CN114575019B - 一种竹原纤维3d编织床垫填充材料及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种竹原纤维3D编织床垫填充材料。本发明还提供了上述填充材料的制备方法，包括如下步骤：将竹原纤维制成竹原纤维纱线后进行编绳处理，得竹原纤维编织线；用马来酸酐对竹原纤维编织线进行接枝处理，得马来酸酐接枝竹原纤维编织线；将马来酸酐接枝竹原纤维编织线与热塑性弹性体进行复合；制备竹原纤维3D编织床垫填充材料坯料；冷却至室温后，经裁剪、修边，获得目标填充材料。本发明的优点在于：(1)采用竹原纤维作为原料，不仅绿色环保、成本低，还具有极佳的吸声性能、吸湿散湿性和天然防霉性能；(2)将竹原纤维与热塑性弹性体复合，使其具备可编织性，进而获得一种竹原纤维3D编织材料，以提高填充材料的力学性能。

Description

一种竹原纤维3D编织床垫填充材料及其制备方法
技术领域
本发明涉及一种植物纤维3D编织床垫填充材料，特别是竹原纤维为原材料，通过制纱、加股加捻、接枝改性、浸渍或缠绕并采用三维编织工艺制成3D编织床垫填充材料的方法。
背景技术
随着工业化水平的不断提高，全球范围内环境污染加剧和石化资源匮乏的现状引起了人们的重视，寻求绿色环保可再生的资源己成为人们的诉求，用植物纤维床垫代替合成乳胶床垫和记忆棉床垫等石油化工产品逐渐成为人们新的生活方式。
目前市场上的植物纤维床垫主要包括椰棕床垫、黄麻床垫和山棕床垫。其中，椰棕床垫和黄麻床垫容易滋生细菌螨虫且易发霉，容易引起人的过敏反应，不利于人体健康。山棕床垫原材料有限，成本高、价格高。此外，上述传统的植物纤维床垫都是将纤维与胶黏剂混合再通过热压制成，成品硬度大、易塌陷，且只能通过自身密度来调节力学性能。
竹原纤维是通过物理、化学结合的方法从竹材中直接提取的天然纤维，原材料丰富且天然、绿色、环保、可降解，现已开始用于建筑建材、纺织材料、污水处理、生活制品等行业。除此之外，竹原纤维多缝隙、多孔隙、多空腔的结构特点使其具有极佳的吸声性能(6cm厚时平均吸声系数可达0.71)和优良的吸湿散湿性(16h解吸率达99％以上)，同时具有天然的防霉性能(1-2级)。
三维机织复合材料是一种发展潜力较大的纺织复合材料。相比二维机织层合复合材料，三维机织复合材料不但具有杰出的层间剪切强度和抗冲击损伤性能，还可以保持相对理想的面内力学性能。这种优越的性能主要是特殊的三维结构的原因，在这个结构中几乎没有卷曲的经纬纱纱层会被延厚度方向的纱线，即z纱，捆绑。
因此，若能以竹原纤维为原材料，并通过工艺使其具备可编织性，获得一种竹原纤维3D编织材料，将有效解决现有植物纤维床垫存在的抑菌防霉性差、成本高、易塌陷、力学调节性差等问题。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于提供一种竹原纤维3D编织床垫填充材料及其制备方法，将该材料用于床垫制备，可有效避免现有植物纤维床垫带来的抑菌防霉性差、成本高、易塌陷、力学调节性差等问题。
本发明采用以下技术方案解决上述技术问题：
一种竹原纤维3D编织床垫填充材料，所述填充材料以竹原纤维热塑性弹性体为原料，通过编织技术形成3D结构。
一种竹原纤维3D编织床垫填充材料的制备方法，方法如下：
(1)将竹原纤维通过制纱工艺制成竹原纤维纱线，再对竹原纤维纱线进行编绳处理，获得竹原纤维编织线(NBFBT)；
(2)用马来酸酐对竹原纤维编织线(NBFBT)进行接枝处理，获得马来酸酐接枝竹原纤维编织线(MAH-NBFBT)；
(3)将马来酸酐接枝竹原纤维编织线(MAH-NBFBT)与热塑性弹性体采用方法A或方法B进行复合；
方法A：将热塑性弹性体母粒加热至流态，将马来酸酐接枝竹原纤维编织线(MAH-NBFBT)放入异形模具中，浸入热塑性弹性体中，取出固化，得到异形竹原纤维热塑性弹性体复合编织线(N/P-SPSBT)；
方法B：将热塑性弹性体制成长纤，将长纤用并捻机缠绕于马来酸酐接枝竹原纤维编织线上，制成竹原纤维热塑性弹性体复合编织线(N/PBT)；
(4)对所述异形竹原纤维热塑性弹性体复合编织线进行排列组合，形成3D结构，或者，对所述竹原纤维热塑性弹性体复合编织线进行3D编织；接着，通过热压、常温固化，得到竹原纤维3D编织床垫填充材料坯料；
(5)冷却至室温后，经裁剪、修边，最终获得竹原纤维3D编织床垫填充材料。
作为本发明的优选方式之一，所述步骤(1)中，竹原纤维采用纺织用竹原纤维，且在通过制纱工艺制成竹原纤维纱线后，通过合股、加捻、编绳步骤制成所述竹原纤维编织线。
作为本发明的优选方式之一，所述步骤(2)中，马来酸酐为马来酸酐二甲基甲酰胺溶液。
作为本发明的优选方式之一，所述步骤(3)中，热塑性弹性体采用茂金属催化的乙烯-辛烯原位聚合高聚物POE。
作为本发明的优选方式之一，包括如下具体步骤：
(1)竹原纤维编织线(NBFBT)的制备
