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Die
vorliegende Erfindung betrifft eine Matratze oder ein Kissen für
ein Bett, hergestellt aus flexiblem geschäumtem Polyurethan.
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Wie
bekannt, werden Matratzen und Kissen als Ruhekörper auf
einem Bett für Ruhepausen und zur Erholung eines Benutzers
verwendet. Diese Vorrichtungen werden sowohl für den privaten
Gebrauch im Haushalt wie auch im öffentlichen Sektor (zum Beispiel
Krankenhäuser, Pflegeheime, Hotels) gekauft, wo noch striktere
Anforderungen bestehen.
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Es
ist auch bekannt, diese Vorrichtungen aus flexiblem Polyurethanmaterial
herzustellen.
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Die
Polyurethanchemie basiert auf der Reaktion von Isocyaniden mit Molekülen,
die aktive Wasserstoffatome enthalten. Die -NCO-Gruppen, die in dem
Isocyanatmolekül enthalten sind, werden veranlasst, in
Gegenwart von geeigneten Katalysatoren schnell mit Wasserstoffatomen
zu reagieren, die an Atome gebunden sind, die stärker elektronegativ
sind als Kohlenstoff. Diese Reaktion führt zu der Bildung der
gewünschten Polymerstruktur; in Verbindung damit tritt
parallel eine Gasproduktion auf, zum Beispiel Kohlenstoffdioxid
(das von der Reaktion von Isocyanat mit Wasser stammt).
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Für
gewöhnlich wird zur Herstellung von Kissen und Polstern
ein kontinuierlicher Chargenproduktionsprozess verwendet. Aus Vorratstanks,
die für die verwendeten Rohmaterialien und Zusatzstoffe
die geeignete Größe und Struktur aufweisen, werden
die chemischen Komponenten – mit Hilfe von Zirkulierungs-/Dosierungspumpen – entlang
zweckbestimmter Verbindungsleitungen zu einem Misch- und Abgabekopf
geleitet. In dem Mischkopf ist es möglich, verschiedene
Mischparameter zu ändern. Der Abgabekopf führt
zu einer Schäumungslinie, wo ein Teppich geeigneter Höhe
und Breite aus geschäumtem Polyurethan kontinuierlich produziert
wird, der dann auf die gewünschte Länge für
die Herstellung langer Polyurethanblöcke geschnitten wird.
Die Blöcke werden dann in Alterungsebenen gelagert, bis
sie anschließend zu Platten, Scheiben oder Rollen geeigneter Größe
für die Produktion des fertigen Objekts geschnitten werden.
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Auf
dem Markt werden bereits zahlreiche Arten von Polyurethankissen
und -matratzen angeboten, wobei verschiedene einzelne Polyurethanscheiben
(in Dichte, mechanischem Verhalten, Hygienemerkmalen und so weiter)
miteinander gekoppelt werden oder Rollen aus dünnen Scheiben
in Verbindung mit Stoffen und Wattierung verwendet werden, um ein
Fertigprodukt zu erhalten, das die Anforderungen des Benutzers am
besten erfüllt.
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Obwohl
Polyurethan an sich gute thermische Eigenschaften aufweist, gemeinsam
mit einer guten Schweißqualität, hat sich die
Antragstellerin selbst zum Ziel gesetzt, ein verbessertes Kissen
und eine verbesserte Matratze anzubieten, die dem Benutzer ein angenehmes,
komfortables Gefühl bei verschiedenen Temperaturen verleiht.
Insbesondere ist die Zielsetzung, eine Matratze anzubieten, die
imstande ist, zu der Regulierung der Körpertemperatur beizutragen,
einen besseren Komfort in all jenen Fällen zu bieten, in
welchen der Körper des Benutzers – aus verschiedenen
vorübergehenden oder pathologischen Gründen – überhitzt
oder kalt ist.
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Eine
solche Zielsetzung wird durch ein Produkt erreicht, das in seinen
wesentlichen Merkmalen in dem beiliegenden Hauptanspruch beschrieben
ist.
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Andere
erfindungsgemäße Aspekte der Matratze und des
Kissens sind in den abhängigen Ansprüchen beschrieben.
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Weitere
Merkmale und Vorteile der Vorrichtung gemäß der
Erfindung gehen in jedem Fall aus der folgenden ausführlichen
Beschreibung einer bevorzugten Ausführungsform hervor,
die als Beispiel angeführt und in der beiliegenden Zeichnung
als Kurve dargestellt ist, die das Komfortergebnis zeigt, das mit
der Vorrichtung gemäß der Erfindung erhalten werden
kann.
