CN113616032A - 一种竹质弹簧的制备、应用及床垫 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种竹质弹簧的制备方法，包括如下步骤：获得竹丝，并按照弹性模量将竹丝每5GPa分一等级，共分六个等级；将弹性模量等级为3、4、5、6的竹丝初级原材料依次进行化学与浸渍改性：将改性处理后的竹丝进行分丝、卷簧，卷簧的同时进行初步固化处理；初步固化处理后，再进行二次固化处理，而后干燥处理；(4)抛光处理后，将同一规格的竹质弹簧按质量差异由小到大分成若干密度等级，最终获得不同规格、不同质量等级的竹质弹簧本体。本发明还提供了上述竹质弹簧的应用以及竹质弹簧床垫。本发明制备的竹质弹簧具有透气散湿、抑菌抗菌、绿色低碳环保的优势，同时，竹质弹簧床垫可满足不同体型和体重人群的定量化支撑需求。

Description

一种竹质弹簧的制备、应用及床垫
技术领域
本发明涉及床垫技术领域，尤其涉及一种以竹材为原材料，通过化学改性定量化调控其组织结构，通过定量化浸渍处理改善其物理力学性能，通过缠绕定型等工艺制备竹质弹簧材料的方法，并利用该材料开发的健康环保竹质弹簧床垫，可满足不同体型和体重的人群的定量化支撑和舒适性的要求。
背景技术
目前市场上的床垫主要有乳胶床垫、海绵床垫、弹簧床垫、棕榈床垫等。其中，合成乳胶和海绵的原材料都是石油化工产品，是不可再生资源，且乳胶、海绵等填充物的透气性和散湿性差，使用时间一长极易发生霉变或滋生细菌和其它微生物，不利于人体健康；弹簧床垫所用金属弹簧原材料为钢材或合金钢等，虽然其支撑性能好，透气性好，但其原材料是不可再生资源，属于高能耗、高排放的材料，回收成本高；再者，棕榈等植物纤维材料填充床垫，通常是通过破坏植物材料本身的组织结构，提取植物纤维后通过胶黏剂粘合后热压成型，资源浪费严重，而且此类填充材料也存在一系列问题，如已有将竹丝压块成型制作竹丝单元设计制作床垫填充材料，这种处理方法破坏了竹材天然的结构，且需要利用胶粘剂或低熔点聚酯纤维将分散的竹丝粘结起来制作成板材，所制备出的床垫填充材料硬度大、弹性小导致睡眠舒适性差，透气性差等，甚至含有甲醛等有毒物质。因此，探寻不可再生资源的替代品，开发性能良好的绿色低碳环保生物质床垫填充材料将是未来床垫发展的趋势。
竹材生长周期短、再生能力强、繁殖速度快、可降解、生物相容性好、能耗低、无污染、强度高、韧性好，且结构简单，广泛应用于建筑、家居和纺织等行业。另外，天然竹材具有优异的柔韧性能，比刚度和比强度甚至可媲美钢材，尤其是竹纤维具有精细的层级结构和优异的物理和力学性能，其不仅具有优良的抑菌抗菌、吸湿散湿以及除味吸附功能，其抗拉强度(300～900MPa)甚至优于一般钢材的抗拉强度。因此，若保留竹材整体组织结构，通过化学改性技术和缠绕固化成型工艺，可拓宽其物理和力学性能可调控范围，以获得健康环保的竹质弹簧材料，并进一步地获得相应的竹质弹簧床垫。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于提供一种竹质弹簧的制备、应用及床垫，该竹质弹簧透气散湿、抑菌抗菌、绿色低碳环保，该竹质弹簧床垫可满足不同体型和体重人群的定量化支撑需求，实现内部支撑可调整、可替换。
本发明采用以下技术方案解决上述技术问题：
一种竹质弹簧的制备方法，包括如下步骤：
(1)将竹材拉丝获得竹丝，并按照0～30GPa弹性模量将竹丝每5GPa分一等级，共分六个等级；
(2)将弹性模量等级为3、4、5、6的竹丝初级原材料进行以下处理；
A化学改性：①采用氧化剂与羧酸或次氯酸盐按1：1比例联合处理竹丝初级原材料，温度20～60℃，处理时间2～4h；②采用浓度5～20％的强碱溶液处理竹丝，温度40～80℃，处理时间2～4h；③将经上述步骤处理的竹丝送入自动淋洗箱，自动淋洗至淋洗液呈中性；④对步骤③处理后的竹丝进行干燥处理，温度40～60℃，将含水率调至20～30％；
B浸渍改性：①将竹丝浸入粒径10～50nm的纳米无机氧化物溶液，固含量为15～50％，温度20～60℃，通过真空罐实现真空负压环境，浸渍时间2～4h，固化温度100～140℃，固化时间1～3h；②将竹丝浸入改性环氧树脂，通过真空罐调控负压环境，每隔10min加压减压一次，压力0.5～5MPa，加压减压速度0.02～1MPa/min，浸渍时间1～4h；而后进行表面固化，固化温度120～140℃，固化时间10～30min；