为了得到干净无杂质的竹原纤维(NBF)，将竹原纤维(NBF)置于40℃蒸馏水中超声处理1h，再用流水反复冲洗5～8次，在105℃鼓风干燥箱中干燥12h，使其含水率低于5％，再在20℃、65％湿度的恒温恒湿箱中调节至平衡含水率；用制线工艺将竹原纤维(NBF)制成竹原纤维纱线，支数为7～60支，再用络筒机将竹原纤维纱线转移至纸管上备用；
将准备的若干缠绕有竹原纤维纱线的纸筒置于并线加捻机上对其进行加股加捻处理；将加股加捻后的竹原纤维纱线置于走马编织机上进行编织，制成竹原纤维编织线(NBFBT)，放在干燥箱中备用；
(2)马来酸酐接枝竹原纤维(MA-NBFBT)的制备
改性剂为马来酸酐二甲基甲酰胺溶液；取马来酸酐(MA)溶于二甲基甲酰胺(DMF)溶剂中，再将复配催化剂混合加入溶液，并用磁力搅拌器搅拌均匀；将干燥的竹原纤维编织线浸入MA的DMF溶液，氮气保护，放入油浴锅中，在一定温度下反应一定时间后取出冷却，用无水乙醇洗去未反应的MA的DMF溶剂，再用蒸馏水洗至中性，60℃烘干，得到马来酸酐接枝竹原纤维编织线(MA-NBFBT)；
(3)竹原纤维热塑性弹性体复合编织线的制备
采用方法A或方法B；
A.异形竹原纤维/POE复合编织线的制备：将POE加热至120～140℃，直至母粒完全转化为流态，将马来酸酐接枝竹原纤维编织线放入异形模具中后浸入POE中；待POE完全浸湿竹原纤维编织线后，将模具取出，在常温中冷却固化，得到异形竹原纤维/POE复合编织线；
B.POE包覆竹原纤维编织线的制备：包覆编织线包括两个组分，分别为竹原纤维芯纱及POE长丝捆绑纱；将POE通过化学纺丝工艺制成POE长纤后，通过并捻机将POE化学长纤定量缠绕于竹原纤维编织线外侧；
(4)竹原纤维3D编织填充材料坯料的制备
根据步骤(3)中竹原纤维热塑性弹性体复合编织线制备工艺的不同，竹原纤维3D编织填充材料坯料的制备方法分为两种；
A.用异形竹原纤维/POE复合编织线制备：
a.将POE母粒加热至流态后，倒入模具中，制成POEL；
b.将异形竹原纤维/POE复合编织线视为竹原纤维3D编织填充材料坯料的单元体，对其进行排列组合，并在单元体组合上下表面加入POEL；
c.将组合材料置于模具内，先将平板模具升温至110～140℃，预热5min，然后对预热试样进行定高热压，保压2～6min，最后在室温环境中冷压10min，从而制得复合材料试样；
B.用POE包覆竹原纤维编织线制备：
a.将POE包覆竹原纤维编织线放入三维编织机中进行三维编织；
b.将三维编织物置于模具内，将平板缓慢升温至POE的粘流温度(160～180℃)，使POE捆绑纱处于高弹态转为粘流态的临界状态，保持3min，最后自然冷却固化，从而制得复合材料试样；其中，将平板缓慢升温至POE粘流温度是为了使编织物中的线线接触部位有效粘合而不使整个材料密实，避免丧失编织物的孔隙结构；
(5)经裁剪、修边，最终获得竹原纤维3D编织床垫填充材料。
作为本发明的优选方式之一，所述步骤(1)中，竹原纤维合股线股数范围为2～30股，捻系数范围为260～450，捻向为S、Z。
作为本发明的优选方式之一，所述步骤(2)中，复配催化剂采用硼酸、硫酸高铈、磷酸混合而成，且硼酸:硫酸高铈:磷酸＝1:1:1、1:2:1、2:2:1、1:2:2、2:1:2。
作为本发明的优选方式之一，所述步骤(2)中，油浴锅中反应温度80～140℃，反应时间0.5～5h，固液比1:10～3:7，m(MA)/m(NBF)＝0.5～1.5。
作为本发明的优选方式之一，所述步骤(3)的异形竹原纤维/POE复合编织线的制备中，异形模具包括但不限于螺旋模具、波浪模具和梯形模具。
作为本发明的优选方式之一，所述步骤(3)的POE包覆竹原纤维编织线的制备中，POE长丝的线密度为40～70Tex。
作为本发明的优选方式之一，所述步骤(4)中，编织方式包括但不限于三维四向、三维五向。
设计原理：
本发明采用原材料来源丰富的竹原纤维作为原料，通过制纱、加股加捻、制备弹性单元体(异形竹原纤维热塑性弹性体复合编织线)、制备复合包芯纱(竹原纤维热塑性弹性体复合编织线)、三维编织等工艺实现对竹原纤维编织填充材料的形态管理；通过改变弹性单元体的组合方案，或改变复合包芯纱三维编织方法，从而实现对床垫整体或局部位力学性能的调控；通过改性处理，增强竹原纤维与热塑性弹性体的相容性，与热塑性弹性体复合，实现对竹原纤维整体刚度和强度的改善，使其更加适合作为床垫填充材料；最终将竹原纤维3D编织材料作为床垫填充材料预制件，通过缓慢升温、常温固化制成床垫填充材料坯料，最后通过裁剪、修边制成3D编织床垫填充材料。
本发明相比现有技术的优点在于：
(1)本发明采用原材料来源丰富的竹原纤维作为原料，不仅绿色环保，还具有成本低的优势；同时，竹原纤维还具有多缝隙、多孔隙、多空腔的结构特点，这使其具有极佳的吸声性能(6cm厚时平均吸声系数可达0.71)和优良的吸湿散湿性(16h解吸率达99％以上)，还具有天然的防霉性能(1-2级)；
(2)本发明制备的竹原纤维编织床垫填充材料不含甲醛、无污染、环保可降解，并且可通过调节弹性单元体(异形竹原纤维热塑性弹性体复合编织线)各项参数、POE捆绑纱(竹原纤维热塑性弹性体复合编织线)的线密度以及编织物的疏密程度调节编织物的力学性能，实现了定量调控床垫整体或局部的力学性能；