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Die
Antragstellerin begann mit der Auswahl von Substanzen, die eine
Phasenumwandlung erfahren, wodurch Wärmeenergie in einem
Zeitintervall freigesetzt/absorbiert wird, das vorteilhaft sein
könnte. Während der Phasenumwandlung setzen solche Phasenumwandlungsmaterialien,
die auch als PCMs (”phase change materials”) bezeichnet
werden, latente Wärme frei (Übergang vom flüssigen
in den festen Zustand) oder absorbieren latente Wärme (Übergang
vom festen Zustand in den flüssigen Zustand) und werden
somit imstande, proportional zu ihrem Volumen Wärme aus
der Umgebung abzuleiten oder in diese einzubringen.
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Die
Phasen, die zu betrachten sind, sind die feste und die flüssige
Phase, da die gasförmige beachtliche praktische Probleme
bedeuten würde, die vorwiegend mit Volumenänderungen
verbunden sind, die sie kaum nutzbar machen.
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Besonders
vorteilhafte Substanzen für die spezifische Verwendung,
die hier in Betracht gezogen wird – die in der Folge als
Wärme regulierende Substanzen aufgelistet sind –,
sind so genannte PCMs mit einer hohen latenten Kondensationswärme,
die eine Zustandsumwandlungstemperatur im Intervall zwischen 18°C
und 37°C haben, entsprechend dem Temperaturintervall, das
geeignet ist, dem Körper eines Benutzers ein Wohlempfinden
zu vermitteln.
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Solche
Substanzen bestehen sowohl in organischer Form (zum Beispiel Paraffin
oder Fettsäuren) wie auch in anorganischer Form (zum Beispiel hydrierte
Salze, wie MnH2O)
und manifestieren sich auch in eutektischen Formen. Ferner sind
sie imstande, zwischen 5 und 14 Mal mehr Energie zu speichern als
andere Referenzsubstanzen wie Wasser.
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Vorzugsweise
werden in der vorliegenden Anmeldung solche Wärme regulierenden
Substanzen unter Paraffinen gewählt.
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Gemäß der
vorliegenden Erfindung werden solche Substanzen, die in Granula-
oder Pulverform hergestellt werden, zuerst mikroeingekapselt.
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Die
Technologie, die als ”Mikroeinkapselung” bezeichnet
wird, ermöglicht, eine Substanz im Inneren einer ”Schale” zu
halten und sie vor äußeren Mitteln zu schützen.
Die Mikrokapseln können in der Größe
zwischen 3 und 800 μm variieren. Die Mikroeinkapselungstechnik
ist an sich bekannt und wird somit nicht näher im Einzelnen
beschrieben. In dem spezifischen Fall, bei der Anwendung an geeigneten, Wärme
regulierenden Substanzen, kann die Schale jeder Mikrokapsel aus
einem der folgenden Materialien bestehen: Polyestern, Polyacrylaten,
Vinylpolymeren oder Wachsen.
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Sobald
die Mikrokügelchen der gewählten, Wärme
regulierenden Substanz erhalten sind, erfahren sie einen Dispersionsprozess
in einem Träger, der mit der Reaktion für den
Aufbau eines geschäumten Polyurethans kompatibel ist. Es
werden keine Dispersionstechniken, wie Ku geln oder Zylinder, verwendet,
um eine mechanische Belastung des Gemisches auf ein Minimum zu reduzieren.
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Der
Träger kann entweder von einer reaktionsfähigen
Art sein, so dass er in der Polymermatrix gebunden bleibt, oder
von einer nicht reaktionsfähigen Art. Im ersten Fall muss
dessen Vorhandensein während der chemischen Formulierung
ferner berücksichtigt werden, um sicherzustellen, dass
die Polyurethan-Polymerisationsreaktion nach Wunsch verläuft;
im letztgenannten Fall muss nur eine Substanz gewählt werden,
die die Anforderungen der Sektorstandards bezüglich Umwelt,
Gesundheit und Sicherheit der Arbeiter, und die Gesundheit der Benutzer unter
Berücksichtigung des Anwendungsgebiets des Fertigprodukts
nicht gefährdet. Bei der Wahl des Trägers müssen
letztendlich auch die Aspekte einer chemischen Kompatibilität
mit der Art der Mikrokügelchenmembran berücksichtigt
werden.
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Als
ein Beispiel für einen reaktionsfähigen Träger
wird hier Polyol genannt; als nicht reaktionsfähiger Träger
wird zum Beispiel ein nicht-phthalischer Weichmacher in Betracht
gezogen.
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Sollte
es notwendig sein, eine gute Dispersionsgleichförmigkeit
aufrechtzuerhalten, können zusätzlich zu dem Träger
benetzende und stabilisierende Zusatzstoffe in dieselbe Dispersion
eingeführt werden.