(3)将步骤(2)处理后的竹丝进行分丝、卷簧处理，卷簧温度130～160℃，卷簧的同时进行初步固化处理；初步固化处理后，进行二次固化处理，二次固化温度100～140℃，固化时间1～3h，定型12～24h，而后干燥处理，将含水率调至7～10％；
(4)将经步骤(3)处理的竹质弹簧进行抛光处理；接着，将同一规格的竹质弹簧按质量差异由小到大分成若干密度等级，最终获得不同规格、不同质量等级的竹质弹簧本体。
作为本发明的优选方式之一，所述步骤(1)中，采用红外检测竹丝的竹纤维含量，并根据竹材弹性模量和竹纤维体积分数之间关系模型E＝40.129Vf+0.2219，将竹丝按0～30GPa弹性模量每5GPa分一等级，共分六个等级；其中，所述关系模型E＝40.129Vf+0.2219中，E表示竹丝的弹性模量，单位：GPa；Vf表示竹丝的竹纤维体积分数。
作为本发明的优选方式之一，所述步骤(4)中，不同规格的竹质弹簧本体指竹质弹簧本体的线径、口径和自由高度不同，其中，对于线径、口径和自由高度一致的竹质弹簧，再按质量差异由小到大分成四个质量等级，据此获得不同规格、不同密度等级的竹质弹簧本体。
作为本发明的优选方式之一，所述竹质弹簧本体的线径区间分为2～3mm，3～4mm，4～5mm，5～6mm；所述竹质弹簧的口径区间分别为2～3cm，3～4cm，4～5cm，5～6cm；所述竹质弹簧的自由高度为6～28cm；所述竹质弹簧的密度区间为1.2～2.0g/cm3。
一种采用上述制备方法制得的竹质弹簧的应用，将制得的所述竹质弹簧用作床垫的芯体材料。
一种竹质弹簧床垫，包括床垫上层和床垫下层；所述床垫上层的芯层由乳胶、泡沫海绵、羊毛、马毛、驼毛、羽绒、丝瓜络丝絮中的一种或几种组合而成；所述床垫下层的芯层由内胆罩以及包覆于所述内胆罩的多个竹质弹簧单元组成；每个所述竹质弹簧单元均为独立袋装结构，分别包括竹质弹簧本体以及包覆所述竹质弹簧本体的无纺布袋；其中，所述竹质弹簧本体采用上述制备方法制得。
作为本发明的优选方式之一，所述床垫上层的芯层为舒适层；所述舒适层的上表面包覆有上层面料复合层，下表面包覆有底衬，四周侧面包覆有上围边；所述上围边底部向舒适层下表面水平向内延伸形成延伸部一，并在延伸部一的三边内沿设有连接件一；所述床垫下层的芯层为支撑调节层；所述支撑调节层的底面及四周由下层面料复合层和下围边包覆，所述下围边的顶部向支撑调节层的上表面水平向内延伸形成延伸部二，并在延伸部二的三边内沿设有与连接件一相匹配的连接件二；所述连接件一和连接件二用于连接、开合所述床垫上层和床垫下层，所述延伸部一和延伸部二不设连接件的一边缝合固定连接。
作为本发明的优选方式之一，所述连接件一和连接件二为拉链、魔术贴或按扣。
作为本发明的优选方式之一，所述舒适层中，所述羊毛、马毛、驼毛为加工好的片材；所述羽绒或丝瓜络丝絮为片状内胆，内胆皮为无纺布或布料，通过绗缝使羽绒或丝瓜络丝絮均匀分布，所述丝瓜络丝絮是将丝瓜络打碎成丝状所形成的。
作为本发明的优选方式之一，所述上层面料复合层和下层面料复合层分别由外至内依次由面料、直立棉、海绵或乳胶、无纺布绗缝而成；所述上围边、下围边由外至内分别依次由面料、直立棉、海绵或乳胶、无纺布绗缝而成；其中，所述直立棉所占的厚度比例不超过面料复合层、围边的1/3，面料复合层和围边的厚度为1.5～3.8cm。
作为本发明的优选方式之一，包覆所述竹质弹簧单元的内胆罩一侧边或连续多侧边设有装拆所述竹质弹簧单元的开合口。
作为本发明的优选方式之一，所述内胆罩中，多个所述竹质弹簧单元直接呈竖直矩阵排列的形式布置于其内，且相邻的竹质弹簧单元之间由分割线分割开；或者，所述内胆罩中，所述竹质弹簧单元以多个弹簧模块包的形式布置于其内；其中，所述弹簧模块包具体包括无纺布包以及呈竖直矩阵排列形式排列于无纺布包内的多个竹质弹簧单元；所述弹簧模块包上，相邻的竹质弹簧单元之间由分割线分割开。
作为本发明的优选方式之一，所述弹簧模块包为矩形、方形或三角形；所述弹簧模块包上的分割线为绗缝分割线、拉链带分割线或热压粘合分割线。
作为本发明的优选方式之一，所述内胆罩采用无纺布材质；所述内胆罩中的各弹簧模块包之间通过无纺布制内胆罩进行连接并构成一个弹簧床网；同时，所述弹簧床网的上、下表面分别设有一层400～800g/㎡棉毡或其它具有一定弹性的毡类打底层。
作为本发明的优选方式之一，所述竹质弹簧床垫沿其长度方向分为头部区域、腰部区域、臀部区域、腿部区域、脚部区域；其中，不同区域选择不同规格、不同密度等级的竹质弹簧单元或弹簧模块包，或者，选择同一密度等级但不同规格的竹质弹簧单元；在所述竹质弹簧床垫中，通过设置不同规格、不同密度等级的竹质弹簧单元或弹簧模块包对不同区域的刚性进行调节。