(3)本发明在改性过程中使用马来酸酐对竹原纤维进行了接枝改性，增强了竹原纤维与POE的相容性，从而提高了纤维与基体的结合强度，形成更加稳定的复合材料；同时，本发明一方面采用POE作为基体，对竹原纤维进行包覆处理，实现了对竹原纤维刚性的增强，使其更加适合作为床垫填充材料；另一方面，弹性单元体的异形结构和编织物的编织结构使其床垫整体具有较好的弹性；据此，采用本发明竹原纤维3D编织床垫填充材料，可有效解决床垫使用一段时间后的“易塌陷”问题，提高产品寿命。
附图说明
图1是实施例1～9中竹原纤维3D编织床垫填充材料的外观结构示意图；
图2是实施例1～10中竹原纤维3D编织床垫填充材料在0～240N载荷下的各层硬度情况；
图3是实施例1～10中竹原纤维3D编织床垫填充材料在240N载荷下的滞后损失率对比图；
图4是实施例1～10中竹原纤维3D编织床垫填充材料在4cm厚情况下的各频率的吸声系数曲线图；
图5是实施例10中竹原纤维3D编织床垫填充材料的外观结构示意图。
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
本实施例的一种竹原纤维3D编织床垫填充材料，制备方法如下：
(1)竹原纤维(NBF)预处理
为了得到干净无杂质的竹原纤维，将竹原纤维置于40℃蒸馏水中超声处理1h，再用流水反复冲洗5～8次，在105℃鼓风干燥箱中干燥12h，使其含水率低于5％，再在20℃、65％湿度的恒温恒湿箱中调节至平衡含水率，用制线工艺将竹原纤维制成竹原纤维纱线，支数为20支，再用络筒机将竹原纤维纱线转移至纸管上备用。
(2)竹原纤维编织线(NBFBT)的制备
将若干步骤(1)准备的缠绕有竹原纤维纱线的纸筒置于并线加捻机上对其进行加股加捻处理。将加股加捻后的竹原纤维纱线置于高速走马编织机上进行编织，制成竹原纤维编织线，放在干燥箱中备用。
进一步地，所述竹原纤维合股线股数范围为10股，捻系数为300，捻向为S。
(3)马来酸酐接枝竹原纤维的(MA-NBFBT)制备。
所述改性剂为马来酸酐二甲基甲酰胺溶液。取150g马来酸酐(MA)溶于3000mL二甲基甲酰胺(DMF)溶剂中，再将50mL的复配催化剂(硼酸、硫酸高铈、磷酸)按1:1:1混合后加入溶液中，并用磁力搅拌器搅拌均匀。将300g干燥的竹原纤维编织线浸入MA的DMF溶液，氮气保护，放入油浴锅中，在110℃下反应2h后取出冷却，用无水乙醇洗去未反应的MA和DMF溶剂，再用蒸馏水洗至中性，60℃烘干，得到马来酸酐接枝的竹原纤维编织线MA-NBFBT。
(4)竹原纤维热塑性弹性体复合编织线的制备
POE包覆竹原纤维编织线的制备：包覆编织线包括两个组分，分别为竹原纤维芯纱及POE长丝捆绑纱。将POE通过化学纺丝工艺制成POE长纤后，通过并捻机将POE化学长纤定量缠绕于竹原纤维编织线外侧。
进一步地，POE长丝的线密度为40Tex。
(5)竹原纤维3D编织填充材料坯料的制备
用POE包覆竹原纤维编织线制备：
a.将POE包覆竹原纤维编织线放入三维编织机中进行三维编织。
进一步地，所述编织方式为三维正交。
b.将三维编织物置于模具内，将平板缓慢升温至POE的粘流温度，使POE捆绑纱处于高弹态转为粘流态的临界状态，保持3min，最后在室温环境中自然冷却固化，从而制得复合材料试样。
实施例2
本实施例的一种竹原纤维3D编织床垫填充材料，制备方法如下：
(1)竹原纤维(NBF)预处理
为了得到干净无杂质的竹原纤维，将竹原纤维置于40℃蒸馏水中超声处理1h，再用流水反复冲洗5～8次，在105℃鼓风干燥箱中干燥12h，使其含水率低于5％，再在20℃、65％湿度的恒温恒湿箱中调节至平衡含水率，用制线工艺将竹原纤维制成竹原纤维纱线，支数为40支，再用络筒机将竹原纤维纱线转移至纸管上备用。
(2)竹原纤维编织线(NBFBT)的制备
将若干步骤(1)准备的缠绕有竹原纤维纱线的纸筒置于并线加捻机上对其进行加股加捻处理。将加股加捻后的竹原纤维纱线置于高速走马编织机上进行编织，制成竹原纤维编织线，放在干燥箱中备用。
进一步地，所述竹原纤维合股线股数范围为20股，捻系数为360，捻向为S。
(3)马来酸酐接枝竹原纤维的(MA-NBFBT)制备。
所述改性剂为马来酸酐二甲基甲酰胺溶液。取150g马来酸酐(MA)溶于3000mL二甲基甲酰胺(DMF)溶剂中，再将50mL的复配催化剂(硼酸、硫酸高铈、磷酸)按1:2:1混合后加入溶液中，并用磁力搅拌器搅拌均匀。将300g干燥的竹原纤维编织线浸入MA的DMF溶液，氮气保护，放入油浴锅中，在80℃下反应5h后取出冷却，用无水乙醇洗去未反应的MA和DMF溶剂，再用蒸馏水洗至中性，60℃烘干，得到马来酸酐接枝的竹原纤维编织线MA-NBFBT。
(4)竹原纤维热塑性弹性体复合编织线的制备
POE包覆竹原纤维编织线的制备：包覆编织线包括两个组分，分别为竹原纤维芯纱及POE长丝捆绑纱。将POE通过化学纺丝工艺制成POE长纤后，通过并捻机将POE化学长纤定量缠绕于竹原纤维编织线外侧。