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Die
derart erhaltene Dispersion, die aus Mikrokügelchen (mikroeingekapselter
Phasenumwandlungssubstanz) und Polyol und einem möglichen
benetzenden Mittel besteht, wird in der Herstellung von flexiblem
geschäumtem Polyurethan verwendet.
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Das
Fertigprodukt (das Kissen oder die Matratze), das gemäß der
Erfindung erhältlich ist, kann durch die Anwendung verschiedener
Technologien für die Herstellung von flexiblem geschäumtem
Polyurethan her gestellt werden, sowohl aus kontinuierlichen Blöcken
wie auch durch Formen.
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Die
Dichten der Polyurethane variieren im Allgemeinen von 25 bis 100
kg/m3; Isocyanate können TDI (Toluol-di-isocyanat),
MDI (Methylen-difenyl-isocyanat) und IPDI (Isoforon-di-isocyanat)
sein; die Art des Polyols kann herkömmliches hochelastisches
Ethylenoxid und/oder auf Propylenoxid basierende Ether sein, sowie
Ester, möglicherweise vernetzt, um die Härter
von Polyurethan zu verstärken. Polyole auf pflanzlicher
Basis, d. h., die von erneuerbaren Quellen erhalten werden, können
ebenso verwendet werden.
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Innerhalb
der Polyurethanformulierung können die Gewichtsprozente
der zusätzlichen Dispersion (Mikrokapseln enthaltend),
im Sinne von nur Mikrokügelchen bezogen auf das Endgewicht
des Schaums – abhängig von der Dichte und/oder
dem Endgebrauch des Polyurethans – zwischen 3% und 30%,
bezogen auf das Gewicht, variieren.
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Die
Behandlung, die gemäß der vorliegenden Erfindung
als bevorzugt festgestellt wurde, ist eine Massebehandlung: sie
sieht somit die Verwendung eines Kolbens, Zahnrades oder einer peristaltischen
Pumpe für die Dosierung der zusätzlichen Dispersion
direkt in die Polyurethan-Mischkammer vor.
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Das
derart erhaltene Polyurethan wird
- – geschnitten
und geformt, im Falle einer kontinuierlichen oder nicht kontinuierlichen
Produktion eines Blocks, um Matratzenplatten, dünne Scheiben,
die in Steppbezügen eingesetzt werden, oder Kissen zu erhalten
- – in einer Form verwendet, um geformte Matratzen und
Kissen zu erhalten.
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Insbesondere
kann der Matratzenbezug durch geschäumtes Polyurethan,
das eine Wärme regulierende Komponente enthält,
durch kontinuierliche Produktion von Scheiben erhalten werden, die dann
mit Stoff gekoppelt werden; während die Matratzenfüllung
auf eine der folgenden Weisen gebildet werden kann:
- A. Eine einzelne Polyurethanscheibe oder -platte mit Wärme
regulierender Komponente;
- B. Zwei gekoppelte Platten, vorzugsweise unter Verwendung des
Polyurethans, das mit der Wärme regulierenden Komponente
erzeugt wurde, in der einzigen Oberflächenplatte (d. h.
jener, die dazu bestimmt ist, am nächsten bei dem Körper des
Benutzers zu liegen);
- C. Drei gekoppelte Platten, vorzugsweise unter Verwendung des
Polyurethans, das mit der Technologie gemäß der
Erfindung produziert wurde, in den einzelnen Oberflächenplatten,
möglicher weise mit unterschiedlichen Wärme regulierenden
Eigenschaften (Winterseite, Sommerseite).
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Im
zweiten Fall (B) hat die Oberflächenplatte im Allgemeinen
geringere Druckspannungswerte CV40 (kPa),
um ein besseres Komfortempfinden zu verleihen, während
die untere Platte als Stütze mit höheren Druckspannungswerten
CV40 (kPa) dient.
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Im
dritten Fall (C) haben die zwei Oberflächenplatten im Allgemeinen
geringere Druckspannungswerte CV40 (kPa),
um ein besseres Komfort empfinden zu verleihen, während
die mittlere oder Kernplatte als Stütze mit höheren
Druckspannungswerten CV40 (kPa) dient.
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In
allen Fällen können die Oberflächen der Platten
an der Seite, die dem Benutzer zugewandt ist, flach sein oder verschiedene
Muster aufweisen. Die Muster haben den Zweck, Flächen unterschiedlicher ”Härte” zu
bilden und/oder eine ”Massagewirkung” zu erzeugen.