作为本发明的优选方式之一，所述竹质弹簧单元中的竹质弹簧本体可以是“柱状螺旋式独立竹质弹簧”、“腰鼓形独立竹质弹簧”、“竹质簧中簧”或上述两种或多种的各种组合簧；对应地，所述弹簧模块包也可以由上述形式的独立袋装竹质弹簧单元以排列组合的方式构成。
本发明相比现有技术的优点在于：本发明将利用竹材开发零甲醛、环保、透气、抗菌的竹质弹簧床垫芯体材料，并制备高性能床垫，不仅低碳健康环保，同时可以满足不同体型和体重人群的定量化支撑，改善人床界面压力分布，促进血液循环，消除疲劳，从生理和心理上提高人体的睡眠舒适性。具体如下：
(1)本发明充分利用竹材的柔韧性，通过化学处理、浸渍填充等工艺定量化调控竹材的物理、力学性能，制备吸湿散湿性和刚性可定量化调控的竹质弹簧，其零甲醛、无毒、绿色低碳、健康环保，生物相容性好，克服了植物纤维胶合床垫硬度大、透气性差，甚至有毒的局限性。
(2)本发明充分利用竹材的多孔性和细胞壁的孔隙结构特点，通过定量化化学处理调控其孔隙结构，实现其吸湿散湿性可精准调控，克服了植物纤维胶合床垫和乳胶床垫透气性差的局限性。
(3)本发明充分利用竹材的多孔性和细胞壁的孔隙结构特点，通过定量化的浸渍纳米材料和节点式树脂调填充技术调控竹质弹簧丝的弹性和强度，使其由原本的5～30GPa增大到20～50GPa，实现竹质弹簧床垫软硬度的精准调控，克服了植物纤维胶合床垫和乳胶床垫软硬度调控范围小的局限性，使竹质弹簧床垫贴合度提高30％以上。
(4)本发明充分发挥竹材可再生、生长周期短、密度低、柔韧性好，强度大，比刚度和比强度高的特点制备竹质弹簧床垫，具有质轻性能好、且低碳的优势，竹质弹簧密度在1.2～2.0g/cm3，较合金钢和碳钢等7.7～7.9g/cm3小约80％，克服了金属弹簧床垫重量大、能耗高、原材料不可再生的局限性，实现“以竹代钢”的材料轻质化设计。
(5)本发明充分利用竹材细胞组织的孔隙及层级结构特点，通过定量化功能调控制备弹性模量高，且可调控范围大的竹质弹簧丝，其弹性模量由初始原材料竹丝的5～30GPa，调控到20～50GPa，从而实现竹质弹簧刚性、支撑性能的定量化调控，以适应不同体型和体重人群的不同需求。竹材的细胞组织主要是厚壁竹纤维细胞和薄壁细胞，且竹材具有多尺度的孔隙结构，特别是竹纤维具有精细的层级结构和优异的力学性能，其弹性模量20～40GPa，通过化学浸渍改性可将其弹性性能提高30％～50％。
(6)本发明充分利用天然竹材的维管束径向梯度分布的结构特点，对竹质弹簧原材料作弹性模量分级，对竹质弹簧作刚度分级，克服生物质材料性能差异大的局限性，根据支撑和刚性需求分别模块化填充于床垫不同部位，实现床垫功能分区，满足不同体型和体重的人群的定量化支撑和舒适性的要求。
(7)本发明充分利用竹材维管束径向梯度分布的结构特点，通过竹丝刚度分级(1～6级，5～30GPa)，可制备出刚性不同的竹质弹簧(3～6级)，实现竹材充分的高值化利用。竹材是一种功能梯度复合材料，靠近竹青侧竹材的维管束分布密集，其体积分数高达60～80％，薄壁组织含量极少，其强度(300～400MPa)和模量(20～30GPa)大，靠近竹黄侧竹材的维管束分布稀疏，薄壁组织量大，其强度和模量较小，竹壁中部区域竹材的强度和模量与竹壁平均强度和模量近似，可因材而异，加以充分利用，制作功能和性能不同的竹质弹簧。
(8)本发明充分利用竹质弹簧的刚度差异，对竹质弹簧作刚度分级，建立其分级标准，克服其性能差异的局限性，根据支撑和弹性需求选用不同刚度等级竹质弹簧。
附图说明
图1是实施例4中竹质弹簧床垫的剖切结构图；
图2a是实施例4中竹质弹簧床垫的使用状态图；
图2b是实施例4中竹质弹簧床垫的上下层组合示意图；
图2c是实施例4中床垫上层的反面示意图；
图3是实施例4中不同结构形式的独立袋装竹质弹簧单元示意图；
图4是实施例4中弹簧模块包的结构示意图；
图5是实施例4中竹质弹簧单元以独立袋装形式直接布置于内胆罩中的结构图；
图6是实施例4中竹质弹簧单元以弹簧模块包形式布置于内胆罩中的结构图；
图7是实施例4中竹质弹簧床垫的五分区弹簧床芯示意图。
图中：1为床垫上层，11为舒适层，12为上层面料复合层，13为底衬，14为上围边，15为延伸部一，2为床垫下层，21为支撑调节层，211为内胆罩，212为竹质弹簧单元，2121为竹质弹簧本体，2122为无纺布袋，213为弹簧模块包，2131为无纺布包，214为毡类打底层，22为下层面料复合层，23为下围边，24为延伸部二，31为头部区域，32为腰部区域，33为臀部区域，34为腿部区域，35为脚部区域。