进一步地，POE长丝的线密度为40Tex。
(5)竹原纤维3D编织填充材料坯料的制备
用POE包覆竹原纤维编织线制备：
a.将POE包覆竹原纤维编织线放入三维编织机中进行三维编织。
进一步地，编织方式包括但不限于三维四向、三维五向。
b.将三维编织物置于模具内，将平板缓慢升温至POE的粘流温度，使POE捆绑纱处于高弹态转为粘流态的临界状态，保持3min，最后在室温环境中自然冷却固化，从而制得复合材料试样。
实施例3
本实施例的一种竹原纤维3D编织床垫填充材料，制备方法如下：
(1)竹原纤维(NBF)预处理
为了得到干净无杂质的竹原纤维，将竹原纤维置于40℃蒸馏水中超声处理1h，再用流水反复冲洗5～8次，在105℃鼓风干燥箱中干燥12h，使其含水率低于5％，再在20℃、65％湿度的恒温恒湿箱中调节至平衡含水率，用制线工艺将竹原纤维制成竹原纤维纱线，支数为60支，再用络筒机将竹原纤维纱线转移至纸管上备用。
(2)竹原纤维编织线(NBFBT)的制备
将若干步骤(1)准备的缠绕有竹原纤维纱线的纸筒置于并线加捻机上对其进行加股加捻处理。将加股加捻后的竹原纤维纱线置于高速走马编织机上进行编织，制成竹原纤维编织线，放在干燥箱中备用。
进一步地，所述竹原纤维合股线股数范围为30股，捻系数为420，捻向为S。
(3)马来酸酐接枝竹原纤维的(MA-NBFBT)制备。
所述改性剂为马来酸酐二甲基甲酰胺溶液。取150g马来酸酐(MA)溶于3000mL二甲基甲酰胺(DMF)溶剂中，再将50mL的复配催化剂(硼酸、硫酸高铈、磷酸)按2:2:1混合后加入溶液中，并用磁力搅拌器搅拌均匀。将300g干燥的竹原纤维编织线浸入MA的DMF溶液，氮气保护，放入油浴锅中，在140℃下反应0.5h后取出冷却，用无水乙醇洗去未反应的MA和DMF溶剂，再用蒸馏水洗至中性，60℃烘干，得到马来酸酐接枝的竹原纤维编织线MA-NBFBT。
(4)竹原纤维热塑性弹性体复合编织线的制备
POE包覆竹原纤维编织线的制备：包覆编织线包括两个组分，分别为竹原纤维芯纱及POE长丝捆绑纱。将POE通过化学纺丝工艺制成POE长纤后，通过并捻机将POE化学长纤定量缠绕于竹原纤维编织线外侧。
进一步地，POE长丝的线密度为40Tex。
(5)竹原纤维3D编织填充材料坯料的制备
用POE包覆竹原纤维编织线制备：
a.将POE包覆竹原纤维编织线放入三维编织机中进行三维编织。
进一步地，编织方式包括但不限于三维四向、三维五向。
b.将三维编织物置于模具内，将平板缓慢升温至POE的粘流温度，使POE捆绑纱处于高弹态转为粘流态的临界状态，保持3min，最后在室温环境中自然冷却固化，从而制得复合材料试样。
实施例4
本实施例的一种竹原纤维3D编织床垫填充材料，制备方法如下：
(1)竹原纤维(NBF)预处理
为了得到干净无杂质的竹原纤维，将竹原纤维置于40℃蒸馏水中超声处理1h，再用流水反复冲洗5～8次，在105℃鼓风干燥箱中干燥12h，使其含水率低于5％，再在20℃、65％湿度的恒温恒湿箱中调节至平衡含水率，用制线工艺将竹原纤维制成竹原纤维纱线，支数为20支，再用络筒机将竹原纤维纱线转移至纸管上备用。
(2)竹原纤维编织线(NBFBT)的制备
将若干步骤(1)准备的缠绕有竹原纤维纱线的纸筒置于并线加捻机上对其进行加股加捻处理。将加股加捻后的竹原纤维纱线置于高速走马编织机上进行编织，制成竹原纤维编织线，放在干燥箱中备用。
进一步地，所述竹原纤维合股线股数范围为10股，捻系数为300，捻向为S。
(3)马来酸酐接枝竹原纤维的(MA-NBFBT)制备。
所述改性剂为马来酸酐二甲基甲酰胺溶液。取150g马来酸酐(MA)溶于3000mL二甲基甲酰胺(DMF)溶剂中，再将50mL的复配催化剂(硼酸、硫酸高铈、磷酸)按1:2:2混合后加入溶液中，并用磁力搅拌器搅拌均匀。将300g干燥的竹原纤维编织线浸入MA的DMF溶液，氮气保护，放入油浴锅中，在110℃下反应2h后取出冷却，用无水乙醇洗去未反应的MA和DMF溶剂，再用蒸馏水洗至中性，60℃烘干，得到马来酸酐接枝的竹原纤维编织线MA-NBFBT。
(4)竹原纤维热塑性弹性体复合编织线的制备
POE包覆竹原纤维编织线的制备：包覆编织线包括两个组分，分别为竹原纤维芯纱及POE长丝捆绑纱。将POE通过化学纺丝工艺制成POE长纤后，通过并捻机将POE化学长纤定量缠绕于竹原纤维编织线外侧。
进一步地，POE长丝的线密度为55Tex。
(5)竹原纤维3D编织填充材料坯料的制备
用POE包覆竹原纤维编织线制备：
a.将POE包覆竹原纤维编织线放入三维编织机中进行三维编织。
进一地，编织方式为三维正交。
b.将三维编织物置于模具内，将平板缓慢升温至POE的粘流温度，使POE捆绑纱处于高弹态转为粘流态的临界状态，保持3min，最后在室温环境中自然冷却固化，从而制得复合材料试样。
实施例5
本实施例的一种竹原纤维3D编织床垫填充材料，制备方法如下：
(1)竹原纤维(NBF)预处理
