatuck,Conn.06379。捏合机可从Buss America公司；Bloomington,Ill.获得；可从德国的Draiswerke G.m.b.H.,Mamnheim-Waldhof获得的或者称为GelimatTM的高剪切混合器；和可从Farrel公司,Ansonia,Conn获得的Farrel连续混合器。用于混合、加热、压缩和捏合操作的螺杆组件显示和描述于Rauwendaal，Polymer Extruding，Hanser Publishers，NewYork(1986)第8章和第458-476页；Meijer等人“The Modeling of ContinuousMixers.Part 1：The Corotating Twin-Screw Extruder”,Polymer Engineering andScience,第28卷,No.5,第282-284页(1988年3月)；和Gibbons等人,“Extrusion”,ModernPlastics Encyclopedia(1986-1987)中。选择挤出机机筒元件和组装挤出机螺杆所必需的知识可容易地从各种挤出机供应商处获得，并且是熔融聚合物塑炼领域的普通技术人员所熟知的。
在挤出的三维PCM和聚合物纤维基质层中的聚合物可由聚酯、聚乙烯、聚丙烯、尼龙、弹性体、共聚物及其衍生物形成，包括具有不同熔点的单丝或双组分丝。在一个实施例中，聚合物是工程聚酯材料。根据本公开的示例性聚合物纤维结构是在聚酯弹性体粘合剂外皮中的芯聚酯纤维。
挤出的聚合物纤维可以是实心或中空的，并且具有圆形或三角形或其它横截面几何形状例如三叶、有通道的等的横截面。另一种类型的聚酯纤维具有缠结的弹簧状结构。在制造期间，通过挤出加热聚合物纤维结构以使聚合物纤维彼此互连，以提供更有弹性的结构。聚合物纤维可以是随机取向的或定向取向的，这取决于所需的特性。美国专利号8,813,286中讨论了这样的方法，所述专利题为可调弹簧床垫及其制造方法，其整体通过引用并入本文。
特定的PCM不旨在受到限制并且可以是无机的或有机的。合适的无机PCM包括由天然盐和水制成的水合盐。改变混合物中盐的化学组成以获得所需的相变温度。可以向混合物中加入特殊的成核剂以使相变盐分离最小化。合适的有机PCM包括脂肪酸、蜡(例如石蜡)等。
现在转向图1，描绘了通常用标记数字10表示的三维聚合物基质层。三维聚合物基质层10包括无规取向纤维12，所述无规取向纤维12限定显著数量的空隙14，即每单位面积相对大量的自由体积，其中自由体积被定义为未被聚合物丝股占据的区域并且在本文中也称为空隙。三维聚合物基质层10包括在无规取向聚合物纤维之间的交叉点处的多个粘结点16。在共挤出过程期间，无规取向聚合物纤维的至少一部分表面用PCM涂覆或用PCM灌注。
三维聚合物纤维基质层的自由体积通常在约50％与约95％之间。在一个或多个其他实施方案中，所述三维聚合物纤维基质层的自由体积在约60％与约90％之间；在又一个或多个其它实施方案中，自由体积在约70％与约90％之间。
选择挤出的聚合物纤维及其特性以提供所需的调谐特性。垫的“触感”的一种量度是压痕力偏移，或IFD。压痕力偏移是在柔性泡沫制造工业中使用的度量，用于评价泡沫如记忆泡沫的样品的“坚固度”。为了进行IFD测试，将表面面积为323平方厘米(50平方英寸-直径为8″)的圆形平压头压在通常100mm厚且面积为500mm×500mm样品上(ASTM标准D3574)。首先将样品放置在穿孔以允许空气通过的平台上。然后压缩两次至75％“应变”，然后使其恢复六分钟。在用压头达到25％压痕后60秒测量力。较低的分值对应于较低的坚固度；较高的分值对应于较大的坚固度。以此方式测试并配置用于床垫的具有涂覆或共挤出的PCM的挤出的三维聚合物纤维基质层的IFD具有5至25磅力范围内的IFD。具有涂覆或共挤出的PCM的挤出的三维聚合物纤维基质层的密度在1.5至6lb/ft3的范围内。