具体实施方式
下面对本发明的实施例作详细说明，本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。
实施例1
本实施例的一种竹质弹簧的制备方法，包括如下步骤：
一、原材料的分选
(1)将竹材通过拉丝工艺获得竹丝，竹丝横截面形状可以是圆形、方形、矩形等形状，竹丝长0.5～2.5m，直径或边长2～6mm。
(2)采用红外检测竹丝的竹纤维含量，并根据竹材弹性模量和竹纤维体积分数之间关系模型E＝40.129Vf+0.2219，将竹丝按弹性模量(0～30GPa)每5GPa分一等级，共分六个等级；其中，所述关系模型E＝40.129Vf+0.2219中，E表示竹丝的弹性模量，单位：GPa；Vf表示竹丝的竹纤维体积分数。
(3)选择弹性模量等级为3、4、5、6(10～30GPa)的竹丝初级原材料进行后续改性处理。
二、改性处理
(1)化学改性：①采用亚硫酸盐与羧酸按1：1比例联合处理竹丝初级原材料，温度20℃，处理时间4h。②采用浓度5％氢氧化钠溶液处理竹丝，温度40℃，处理时间4h。③将经上述步骤处理的竹丝送入自动淋洗箱，自动淋洗至淋洗液呈中性。所述自动淋洗箱包括物料入口、淋洗室、物料出口；所述淋洗室包括位于上下左右方位的淋洗头、废液PH值监测数显窗口、废液回收罐；所述淋洗头可喷出线状水柱，水压在0.2。④将步骤③处理后的竹丝送入微波干燥仓进行干燥处理，温度控制在40℃，将含水率调至20％。
此步骤，通过定量化去除竹丝木质素和半纤维素实现其柔韧性和孔隙结构的定量化调控，为其浸渍改性以及力学性能的定量化调控作铺垫。
(2)浸渍改性：①将竹丝浸入粒径10nm的纳米二氧化硅溶液，固含量15％，温度20℃，通过真空罐实现真空负压环境，浸渍时间2h，固化温度100℃，固化时间3h。②将竹丝浸入改性环氧树脂，通过真空罐调控负压环境，每隔10min加压减压一次，压力0.5MPa，加压减压速度0.02MPa/min，浸渍时间4h，固化温度120℃，固化时间30min。
此步骤，通过纳米无机氧化物充胀竹丝细胞壁和环氧树脂填充竹丝大导管实现竹丝多尺度的物理和力学性能尤其是弹性性能的定量化调控。
三、竹质弹簧的加工
(1)将改性处理后的竹丝采用分丝器进行分丝处理。所述分丝器包括分丝转盘、转轴，所述分丝转盘包括分丝口，所述分丝口以点阵形式排列，间距10～20cm。
(2)将分丝竹丝匀速缓慢送入卷簧室进行卷簧处理，同步进行初步固化处理，卷簧室内温度130℃，获得初步成型的竹质弹簧；
所述卷簧室包括物料入口、多个卷簧棒芯、加热器、温度显示窗口、切割器、物料出口。所述卷簧棒芯一：棒芯表面光滑，直径2～6cm。所述卷簧棒芯二：棒芯表面设有螺纹开槽，所述螺纹开槽螺纹升角3～10°，宽3～7mm，深3～7mm，棒芯直径(不计开槽深度)2～6cm。
(3)将竹质弹簧送入固化室进行二次固化，固化温度100℃，固化时间3h，定型24h，而后干燥处理，将含水率调至7％。
(4)将经步骤(3)处理的竹质弹簧送入抛光室对其表面进行抛光处理，对其两端部进行平整和磨圆处理，通过红外传感器检测上述竹质弹簧表面质量。
(5)通过质量传感器对竹质弹簧进行分选，将同一规格的竹质弹簧按质量差异由小到大分四个质量等级，并喷制相应等级编码；同时，从每一等级随机抽取20个竹质弹簧，测试其刚性、抗疲劳性和抗蠕变性能，建立上述力学性能与其质量之间关系，用以指导竹质弹簧的快速分级。其中，不同规格的竹质弹簧本体指竹质弹簧本体的线径、口径和自由高度不同。本实施例中，对于线径、口径和自由高度一致的竹质弹簧，再按质量差异由小到大分成四个质量等级，据此获得不同规格、不同密度等级的竹质弹簧本体。
具体地，本实施例中，最终获得的竹质弹簧本体的线径区间分别为2～3mm，3～4mm，4～5mm，5～6mm；竹质弹簧的口径区间分别为2～3cm，3～4cm，4～5cm，5～6cm；竹质弹簧的自由高度为6～28cm；竹质弹簧的密度区间为1.2～2.0g/cm3。
实施例2
本实施例的一种竹质弹簧的制备方法，包括如下步骤：
一、原材料的分选
(1)将竹材通过拉丝工艺获得竹丝，竹丝横截面形状可以是圆形、方形、矩形等形状，竹丝长0.5～2.5m，直径或边长2～6mm。