为了得到干净无杂质的竹原纤维，将竹原纤维置于40℃蒸馏水中超声处理1h，再用流水反复冲洗5～8次，在105℃鼓风干燥箱中干燥12h，使其含水率低于5％，再在20℃、65％湿度的恒温恒湿箱中调节至平衡含水率，用制线工艺将竹原纤维制成竹原纤维纱线，支数为40支，再用络筒机将竹原纤维纱线转移至纸管上备用。
(2)竹原纤维编织线(NBFBT)的制备
将若干步骤(1)准备的缠绕有竹原纤维纱线的纸筒置于并线加捻机上对其进行加股加捻处理。将加股加捻后的竹原纤维纱线置于高速走马编织机上进行编织，制成竹原纤维编织线，放在干燥箱中备用。
进一步地，所述竹原纤维合股线股数范围为20股，捻系数为360，捻向为S。
(3)马来酸酐接枝竹原纤维的(MA-NBFBT)制备。
所述改性剂为马来酸酐二甲基甲酰胺溶液。取150g马来酸酐(MA)溶于3000mL二甲基甲酰胺(DMF)溶剂中，再将50mL的复配催化剂(硼酸、硫酸高铈、磷酸)按2:1:2混合后加入溶液中，并用磁力搅拌器搅拌均匀。将300g干燥的竹原纤维编织线浸入MA的DMF溶液，氮气保护，放入油浴锅中，在110℃下反应2h后取出冷却，用无水乙醇洗去未反应的MA和DMF溶剂，再用蒸馏水洗至中性，60℃烘干，得到马来酸酐接枝的竹原纤维编织线MA-NBFBT。
(4)竹原纤维热塑性弹性体复合编织线的制备
POE包覆竹原纤维编织线的制备：包覆编织线包括两个组分，分别为竹原纤维芯纱及POE长丝捆绑纱。将POE通过化学纺丝工艺制成POE长纤后，通过并捻机将POE化学长纤定量缠绕于竹原纤维编织线外侧。
进一步地，POE长丝的线密度为55Tex。
(5)竹原纤维3D编织填充材料坯料的制备
用POE包覆竹原纤维编织线制备：
a.将POE包覆竹原纤维编织线放入三维编织机中进行三维编织。
进一步地，编织方式为三维正交。
b.将三维编织物置于模具内，将平板缓慢升温至POE的粘流温度，使POE捆绑纱处于高弹态转为粘流态的临界状态，保持3min，最后在室温环境中自然冷却固化，从而制得复合材料试样。
实施例6
本实施例的一种竹原纤维3D编织床垫填充材料，制备方法如下：
(1)竹原纤维(NBF)预处理
为了得到干净无杂质的竹原纤维，将竹原纤维置于40℃蒸馏水中超声处理1h，再用流水反复冲洗5～8次，在105℃鼓风干燥箱中干燥12h，使其含水率低于5％，再在20℃、65％湿度的恒温恒湿箱中调节至平衡含水率，用制线工艺将竹原纤维制成竹原纤维纱线，支数为60支，再用络筒机将竹原纤维纱线转移至纸管上备用。
(2)竹原纤维编织线(NBFBT)的制备
将若干步骤(1)准备的缠绕有竹原纤维纱线的纸筒置于并线加捻机上对其进行加股加捻处理。将加股加捻后的竹原纤维纱线置于高速走马编织机上进行编织，制成竹原纤维编织线，放在干燥箱中备用。
进一步地，所述竹原纤维合股线股数范围为30股，捻系数为420，捻向为S。
(3)马来酸酐接枝竹原纤维的(MA-NBFBT)制备。
所述改性剂为马来酸酐二甲基甲酰胺溶液。取150g马来酸酐(MA)溶于3000mL二甲基甲酰胺(DMF)溶剂中，再将50mL的复配催化剂(硼酸、硫酸高铈、磷酸)按1:1:1混合后加入溶液中，并用磁力搅拌器搅拌均匀。将300g干燥的竹原纤维编织线浸入MA的DMF溶液，氮气保护，放入油浴锅中，在110℃下反应2h后取出冷却，用无水乙醇洗去未反应的MA和DMF溶剂，再用蒸馏水洗至中性，60℃烘干，得到马来酸酐接枝的竹原纤维编织线MA-NBFBT。
(4)竹原纤维热塑性弹性体复合编织线的制备
POE包覆竹原纤维编织线的制备：包覆编织线包括两个组分，分别为竹原纤维芯纱及POE长丝捆绑纱。将POE通过化学纺丝工艺制成POE长纤后，通过并捻机将POE化学长纤定量缠绕于竹原纤维编织线外侧。
进一步地，POE长丝的线密度为55Tex。
(5)竹原纤维3D编织填充材料坯料的制备
用POE包覆竹原纤维编织线制备：
a.将POE包覆竹原纤维编织线放入三维编织机中进行三维编织。
进一步地，编织方式包括但不限于三维四向、三维五向。
b.将三维编织物置于模具内，将平板缓慢升温至POE的粘流温度，使POE捆绑纱处于高弹态转为粘流态的临界状态，保持3min，最后在室温环境中自然冷却固化，从而制得复合材料试样。
实施例7
本实施例的一种竹原纤维3D编织床垫填充材料，制备方法如下：
(1)竹原纤维(NBF)预处理
为了得到干净无杂质的竹原纤维，将竹原纤维置于40℃蒸馏水中超声处理1h，再用流水反复冲洗5～8次，在105℃鼓风干燥箱中干燥12h，使其含水率低于5％，再在20℃、65％湿度的恒温恒湿箱中调节至平衡含水率，用制线工艺将竹原纤维制成竹原纤维纱线，支数为20支，再用络筒机将竹原纤维纱线转移至纸管上备用。
(2)竹原纤维编织线(NBFBT)的制备
将若干步骤(1)准备的缠绕有竹原纤维纱线的纸筒置于并线加捻机上对其进行加股加捻处理。将加股加捻后的竹原纤维纱线置于高速走马编织机上进行编织，制成竹原纤维编织线，放在干燥箱中备用。
进一步地，所述竹原纤维合股线股数范围为10股，捻系数为300，捻向为S。