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Die
flexiblen geschäumten Polyurethane, die in der Formulierung
gemäß der Erfindung für die Herstellung
von Matratzen, Steppbezügen und Kissen verwendet werden,
können Folgendes sein:
- – herkömmliche
Polyether;
- – hochelastische Polyether;
- – viskoelastisch.
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Viskoelastische
Schäume werden vorzugsweise für Oberflächenplatten
oder innerhalb von Steppbezügen verwendet, die auf die
Oberseite von Matratzen gelegt werden, die sehr nahe dem Benutzer
angeordnet ist: tatsächlich sind sie angesichts ihrer Neigung,
den Körper im Vergleich zu anderen Schäumen besser
zu halten, besser für die Wärme regulierende Behandlung
als für ihre Stützeigenschaften der mittleren
oder unteren Platte geeignet.
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Wie
erwähnt, kann in hochwertigen Matratzen (Typ C) die Verwendung
von zwei Platten aus Polyurethanen mit unterschiedlichen, Wärme
regulierenden Eigenschaften vorgesehen sein. Dadurch wird eine Matratze/ein
Kissen mit Folgendem erhalten:
- – einer
Winterseite, die auf der Oberfläche ein Polyurethan mit
Wärme regulierenden Mikrokügelchen mit PCM mit
einem geringeren Schmelzpunkt aufweist;
- – einer Sommerseite, die an der Oberfläche
ein Polyurethan mit Wärme regulierenden Mikrokügelchen
mit PCM mit einem höheren Schmelzpunkt aufweist.
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Für
den abschließenden Überzug der Matratze können
ferner natürliche oder synthetische Stoffe verwendet werden,
wie auch nur Stoff, Steppbezüge (die möglicherweise
Wärme regulierendes Material enthalten), entfernbare oder
nicht entfernbare Überzüge.
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Für
die Herstellung des Kissens ist es im Allgemeinen bevorzugt, ein
einzelnes, flexibles, geschäumtes Polyurethan mit Wärme
regulierender Eigenschaft (das anschließend geformt wird,
wenn es aus einer kontinuierlichen Blockproduktion erhalten wird)
mit verschiedenen Mustern zu verwenden.
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Eine
Matratze, aber insbesondere ein Kissen, kann in vorteilhafter Weise
auch durch Formen hergestellt werden.
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Sollten
diese fertig gestellten Stücke durch Formen erhalten werden,
anstatt durch Blockformen, hergestellt mit der kontinuierlichen
Technik, ist es möglich – zusätzlich
zu dem Vorhergesagten – das weitere folgende Originalmerkmal
einzuführen.
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Während
der Formungsvorbereitungsphase wird zunächst eine Schicht
aus Mikrokügelchen (mikroeingekapselte, Wärme
regulierende Substanz) an deren Innenflächen angeordnet.
Die Oberflächen der Form, die von diesem Prozess betroffen
sind, sind mindestens jene, die in dem fertigen Produkt dem Endbenutzer
zugewandt sind.
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Der
oben genannte Vorgang hat den Zweck, auf vorübergehende
und reversible Weise die Mikrokügelchen an den Innenflächen
der Form zu befestigen. Zur Verbesserung der Anhaftung der Mikrokügelchen
in gleicher Dicke auf unebenen Oberflächen ist es möglich,
zuvor an den Innenflächen der Form einen Film desselben
Ablösungsmittels aufzubringen, der normalerweise verwendet
wird, um die Entfernungsvorgänge des fertigen Stücks
aus der Form zu erleichtern. Die derart erhaltene Schicht aus Mikrokügelchen
weist eine Dicke in der Größenordnung des Mikrokügelchendurchmessers
auf, d. h., zwischen 3 und 800 μm.
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Sobald
die Form geschlossen ist und das Reaktionsgemisch auf Polyurethanbasis
eingespritzt wurde, bleiben die Mikrokügelchen automatisch
in der Polymermatrix an dem Oberflächenteil des geformten
Objekts durch Übertragung von den Innenwänden
der Form eingebettet.
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Dadurch
können die folgenden weiteren Vorteile erhalten werden:
- – die Ablösung des fertigen
Stücks aus der Form am Ende des Prozesses wird weiter erleichtert,
da die Schicht aus Mikrokügelchen als ”Ablösungspulver” dient;
- – die Konzentration der Mikrokügelchen in
der Nähe der Oberflächenbereiche ist deutlich
erhöht, wodurch das Potenzial für eine Wärmeregulierung erhöht
wird.