(2)采用红外检测竹丝的竹纤维含量，并根据竹材弹性模量和竹纤维体积分数之间关系模型E＝40.129Vf+0.2219，将竹丝按弹性模量(0～30GPa)每5GPa分一等级，共分六个等级；其中，所述关系模型E＝40.129Vf+0.2219中，E表示竹丝的弹性模量，单位：GPa；Vf表示竹丝的竹纤维体积分数。
(3)选择弹性模量等级为3、4、5、6(10～30GPa)的竹丝初级原材料进行后续改性处理。
二、改性处理
(1)化学改性：①采用过氧化氢与羧酸按1：1比例联合处理竹丝初级原材料，温度60℃，处理时间2h。②采用浓度20％的氢氧化钠溶液处理竹丝，温度80℃，处理时间2h。③将经上述步骤处理的竹丝送入自动淋洗箱，自动淋洗至淋洗液呈中性。所述自动淋洗箱包括物料入口、淋洗室、物料出口；所述淋洗室包括位于上下左右方位的淋洗头、废液PH值监测数显窗口、废液回收罐；所述淋洗头可喷出线状水柱，水压在0.4MPa。④将步骤③处理后的竹丝送入微波干燥仓进行干燥处理，温度控制在60℃，将含水率调至30％。
此步骤，通过定量化去除竹丝木质素和半纤维素实现其柔韧性和孔隙结构的定量化调控，为其浸渍改性以及力学性能的定量化调控作铺垫。
(2)浸渍改性：①将竹丝浸入粒径50nm的纳米二氧化钙溶液，固含量50％，温度60℃，通过真空罐实现真空负压环境，浸渍时间4h，固化温度140℃，固化时间1h。②将竹丝浸入改性环氧树脂，通过真空罐调控负压环境，每隔10min加压减压一次，压力5MPa，加压减压速度1MPa/min，浸渍时间1h，固化温度140℃，固化时间10min。
此步骤，通过纳米无机氧化物充胀竹丝细胞壁和环氧树脂填充竹丝大导管实现竹丝多尺度的物理和力学性能尤其是弹性性能的定量化调控。
三、竹质弹簧的加工
(1)将改性处理后的竹丝采用分丝器进行分丝处理。所述分丝器包括分丝转盘、转轴，所述分丝转盘包括分丝口，所述分丝口以点阵形式排列，间距10～20cm。
(2)将分丝竹丝匀速缓慢送入卷簧室进行卷簧处理，同步进行初步固化处理，卷簧室内温度160℃，获得初步成型的竹质弹簧；
所述卷簧室包括物料入口、多个卷簧棒芯、加热器、温度显示窗口、切割器、物料出口。所述卷簧棒芯一：棒芯表面光滑，直径2～6cm。所述卷簧棒芯二：棒芯表面设有螺纹开槽，所述螺纹开槽螺纹升角3～10°，宽3～7mm，深3～7mm，棒芯直径(不计开槽深度)2～6cm。
(3)将竹质弹簧送入固化室进行二次固化，固化温度140℃，固化时间3h，定型12h，而后干燥处理，将含水率调至10％。
(4)将经步骤(3)处理的竹质弹簧送入抛光室对其表面进行抛光处理，对其两端部进行平整和磨圆处理，通过红外传感器检测上述竹质弹簧表面质量。
(5)通过质量传感器对竹质弹簧进行分选，将同一规格的竹质弹簧按质量差异由小到大分四个质量等级，并喷制相应等级编码；同时，从每一等级随机抽取20个竹质弹簧，测试其刚性、抗疲劳性和抗蠕变性能，建立上述力学性能与其质量之间关系，用以指导竹质弹簧的快速分级。其中，不同规格的竹质弹簧本体指竹质弹簧本体的线径、口径和自由高度不同。本实施例中，对于线径、口径和自由高度一致的竹质弹簧，再按质量差异由小到大分成四个质量等级，据此获得不同规格、不同密度等级的竹质弹簧本体。
具体地，本实施例中，最终获得的竹质弹簧本体的线径区间分别为2～3mm，3～4mm，4～5mm，5～6mm；竹质弹簧的口径区间分别为2～3cm，3～4cm，4～5cm，5～6cm；竹质弹簧的自由高度为6～28cm；竹质弹簧的密度区间为1.2～2.0g/cm3。
实施例3
本实施例的一种竹质弹簧的制备方法，包括如下步骤：
一、原材料的分选
(1)将竹材通过拉丝工艺获得竹丝，竹丝横截面形状可以是圆形、方形、矩形等形状，竹丝长0.5～2.5m，直径或边长2～6mm。
(2)采用红外检测竹丝的竹纤维含量，并根据竹材弹性模量和竹纤维体积分数之间关系模型E＝40.129Vf+0.2219，将竹丝按弹性模量(0～30GPa)每5GPa分一等级，共分六个等级；其中，所述关系模型E＝40.129Vf+0.2219中，E表示竹丝的弹性模量，单位：GPa；Vf表示竹丝的竹纤维体积分数。
(3)选择弹性模量等级为3、4、5、6(10～30GPa)的竹丝初级原材料进行后续改性处理。
二、改性处理
(1)化学改性：①采用次氯酸与次氯酸盐按1：1比例联合处理竹丝初级原材料，温度40℃，处理时间3h。②采用浓度10％的氢氧化钠溶液处理竹丝，温度60℃，处理时间3h。③将经上述步骤处理的竹丝送入自动淋洗箱，自动淋洗至淋洗液呈中性。所述自动淋洗箱包括物料入口、淋洗室、物料出口；所述淋洗室包括位于上下左右方位的淋洗头、废液PH值监测数显窗口、废液回收罐；所述淋洗头可喷出线状水柱，水压在0.3MPa。④将步骤③处理后的竹丝送入微波干燥仓进行干燥处理，温度控制在50℃，将含水率调至25％。