(3)马来酸酐接枝竹原纤维的(MA-NBFBT)制备。
所述改性剂为马来酸酐二甲基甲酰胺溶液。取150g马来酸酐(MA)溶于3000mL二甲基甲酰胺(DMF)溶剂中，再将50mL的复配催化剂(硼酸、硫酸高铈、磷酸)按1:1:1混合后加入溶液中，并用磁力搅拌器搅拌均匀。将300g干燥的竹原纤维编织线浸入MA的DMF溶液，氮气保护，放入油浴锅中，在110℃下反应2h后取出冷却，用无水乙醇洗去未反应的MA和DMF溶剂，再用蒸馏水洗至中性，60℃烘干，得到马来酸酐接枝的竹原纤维编织线MA-NBFBT。
(4)竹原纤维热塑性弹性体复合编织线的制备
POE包覆竹原纤维编织线的制备：包覆编织线包括两个组分，分别为竹原纤维芯纱及POE长丝捆绑纱。将POE通过化学纺丝工艺制成POE长纤后，通过并捻机将POE化学长纤定量缠绕于竹原纤维编织线外侧。
进一地，POE长丝的线密度为70Tex。
(5)竹原纤维3D编织填充材料坯料的制备
用POE包覆竹原纤维编织线制备
a.将POE包覆竹原纤维编织线放入三维编织机中进行三维编织。
进一步地，编织方式为三维正交。
b.将三维编织物置于模具内，将平板缓慢升温至POE的粘流温度，使POE捆绑纱处于高弹态转为粘流态的临界状态，保持3min，最后在室温环境中自然冷却固化，从而制得复合材料试样。
实施例8
本实施例的一种竹原纤维3D编织床垫填充材料，制备方法如下：
(1)竹原纤维(NBF)预处理
为了得到干净无杂质的竹原纤维，将竹原纤维置于40℃蒸馏水中超声处理1h，再用流水反复冲洗5～8次，在105℃鼓风干燥箱中干燥12h，使其含水率低于5％，再在20℃、65％湿度的恒温恒湿箱中调节至平衡含水率，用制线工艺将竹原纤维制成竹原纤维纱线，支数为40支，再用络筒机将竹原纤维纱线转移至纸管上备用。
(2)竹原纤维编织线(NBFBT)的制备
将若干步骤(1)准备的缠绕有竹原纤维纱线的纸筒置于并线加捻机上对其进行加股加捻处理。将加股加捻后的竹原纤维纱线置于高速走马编织机上进行编织，制成竹原纤维编织线，放在干燥箱中备用。
进一步地，所述竹原纤维合股线股数范围为20股，捻系数为360，捻向为S。
(3)马来酸酐接枝竹原纤维的(MA-NBFBT)制备。
所述改性剂为马来酸酐二甲基甲酰胺溶液。取150g马来酸酐(MA)溶于3000mL二甲基甲酰胺(DMF)溶剂中，再将50mL的复配催化剂(硼酸、硫酸高铈、磷酸)按1:1:1混合后加入溶液中，并用磁力搅拌器搅拌均匀。将300g干燥的竹原纤维编织线浸入MA的DMF溶液，氮气保护，放入油浴锅中，在110℃下反应2h后取出冷却，用无水乙醇洗去未反应的MA和DMF溶剂，再用蒸馏水洗至中性，60℃烘干，得到马来酸酐接枝的竹原纤维编织线MA-NBFBT。
(4)竹原纤维热塑性弹性体复合编织线的制备
POE包覆竹原纤维编织线的制备：包覆编织线包括两个组分，分别为竹原纤维芯纱及POE长丝捆绑纱。将POE通过化学纺丝工艺制成POE长纤后，通过并捻机将POE化学长纤定量缠绕于竹原纤维编织线外侧。
进一步地，POE长丝的线密度为70Tex。
(5)竹原纤维3D编织填充材料坯料的制备
用POE包覆竹原纤维编织线制备：
a.将POE包覆竹原纤维编织线放入三维编织机中进行三维编织。
进一步地，编织方式为三维正交。
b.将三维编织物置于模具内，将平板缓慢升温至POE的粘流温度，使POE捆绑纱处于高弹态转为粘流态的临界状态，保持3min，最后在室温环境中自然冷却固化，从而制得复合材料试样。
实施例9
本实施例的一种竹原纤维3D编织床垫填充材料，制备方法如下：
(1)竹原纤维(NBF)预处理
为了得到干净无杂质的竹原纤维，将竹原纤维置于40℃蒸馏水中超声处理1h，再用流水反复冲洗5～8次，在105℃鼓风干燥箱中干燥12h，使其含水率低于5％，再在20℃、65％湿度的恒温恒湿箱中调节至平衡含水率，用制线工艺将竹原纤维制成竹原纤维纱线，支数为60支，再用络筒机将竹原纤维纱线转移至纸管上备用。
(2)竹原纤维编织线(NBFBT)的制备
将若干步骤(1)准备的缠绕有竹原纤维纱线的纸筒置于并线加捻机上对其进行加股加捻处理。将加股加捻后的竹原纤维纱线置于高速走马编织机上进行编织，制成竹原纤维编织线，放在干燥箱中备用。
进一步，所述竹原纤维合股线股数范围为30股，捻系数为420，捻向为S。
(3)马来酸酐接枝竹原纤维的(MA-NBFBT)制备。
所述改性剂为马来酸酐二甲基甲酰胺溶液。取150g马来酸酐(MA)溶于3000mL二甲基甲酰胺(DMF)溶剂中，再将50mL的复配催化剂(硼酸、硫酸高铈、磷酸)按1:1:1混合后加入溶液中，并用磁力搅拌器搅拌均匀。将300g干燥的竹原纤维编织线浸入MA的DMF溶液，氮气保护，放入油浴锅中，在110℃下反应2h后取出冷却，用无水乙醇洗去未反应的MA和DMF溶剂，再用蒸馏水洗至中性，60℃烘干，得到马来酸酐接枝的竹原纤维编织线MA-NBFBT。
(4)竹原纤维热塑性弹性体复合编织线的制备
POE包覆竹原纤维编织线的制备：包覆编织线包括两个组分，分别为竹原纤维芯纱及POE长丝捆绑纱。将POE通过化学纺丝工艺制成POE长纤后，通过并捻机将POE化学长纤定量缠绕于竹原纤维编织线外侧。