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In
der beiliegenden Zeichnung ist eine Kurve einer Polyurethanmaterialtemperatur
gegenüber der Zeit dargestellt. Die Kurve belegt die Ergebnisse,
die mit der Vorrichtung gemäß der Erfindung erhalten werden
können. Insbesondere wird die Wärme regulierende
Wirkung, die eine Matratze ausübt, offensichtlich, wenn
die Matratze aus den flexiblen geschäumten Polyurethanscheiben
mit PCM-Mikrokapseln oder Mikrokügelchen gebildet wird,
wobei die Scheiben entweder den Kern oder die Außenseiten der
Matratze darstellen.
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Eine
Probe eines flexiblen geschäumten Polyurethans, das Wärme
regulierende Mikrokapseln gemäß der Erfindung
enthält, wurde einem Test nach dem Standard ASTM
D 7024 unterzogen. Der Test besteht aus dem abwechselnden
Ableiten und Zuleiten einer vorbestimmten Menge an Wärmeenergie von
beziehungsweise zu dem Schaum, wodurch Kühl- und Erwärmungszyklen
der polymeren Matrix verursacht werden.
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Der
Test wurde bei zwei verschiedenen Ausgangstemperaturen durchgeführt:
die erste (äußere) Kurve wurde beginnend bei einer
Temperatur von 41°C erhalten, während die zweite
(innere) Kurve beginnend bei etwa 25,5°C erhalten wurde.
Es kann festgehalten werden, dass, unter der Annahme, dass dieselbe
Energie von oder zu derselben Menge an Material abgeleitet beziehungsweise
zugeführt wurde, wenn – zweite Kurve – die
Temperatur um die kritische Temperatur/Betriebstemperatur von Mikrokapseln
schwankt (d. h., um die Temperatur, bei der eine Phasenumwandlung
eintritt), das polymere Material geringere Temperaturschwankungen
erfährt als die Probe, die bei Temperaturbereichen außerhalb
der kritische Temperatur/Betriebstemperatur von Wärme regulierenden
Mikrokapseln arbeitet. Die PCMs, die in den Mikrokapseln enthalten
sind, die in dem polymeren Material eingebettet sind, haben während
der Kühlungsphase latente Wärme zu dem polymeren Material
geleitet, während sie in der Erwärmungsphase die
latente Wärme von dem polymeren Material abgeleitet haben.
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Dieser
Test liefert ein klares Bild günstiger Vorteile der Vorrichtung
gemäß der Erfindung, die dem Benutzer einen erhöhten
Komfort bei Verwendung der Matratze oder des Kissens gemäß der
Erfindung empfinden lassen. Die Wärme regulierende Wirkung
kann Temperaturspitzen verringern, wodurch das Komfortempfinden
des Benutzers einer Matrat ze oder eines Kissens, die beziehungsweise das
gemäß der Erfindung hergestellt ist, stark verbessert
wird.
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Es
soll festgehalten werden, dass die Wärme regulierende Wirkung über
einen weiten Bereich verschiedener Temperaturen (18°C bis
37°C) durch die Wahl richtiger Gemische aus verschiedenen PCM-Mikrokapseln,
die in demselben Material eingebettet sind, bei Verwendung mit demselben
Massebehandlungsprozess erweitert werden kann.
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Wie
aus dem Vorhergesagten hervorgeht, werden durch die Originalanordnung,
die in der Erfindung vorgeschlagen wird, die Zielsetzungen, die
in der Einleitung dargelegt wurden, perfekt erreicht.
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Insbesondere
ermöglicht die Matratze oder das Kissen, die beziehungsweise
das aus flexiblem, geschäumtem Polyurethan mit hinzugefügten
Mikrokapseln aus Wärme regulierenden Substanzen besteht,
mit einer Phasenumwandlung im Temperaturintervall von 18°C
bis 37°C (Intervall, in dem die Körperwärme
des Menschen imstande ist, das Schmelzen des Wärme regulierenden
Phasenumwandlungsmaterials zu verursachen), dem Endbenutzer einen
größeren Komfort aufgrund der Energie speichernden
und freisetzenden Wirkung in der Form von Wärme, die durch
die Mikrokügelchen ausgeübt wird, zu bieten. Die
Mikrokügelchen erzeugen ein Mikroklima, das einen Ausgleich
der Temperaturspitzen ermöglicht, wodurch die Schlafqualität
oder eine längere Erholung verbessert wird.
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Es
versteht sich jedoch, dass der Schutz der zuvor beschriebenen Erfindung
nicht auf die besondere dargestellte Ausführungsform beschränkt
ist, sondern sich auf jede andere Konstruktionsvariante erstreckt,
die dieselben Nützlichkeit erreicht.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Nicht-Patentliteratur
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- - Standard ASTM
D 7024 [0044]