此步骤，通过定量化去除竹丝木质素和半纤维素实现其柔韧性和孔隙结构的定量化调控，为其浸渍改性以及力学性能的定量化调控作铺垫。
(2)浸渍改性：①将竹丝浸入粒径30nm的纳米二氧化硅溶液，固含量30％，温度40℃，通过真空罐实现真空负压环境，浸渍时间3h，固化温度120℃，固化时间2h。②将竹丝浸入改性环氧树脂，通过真空罐调控负压环境，每隔10min加压减压一次，压力2MPa，加压减压速度0.5MPa/min，浸渍时间2h，固化温度130℃，固化时间20min。
此步骤，通过纳米无机氧化物充胀竹丝细胞壁和环氧树脂填充竹丝大导管实现竹丝多尺度的物理和力学性能尤其是弹性性能的定量化调控。
三、竹质弹簧的加工
(1)将改性处理后的竹丝采用分丝器进行分丝处理。所述分丝器包括分丝转盘、转轴，所述分丝转盘包括分丝口，所述分丝口以点阵形式排列，间距10～20cm。
(2)将分丝竹丝匀速缓慢送入卷簧室进行卷簧处理，同步进行初步固化处理，卷簧室内温度140℃，获得初步成型的竹质弹簧；
所述卷簧室包括物料入口、多个卷簧棒芯、加热器、温度显示窗口、切割器、物料出口。所述卷簧棒芯一：棒芯表面光滑，直径2～6cm。所述卷簧棒芯二：棒芯表面设有螺纹开槽，所述螺纹开槽螺纹升角3～10°，宽3～7mm，深3～7mm，棒芯直径(不计开槽深度)2～6cm。
(3)将竹质弹簧送入固化室进行二次固化，固化温度120℃，固化时间2h，定型20h，而后干燥处理，将含水率调至8％。
(4)将经步骤(3)处理的竹质弹簧送入抛光室对其表面进行抛光处理，对其两端部进行平整和磨圆处理，通过红外传感器检测上述竹质弹簧表面质量。
(5)通过质量传感器对竹质弹簧进行分选，将同一规格的竹质弹簧按质量差异由小到大分四个质量等级，并喷制相应等级编码；同时，从每一等级随机抽取20个竹质弹簧，测试其刚性、抗疲劳性和抗蠕变性能，建立上述力学性能与其质量之间关系，用以指导竹质弹簧的快速分级。其中，不同规格的竹质弹簧本体指竹质弹簧本体的线径、口径和自由高度不同。本实施例中，对于线径、口径和自由高度一致的竹质弹簧，再按质量差异由小到大分成四个质量等级，据此获得不同规格、不同密度等级的竹质弹簧本体。
具体地，本实施例中，最终获得的竹质弹簧本体的线径区间分别为2～3mm，3～4mm，4～5mm，5～6mm；竹质弹簧的口径区间分别为2～3cm，3～4cm，4～5cm，5～6cm；竹质弹簧的自由高度为6～28cm；竹质弹簧的密度区间为1.2～2.0g/cm3。
通过上述实施例方法制得的竹质弹簧材料具有零甲醛、环保、透气、抗菌、力学性能良好等特性，并且，由于充分利用了竹材的多孔性和细胞壁的孔隙结构特点，并通过定量化的浸渍纳米材料和节点式树脂调填充技术调控竹质弹簧丝的弹性和强度，使其由原本的5～30GPa增大到20～50GPa，可实现竹质弹簧床(制得的竹质弹簧材料充当床垫的芯体材料)垫软硬度的精准调控。
实施例4
如图1～图7所示，本实施例的一种竹质弹簧床垫，包括床垫上层1和床垫下层2。床垫上层1的芯层由乳胶、泡沫海绵、羊毛、马毛、驼毛、羽绒、丝瓜络丝絮中的一种或几种组合而成；其中，羊毛、马毛、驼毛为加工好的片材；羽绒或丝瓜络丝絮为片状内胆，内胆皮为无纺布或布料，通过绗缝使羽绒或丝瓜络丝絮均匀分布；丝瓜络丝絮是将丝瓜络打碎成丝状所形成。床垫下层2的芯层由内胆罩211以及包覆于内胆罩211的多个竹质弹簧单元212组成；每个竹质弹簧单元212均为独立袋装结构，分别包括竹质弹簧本体2121以及包覆竹质弹簧本体2121的无纺布袋2122；其中，竹质弹簧本体2121采用上述实施例方法制得。
具体地，请参阅图1和图2a、图2b、图2c，在本实施例中，床垫上层1的芯层为舒适层11；舒适层11的上表面包覆有上层面料复合层12，下表面包覆有底衬13，四周侧面包覆有上围边14；上围边14底部向舒适层11下表面水平向内延伸形成延伸部一15，并在延伸部一15的三边内沿设有连接件一。床垫下层2的芯层为支撑调节层21；支撑调节层21的底面及四周由下层面料复合层22和下围边23包覆，下围边23的顶部向支撑调节层21的上表面水平向内延伸形成延伸部二24，并在延伸部二24的三边内沿设有与连接件一相匹配的连接件二。其中，连接件一和连接件二为拉链、魔术贴或按扣，用于连接、开合床垫上层1和床垫下层2；延伸部一15和延伸部二24不设连接件的一边缝合固定连接。