进一步地，POE长丝的线密度为70Tex。
(5)竹原纤维3D编织填充材料坯料的制备
用POE包覆竹原纤维编织线制备：
a.将POE包覆竹原纤维编织线放入三维编织机中进行三维编织。
进一步地，编织方式包括但不限于三维四向、三维五向。
b.将三维编织物置于模具内，将平板缓慢升温至POE的粘流温度，使POE捆绑纱处于高弹态转为粘流态的临界状态，保持3min，最后在室温环境中自然冷却固化，从而制得复合材料试样。
实施例10
本实施例的一种竹原纤维3D编织床垫填充材料，制备方法如下：
(1)竹原纤维(NBF)预处理
为了得到干净无杂质的竹原纤维，将竹原纤维置于40℃蒸馏水中超声处理1h，再用流水反复冲洗5～8次，在105℃鼓风干燥箱中干燥12h，使其含水率低于5％，再在20℃、65％湿度的恒温恒湿箱中调节至平衡含水率，用制线工艺将竹原纤维制成竹原纤维纱线，支数为40支，再用络筒机将竹原纤维纱线转移至纸管上备用。
(2)竹原纤维编织线(NBFBT)的制备
将若干步骤(1)准备的缠绕有竹原纤维纱线的纸筒置于并线加捻机上对其进行加股加捻处理。将加股加捻后的竹原纤维纱线置于高速走马编织机上进行编织，制成竹原纤维编织线，放在干燥箱中备用。
进一步地，所述竹原纤维合股线股数范围为20股，捻系数为360，捻向为S。
(3)马来酸酐接枝竹原纤维的(MA-NBFBT)制备。
所述改性剂为马来酸酐二甲基甲酰胺溶液。取150g马来酸酐(MA)溶于3000mL二甲基甲酰胺(DMF)溶剂中，再将50mL的复配催化剂(硼酸、硫酸高铈、磷酸)按1:2:1混合后加入溶液中，并用磁力搅拌器搅拌均匀。将300g干燥的竹原纤维编织线浸入MA的DMF溶液，氮气保护，放入油浴锅中，在110℃下反应2h后取出冷却，用无水乙醇洗去未反应的MA和DMF溶剂，再用蒸馏水洗至中性，60℃烘干，得到马来酸酐接枝的竹原纤维编织线MA-NBFBT。
(4)竹原纤维热塑性弹性体复合编织线的制备
异形竹原纤维/POE复合编织线的制备：将POE加热至120～140℃，直至母粒完全转化为流态，将竹原纤维编织线放入异形模具中后浸入POE中，待POE完全浸湿竹原纤维编织线后将模具取出，在常温中冷却固化，得到异形竹原纤维/POE复合编织线。
进一步地，所述异形模具包括但不限于螺旋模具、波浪模具和梯形模具。本实施例中，具体选择螺旋模具与梯形模具，对应地，获得螺旋状竹原纤维/POE复合编织线与梯形竹原纤维/POE复合编织线。
(5)竹原纤维3D编织填充材料坯料的制备
a.将POE母粒加热至流态后，倒入模具中，制成POEL。
b.将异形竹原纤维/POE复合编织线视为竹原纤维3D编织填充材料坯料的单元体，按照螺旋状竹原纤维/POE复合编织线与梯形竹原纤维/POE复合编织线间隔排列的形式进行组合，并在单元体组合上下表面加入POEL。
c.将组合材料置于模具内，先将平板模具升温至110～140℃，预热5min，然后对预热试样进行定高热压，保压2～6min，最后在室温环境中冷压10min，从而制得复合材料试样。
实施例11
本实施例用以说明上述实施例中竹原纤维3D编织床垫填充材料的外观结构与性能。
一、关于施例1～9中竹原纤维3D编织床垫填充材料：
实施例1～9中竹原纤维3D编织床垫填充材料的外观结构见图1。
实施例1～9中竹原纤维3D编织床垫填充材料在0～240N载荷下的各层硬度情况见图2，其中，数值越小则表示材料越硬。从图2中可以看出，实施例1～9各层硬度均随喷胶量以及编织线线密度的增加而逐渐增大。
实施例1～9中竹原纤维3D编织床垫填充材料在240N载荷下的滞后损失率见图3，其中，数值越大表示缓压效果越强，数值越小则表示弹性越大。由图3可知，实施例1～9材料的滞后损失率均在32％-36％之间，处于一个弹性及缓压性能较均衡的水平，并且，滞后损失率随喷胶量的增加而降低，说明POE增强了竹原纤维的刚性，使得材料的整体弹性增强。此外，材料的滞后损失率随竹原纤维编织线所占质量比的增加而增加，这是因为竹原纤维属于纤维素纤维，柔性远高于POE这种高分子聚合物，竹原纤维组分提高使得材料整体的柔性增强，表现出更高的缓压性能。
实施例1～9中竹原纤维3D编织床垫填充材料在4cm厚情况下的各频率的吸声系数曲线见图4。从图4中可以看出，实施例1～9材料的吸声系数均从低频开始往高频逐渐增大，到2000Hz时吸声系数达到最大，此时吸声系数接近1，随后又略微降低，到4000Hz时出现了一个波谷，而此时的吸声系数大于0.8，仍然具有非常优良的吸声性能，在4000～6000Hz吸声系数再次逐渐升高。
表1为实施例1～9中材料的平均吸声系数，平均吸声系数是指材料在125、250、500、1000、2000、4000Hz这6个特定频率吸声系数的算术平均值。根据相关文献的报道，平均吸声系数在0.5以上为高效吸声材料，从表中可以看出，实施例1～9材料在4cm时吸声系数均大于0.5，因此，当厚度为4cm时，本方法制备的竹原纤维三维编织复合材料是高效吸声材料。