图2示意性地示出了示例性床垫100，其包括下基底层102、包括涂覆于其上或与其共挤出的PCM的三维聚合物纤维基质层104和至少一个上泡沫层106，其中三维聚合物纤维基质层104位于基底层102和上泡沫层106的中间。在替代的实施方案中，床垫可包括作为最底层、作为最上层、作为中间层及其组合的三维聚合物纤维基质层。在另外的其它实施方案中，床垫可包括两个或更多个三维聚合物纤维基质层。
通常，下基底层102的厚度在4英寸至10英寸的范围内，在其他实施方案中在约6英寸至8英寸的范围内，在另外的其他实施方案中在约6英寸至6.5英寸的范围内。下基底层可由开孔或闭孔泡沫形成，包括但不限于粘弹性泡沫、乳胶泡沫、常规聚氨酯泡沫等。
下基底层102可以具有1磅/立方英尺(lb/ft3)至6lb/ft3的密度。在其他实施方案中，所述密度是1lb/ft3至5lb/ft3并且在另外的其他实施方案中为1.5lb/ft3至4lb/ft3。通过实施例的方式，所述密度可以是约1.5lb/ft3。压痕力偏移(IFD)在20至40磅力的范围内，其中硬度根据ASTMD-3574测量。
或者，下基底层102可以是设置在由桶组装体(bucket assembly)限定的空腔内的螺旋弹簧内芯，其中桶组装体包括平面基底层和围绕平面基底层的周边设置的侧轨(siderails)。
所述至少一个上泡沫层106限定覆盖三维聚合物基质纤维层104的覆盖面板。根据预期应用，覆盖面板可以由一个或多个粘弹性泡沫和/或非粘弹性泡沫层形成。泡沫本身可以是任何开孔或闭孔泡沫材料，包括但不限于乳胶泡沫、天然乳胶泡沫、聚氨酯泡沫、其组合等。覆盖面板具有平坦的顶表面和底表面。覆盖面板的厚度通常在一些实施方案中在约0.5至2英寸的范围内，并且在其他实施方案中小于1英寸以提供运动分离和来自下面的泡沫层104的增加的气流的益处。这样，其上包括PCM涂层或与其共挤出的三维聚合物纤维基质104接近睡眠表面，使得可发生热传递。
至少一个上泡沫层106的密度在一些实施方案中在1至5lb/ft3的范围内，并且在其他实施方案中在2至4lb/ft3的范围内。所述IFD在一些实施方案中在约10至20磅力的范围内，并且在其他实施方案中小于15磅力。在一个实施方案中，所述覆盖面板厚度为0.5英寸，密度为3.4lb/ft3并且硬度为14磅力。
各种多个堆叠床垫层102、104和106可以根据不同应用的需要可以使用粘合剂彼此邻接，或可以彼此热粘结，或者彼此机械地紧固。
任选地，层102、104和106中的一个或多个可以被预调节，其中一个或多个层被压缩或拉伸以在泡沫层的情况下断裂和/或打开闭孔，或者在挤出的三维聚合物纤维基质层的情况下，断裂粘结或聚合物纤维。预调节可以克服与疲劳相关的问题。三维聚合物纤维基质层本身在剪切方向上经受疲劳，如当用户在包括所述三维聚合物层的床垫上从一侧到另一侧翻滚时可能发生的。结果，三维聚合物纤维基质层的压实可以作为使用的函数发生，其自身随时间表现为硬度的变化和高度损失。为了使三维聚合物基质层随使用的性质变化最小化，对三维聚合物基质层进行预调节过程，所述预调节过程破坏三维聚合物基质层内的较弱的键和/或结构上较弱的纤维。预调节可以根据美国专利号7,690,096中一般公开的方法，所述专利通过整体引用并入本文。通过实施例的方式，三维聚合物纤维基质层可经受机械力，如通过将台板施加到三维聚合物纤维基质层上以压缩三维聚合物纤维基质层。选择施加的机械力的量以调节三维聚合物纤维基质层的机械性质如IFD。此机械性质的改变在床垫的整个长度和宽度上提供更一致的坚固度。