进一步地，本实施例中，上层面料复合层12和下层面料复合层22分别由外至内依次由面料、直立棉、海绵或乳胶、无纺布绗缝而成；上围边14、下围边23由外至内分别依次由面料、直立棉、海绵或乳胶、无纺布绗缝而成。其中，直立棉所占的厚度比例不超过面料复合层、围边的1/3，面料复合层和围边的厚度为1.5～3.8cm。
具体地，在本实施例中，包覆竹质弹簧单元212的内胆罩211一侧边或连续多侧边设有装拆竹质弹簧单元212的开合口。
同时，如图5所示，内胆罩212中，多个竹质弹簧单元212直接呈竖直矩阵排列的形式布置于其内，且相邻的竹质弹簧单元212之间由分割线分割开；或者，如图6所示，内胆罩212中，竹质弹簧单元212以多个弹簧模块包213的形式布置于其内。其中，弹簧模块213包具体包括无纺布包2131以及呈竖直矩阵排列形式排列于无纺布包2131内的多个竹质弹簧单元212；弹簧模块包213上，相邻的竹质弹簧单元212之间由分割线分割开。
其中，弹簧模块包213可以为矩形、方形或三角形；弹簧模块包213上的分割线则可以为绗缝分割线、拉链带分割线或热压粘合分割线。
进一步地，本实施例中，内胆罩211采用无纺布材质；内胆罩211中的各弹簧模块包213之间通过无纺布制内胆罩211进行连接并构成一个弹簧床网。同时，如图5和图6所示，弹簧床网的上、下表面分别设有一层400～800g/㎡棉毡或其它具有一定弹性的毡类打底层214。
进一步地，请参阅图3，在本实施例中，竹质弹簧单元212中的竹质弹簧本体2121可以是“柱状螺旋式独立竹质弹簧(参见图3a)”、“腰鼓形独立竹质弹簧(参见图3b)”、“竹质簧中簧(参见图3c)”或上述两种或多种的各种组合簧(参见图3d)；对应地，弹簧模块213包也可以由上述形式的独立袋装竹质弹簧单元212以排列组合的方式构成，参见图4。
此外，需要注意的是，本实施例中，竹质弹簧床垫可以不分区，也可以分区。不分区时，床垫下层2的芯层由单一密度等级、单一规格的竹质弹簧单元212或弹簧模块213包组成；分区时，可以是三分区、五分区、七分区或左右分区；所述分区根据支撑需求由不同规格、不同密度等级的竹质弹簧单元212或弹簧模块包213组成。
具体地，参见图7，本实施例中，竹质弹簧床垫沿其长度方向可以分为头部区域31、腰部区域32、臀部区域33、腿部区域34、脚部区域35。其中，不同区域选择不同规格、不同密度等级的竹质弹簧单元212或弹簧模块包213，或者，选择同一密度等级但不同规格的竹质弹簧单元212。在本实施例竹质弹簧床垫中，可通过设置不同规格、不同密度等级的竹质弹簧单元212或弹簧模块包213来实现不同床垫区域的刚性调节。
使用方法：
(1)根据不同体重人群的睡眠支撑需求，选择不同刚度的竹质弹簧单元(不同规格、不同密度等级)；可以采用多个竹质弹簧单元212直接布置于内胆罩211的方式，也可以采用弹簧模块213包布置于内胆罩211的方式。其中，弹簧模块包213可以是矩形、方形、三角形等，将若干竹质弹簧单元212排列组合形成矩形或方形等模块，再用无纺布包2131包覆并与其它弹簧模块包213相连接，实现竹质弹簧芯层局部可替换；
(2)根据不同体型人群的睡眠支撑需求，选择不同规格、不同密度等级的竹质弹簧；根据人体睡眠时不同部位的不同支撑需求，如头部、腰部、臀部、腿部、脚部等所需支撑不同，采用不同规格、不同密度等级竹质弹簧，在不同支撑区域设计支撑性能不同的竹质弹簧芯层区域；当不同区域由矩形、方形等弹簧模块包213组成时，用无纺布包2131包覆并与其它弹簧模块包213相连接，实现弹簧芯层可局部替换的同时，也可实现床垫功能分区以及床垫的定制化生产和设计。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种竹质弹簧的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
(1)将竹材拉丝获得竹丝，并按照0～30GPa弹性模量将竹丝每5GPa分一等级，共分六个等级；
(2)将弹性模量等级为3、4、5、6的竹丝初级原材料进行以下处理；
A化学改性：①采用氧化剂与羧酸或次氯酸盐按1：1比例联合处理竹丝初级原材料，温度20～60℃，处理时间2～4h；②采用浓度5～20％的强碱溶液处理竹丝，温度40～80℃，处理时间2～4h；③将经上述步骤处理的竹丝送入自动淋洗箱，自动淋洗至淋洗液呈中性；④对步骤③处理后的竹丝进行干燥处理，温度40～60℃，将含水率调至20～30％；