表1实施例1～9竹原纤维三维编织复合材料吸声性能测试结果
Figure BDA0003501564060000231
Figure BDA0003501564060000241
二、关于施例10中竹原纤维3D编织床垫填充材料：
实施例10中竹原纤维3D编织床垫填充材料的外观结构见图5。
实施例10中竹原纤维3D编织床垫填充材料在0～240N载荷下的各层硬度情况见图2，其中，数值越小则表示材料越硬。从图2中可以看出，实施例10中竹原纤维3D编织床垫填充材料的各层硬度均高于实施例1～9组，这是由于异形竹原纤维复合材料单元体具备更高的弹性。
实施例10中竹原纤维3D编织床垫填充材料在240N载荷下的滞后损失率见图3，其中，数值越大表示缓压效果越强，数值越小则表示弹性越大。从图3中可以看出，实施例10的滞后损失率低于实施例1～9组，这是由于单元体的高弹性，使其在卸压过程中具有较小的能量耗散，具有更高的支撑性。
实施例10中竹原纤维3D编织床垫填充材料在4cm厚情况下的各频率的吸声系数曲线见图4。从图4中可以看出，实施例10材料的吸声系数均从低频开始往高频逐渐增大，到2000Hz时吸声系数达到最大，此时吸声系数接近1，随后又略微降低，到4800Hz时出现了一个波谷，而此时的吸声系数大于0.8，仍然具有非常优良的吸声性能，在4800～6000Hz吸声系数再次逐渐升高。
表2为实施例10中材料的平均吸声系数。结合图4、表1与表2可知，实施例10的吸声系数低于实施例1～9组，这是因为材料的空隙间隔较其他各组更大，与声波的接触面积更小，所能消耗的声能更少。
表2实施例10竹原纤维三维编织复合材料吸声性能测试结果
样品 平均吸声系数
实施例10 0.501
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 (3)

1.一种竹原纤维3D编织床垫填充材料的制备方法，其特征在于，方法如下：
（1）竹原纤维编织线的制备
竹原纤维采用纺织用竹原纤维，且在通过制纱工艺制成竹原纤维纱线后，通过合股、加捻、编绳步骤制成所述竹原纤维编织线，具体方法如下：
将竹原纤维置于40℃蒸馏水中超声处理1h，再用流水反复冲洗5~8次，在105℃鼓风干燥箱中干燥12h，使其含水率低于5%，再在20℃、65%湿度的恒温恒湿箱中调节至平衡含水率；用制线工艺将竹原纤维制成竹原纤维纱线，支数为7~60支，再用络筒机将竹原纤维纱线转移至纸管上备用；
将准备的若干缠绕有竹原纤维纱线的纸筒置于并线加捻机上对其进行加股加捻处理；将加股加捻后的竹原纤维纱线置于走马编织机上进行编织，制成竹原纤维编织线，放在干燥箱中备用；
（2）马来酸酐接枝竹原纤维的制备
取马来酸酐溶于二甲基甲酰胺溶剂中，再将复配催化剂混合加入溶液，并用磁力搅拌器搅拌均匀；将干燥的竹原纤维编织线浸入马来酸酐的二甲基甲酰胺溶液，氮气保护，放入油浴锅中，在一定温度下反应一定时间后取出冷却，用无水乙醇洗去未反应的马来酸酐和二甲基甲酰胺溶剂，再用蒸馏水洗至中性，60℃烘干，得到马来酸酐接枝竹原纤维编织线；其中，油浴锅中反应温度80~140℃，反应时间0.5~5h，固液比1:10~3:7，m(马来酸酐)/m(竹原纤维)=0.5~1.5；
（3）竹原纤维热塑性弹性体复合编织线的制备
将马来酸酐接枝竹原纤维编织线与热塑性弹性体“茂金属催化的乙烯-辛烯原位聚合高聚物POE”进行复合，具体方法如下：
将POE母粒加热至120~140℃，直至母粒完全转化为流态，将马来酸酐接枝竹原纤维编织线放入异形模具中后浸入POE中；待POE完全浸湿竹原纤维编织线后，将模具取出，在常温中冷却固化，得到异形竹原纤维/POE复合编织线；所述异形模具包括螺旋模具、波浪模具和梯形模具；
（4）竹原纤维3D编织填充材料坯料的制备
对所述异形竹原纤维/POE复合编织线进行排列组合，形成3D结构；接着，通过热压、常温固化，得到坯料，具体方法如下：
a.将POE母粒加热至流态后，倒入模具中，制成POEL；
b.将异形竹原纤维/POE复合编织线视为竹原纤维3D编织填充材料坯料的单元体，对其进行排列组合，并在单元体组合上下表面加入POEL；
c.将组合材料置于模具内，先将平板模具升温至110~140℃，预热5min，然后对预热试样进行定高热压，保压2~6min，最后在室温环境中冷压10min，从而制得复合材料试样；
（5）经裁剪、修边，最终获得竹原纤维3D编织床垫填充材料。
2.根据权利要求1所述的竹原纤维3D编织床垫填充材料的制备方法，其特征在于，所述步骤（1）中，竹原纤维合股线股数范围为2~30股，捻系数范围为260~450，捻向为S、Z。
3.根据权利要求1所述的竹原纤维3D编织床垫填充材料的制备方法，其特征在于，所述步骤（2）中，复配催化剂采用硼酸、硫酸高铈、磷酸混合而成，且硼酸:硫酸高铈:磷酸=1:1:1、1:2:1、2:2:1、1:2:2或2:1:2。
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