在某些实施方案中，三维聚合物纤维基质层可被摆放(posturized)为使得三维聚合物纤维基质层被配置有多个不同坚固度的区带。在这样的实施方案中，三维聚合物纤维基质层可被摆放为具有与其它区带不同的坚固度的选定区带，以通过在下背部和膝盖下增加额外的支撑来促进你的脊柱的S曲线的自然对齐，或者为睡在包括预调节的三维聚合物纤维基质层的同一床垫上但需要不同坚固度的伴侣提供不同坚固度的区带。应显而易见的是，床垫可包括附加的泡沫层、螺旋弹簧等。
本书面描述使用实施例来公开本发明，包括最佳方式，并且还使本领域技术人员能够制造和使用本发明。本发明的专利范围由权利要求限定，并且可以包括本领域技术人员想到的其他实施例。如果这样的其它实施例具有与权利要求的字面语言相同的结构元件，或者如果它们包括与权利要求的字面语言无实质差异的等同结构元件，则这些其它实施例旨在处于权利要求的范围内。
Claims (14)
1.一种用于床上用品的三维聚合物纤维基质层，其包含：
具有恒定的长度、宽度和高度尺寸的挤出的三维聚合物纤维基质层，所述挤出的三维聚合物纤维层包含无规取向的聚合物纤维，所述无规取向的聚合物纤维在相邻聚合物纤维之间的连接点处粘结且具有每单位层面积自由体积；和
涂覆在其上或与其共挤出的相变材料。
2.如权利要求1所述的三维聚合物纤维基质层，其中所述相变材料是微胶囊化的。
3.如权利要求1所述的三维聚合物纤维基质层，其中微胶囊化的相变材料具有至少70重量％的负载量。
4.如权利要求1所述的三维聚合物纤维基质层，其中所述挤出的三维聚合物纤维层选自由聚酯、聚乙烯、聚丙烯、尼龙、弹性体、共聚物及其衍生物组成的组，包括具有不同熔点的单丝或双组分丝。
5.如权利要求1所述的三维聚合物纤维基质层，其中挤出的三维聚合物纤维层包含具有不同密度和/或压痕力偏移值的多个聚合物纤维区带。
6.如权利要求2所述的三维聚合物纤维基质层，其中所述相变材料选自由脂肪酸、蜡和水合盐组成的组。
7.如权利要求1所述的三维聚合物纤维基质层，其中所述三维聚合物纤维基质层具有大于50重量％的自由体积并且厚度在1英寸与6英寸之间。
8.如权利要求1所述的三维聚合物纤维基质层，其中预调节的三维聚合物纤维基质层具有在5至25磅力范围内的压痕力偏移。
9.如权利要求1所述的三维聚合物纤维基质层，其中具有涂覆于其上或与其共挤出的PCM的共挤出的三维聚合物纤维基质层被预调节，其中一部分连接点和无规取向的聚合物纤维断裂以相对于未预调节的三维聚合物纤维基质层改变预调节的三维聚合物纤维基质层的机械性质。
10.如权利要求1所述的三维聚合物纤维基质层，其中一个预调节的三维聚合物纤维基质层具有相对于未预调节的三维聚合物纤维基质层降低的高度尺寸。
11.如权利要求1所述的三维聚合物纤维基质层，其中所述预调节的三维聚合物纤维基质层具有相对于未预调节的三维聚合物纤维基质层增加的密度。
12.如权利要求1所述的三维聚合物纤维基质层，其中预调节的三维聚合物纤维基质层具有在4至24.9磅力范围内的压痕力偏移。
13.如权利要求1所述的三维聚合物纤维基质层，其中预调节的三维聚合物纤维基质层具有相对于未预调节的三维聚合物纤维层降低的压痕力偏移。
14.一种床上用品，其包含如权利要求1所述的三维聚合物纤维基质层。
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