B浸渍改性：①将竹丝浸入粒径10～50nm的纳米无机氧化物溶液，固含量为15～50％，温度20～60℃，通过真空罐实现真空负压环境，浸渍时间2～4h，固化温度100～140℃，固化时间1～3h；②将竹丝浸入改性环氧树脂，通过真空罐调控负压环境，每隔10min加压减压一次，压力0.5～5MPa，加压减压速度0.02～1MPa/min，浸渍时间1～4h；而后进行表面固化，固化温度120～140℃，固化时间10～30min；
(3)将步骤(2)处理后的竹丝进行分丝、卷簧处理，卷簧温度130～160℃，卷簧的同时进行初步固化处理；初步固化处理后，进行二次固化处理，二次固化温度100～140℃，固化时间1～3h，定型12～24h，而后干燥处理，将含水率调至7～10％；
(4)将经步骤(3)处理的竹质弹簧进行抛光处理；接着，将同一规格的竹质弹簧按质量差异由小到大分成若干密度等级，最终获得不同规格、不同质量等级的竹质弹簧本体。
2.根据权利要求1所述的竹质弹簧的制备方法，其特征在于，所述步骤(1)中，采用红外检测竹丝的竹纤维含量，并根据竹材弹性模量和竹纤维体积分数之间关系模型E＝40.129Vf+0.2219，将竹丝按0～30GPa弹性模量每5GPa分一等级，共分六个等级；其中，所述关系模型E＝40.129Vf+0.2219中，E表示竹丝的弹性模量，单位：GPa；Vf表示竹丝的竹纤维体积分数。
3.根据权利要求1所述的竹质弹簧的制备方法，其特征在于，所述步骤(4)中，不同规格的竹质弹簧本体指竹质弹簧本体的线径、口径和自由高度不同，其中，对于线径、口径和自由高度一致的竹质弹簧，再按质量差异由小到大分成四个质量等级，据此获得不同规格、不同密度等级的竹质弹簧本体。
4.一种采用如权利要求1～3任一所述的制备方法制得的竹质弹簧的应用，其特征在于，将制得的所述竹质弹簧用作床垫的芯体材料。
5.一种竹质弹簧床垫，其特征在于，包括床垫上层和床垫下层；所述床垫上层的芯层由乳胶、泡沫海绵、羊毛、马毛、驼毛、羽绒、丝瓜络丝絮中的一种或几种组合而成；所述床垫下层的芯层由内胆罩以及包覆于所述内胆罩的多个竹质弹簧单元组成；每个所述竹质弹簧单元均为独立袋装结构，分别包括竹质弹簧本体以及包覆所述竹质弹簧本体的无纺布袋；其中，所述竹质弹簧本体采用权利要求1～3任一所述的制备方法制得。
6.根据权利要求5所述的竹质弹簧床垫，其特征在于，所述床垫上层的芯层为舒适层；所述舒适层的上表面包覆有上层面料复合层，下表面包覆有底衬，四周侧面包覆有上围边；所述上围边底部向舒适层下表面水平向内延伸形成延伸部一，并在延伸部一的三边内沿设有连接件一；所述床垫下层的芯层为支撑调节层；所述支撑调节层的底面及四周由下层面料复合层和下围边包覆，所述下围边的顶部向支撑调节层的上表面水平向内延伸形成延伸部二，并在延伸部二的三边内沿设有与连接件一相匹配的连接件二；所述连接件一和连接件二用于连接、开合所述床垫上层和床垫下层，所述延伸部一和延伸部二不设连接件的一边缝合固定连接。
7.根据权利要求5所述的竹质弹簧床垫，其特征在于，所述内胆罩中，多个所述竹质弹簧单元直接呈竖直矩阵排列的形式布置于其内，且相邻的竹质弹簧单元之间由分割线分割开；或者，所述内胆罩中，所述竹质弹簧单元以多个弹簧模块包的形式布置于其内；其中，所述弹簧模块包具体包括无纺布包以及呈竖直矩阵排列形式排列于无纺布包内的多个竹质弹簧单元；所述弹簧模块包上，相邻的竹质弹簧单元之间由分割线分割开。
8.根据权利要求7所述的竹质弹簧床垫，其特征在于，所述弹簧模块包为矩形、方形或三角形；所述弹簧模块包上的分割线为绗缝分割线、拉链带分割线或热压粘合分割线。
9.根据权利要求7所述的竹质弹簧床垫，其特征在于，所述内胆罩采用无纺布材质；所述内胆罩中的各弹簧模块包之间通过所述内胆罩进行连接并构成一个弹簧床网；所述弹簧床网的上、下表面分别设有一层毡类打底层。
10.根据权利要求7～9任一所述的竹质弹簧床垫，其特征在于，所述竹质弹簧床垫沿其长度方向分为头部区域、腰部区域、臀部区域、腿部区域、脚部区域；其中，不同区域选择不同规格、不同密度等级的竹质弹簧单元或弹簧模块包，或者，选择同一密度等级但不同规格的竹质弹簧单元；在所述竹质弹簧床垫中，通过设置不同规格、不同密度等级的竹质弹簧单元或弹簧模块包对不同区域的刚性进行调节。
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