H. Herfert， M. Braun， A. Hantsch

1. 霍夫應(yīng)用技術(shù)大學(xué) 材料科學(xué)研究(德國) 2. 薩克森紡織研究所(德國) 3. 空氣與制冷技術(shù)研究所(德國)

保證舒適睡眠的關(guān)鍵要求是具備良好的環(huán)境條件，主要指身體周圍溫度和濕度達(dá)到理想的平衡。德國薩克森紡織研究所(STFI)和空氣與制冷技術(shù)研究所(ILK)的研究提供了床上用品填充材料影響床被下方環(huán)境的相關(guān)信息，確定了良好睡眠的關(guān)鍵決定因素，包括睡眠狀態(tài)的人體溫度調(diào)節(jié)機(jī)制、常規(guī)床上用品填充材料的特性及床被的常規(guī)舒適性標(biāo)準(zhǔn)。研究結(jié)果表明，具有特殊結(jié)構(gòu)參數(shù)的三維(3D)經(jīng)編織物相比非織造布具有更好的透濕性能，尤其是在夏季。

可采用多種方式對3D結(jié)構(gòu)的紡織品進(jìn)行改進(jìn)，使其最終產(chǎn)品具有廣泛的用途而應(yīng)用于日常生活和各工業(yè)領(lǐng)域。由熱塑性聚合物制成的經(jīng)編間隔織物(圖1)，在所有3D紡織品中需求量最大。這些經(jīng)編間隔織物因具有特定的彎曲剛度、壓縮特性和熱生理舒適性，是用于床和椅子的裝飾、汽車座椅襯墊及羽絨被填充物的理想材料。盡管其作為氣候調(diào)節(jié)材料用途廣泛，但開發(fā)數(shù)學(xué)和數(shù)值模型以描述3D經(jīng)編織物特性對其熱生理特性影響的工作目前鮮有開展，僅有的研究也只是個案。

圖1 經(jīng)編間隔織物實(shí)例

STFI和ILK聯(lián)合實(shí)施該項(xiàng)目，確定并評估了不同用途的經(jīng)編間隔織物材料和結(jié)構(gòu)參數(shù)對其在常溫和低溫條件下熱傳遞和材料轉(zhuǎn)移行為的影響。其目的在于將研究結(jié)果用于數(shù)值模擬模型。該項(xiàng)目仍在進(jìn)行中，本文將介紹研究的初步結(jié)果，試驗(yàn)涉及經(jīng)編間隔織物在羽絨被中的應(yīng)用。傳統(tǒng)產(chǎn)品可提供適度的儲熱和高水平的導(dǎo)濕功能，本文比較研究了由間隔織物制成的床上用品與傳統(tǒng)產(chǎn)品的物理特性，如厚度和面密度。

3D紡織品的物理性質(zhì)及環(huán)境生理性能可被改進(jìn)和修正。紗線原料和紗線線密度、經(jīng)編織物的結(jié)構(gòu)、成圈方式、面組織的線圈密度、絨線層的設(shè)計(jì)及織物厚度均可調(diào)節(jié)和改變。針對睡眠進(jìn)行相關(guān)研究可獲得優(yōu)化的填充工藝參數(shù)。

1 睡眠相關(guān)研究概述

醫(yī)療人員對核心溫度(CBT)和皮膚溫度(ST)進(jìn)行了區(qū)分。在人體中，CBT遵循24 h循環(huán)，會在20∶00左右達(dá)到最高溫度37.4 ℃，在4∶00左右達(dá)到最低溫度36.5 ℃。入睡后最初的幾個小時內(nèi)，CBT會出現(xiàn)特別明顯的下降。更多的血液流向皮膚以排出身體核心的熱量，此時通過皮膚表面散發(fā)的熱量和水分會增加。皮膚表面和床體本身的部分水蒸氣的氣壓差異，促使汗液從人體內(nèi)排出。如果羽絨被下方過于潮濕和溫暖，快速眼動(REM)和非快速眼動睡眠階段將發(fā)生異常，從而擾亂睡眠，甚至可能導(dǎo)致睡眠者醒來，睡眠質(zhì)量受到不利影響。最終，人體將通過排汗以防止過熱。

2 床內(nèi)理想條件

身體周圍區(qū)域的溫度處于27～31℃及相對濕度約為50%是良好睡眠的理想條件，具體數(shù)值取決于睡眠階段的類型。在相對濕度為60%及以上時，床內(nèi)的微環(huán)境會使人感到不舒服，睡眠也將受到干擾。個人對濕度的感知極其相似。在一項(xiàng)汽車座椅使用者對環(huán)境氣候舒適性感知的研究中，不到50%的參與者對溫度的感知一致，超過80%的參與者一致認(rèn)為評估過程中的不適由濕氣引起。

因此，在選擇羽絨被時，重點(diǎn)應(yīng)放在對填充物水分運(yùn)輸能力的評估上。每1 kg干燥空氣中水蒸氣的質(zhì)量大于23 g的特定濕度水平會引起人體不適。

3 經(jīng)編間隔織物的熱濕傳導(dǎo)測試

STFI進(jìn)行的一系列綜合試驗(yàn)研究了3D間隔織物的環(huán)境生理特性，并為此開發(fā)了一種特殊的測試儀器(圖2)，可模擬非穩(wěn)態(tài)條件下的溫度和濕度狀態(tài)。其可設(shè)置最大濕度為70%，膜下最高溫度為40 ℃。為了模擬夏季床上的高溫和高濕水平，選擇了床內(nèi)環(huán)境溫度和濕度的最大設(shè)定值進(jìn)行試驗(yàn)。

圖2 非穩(wěn)態(tài)熱濕傳導(dǎo)測試儀

50種具有各種不同結(jié)構(gòu)參數(shù)的經(jīng)編間隔織物試樣被用于試驗(yàn)。選用4種不同織物表面、2種不同厚度及2種不同單絲直徑的織物試樣。為改變織物表層之間的自由流動體積，加入了一些變形復(fù)絲用作絨線。

在選定的間隔織物上進(jìn)行了時長10 h的試驗(yàn)，以研究熱量和水分的普通傳輸模式。為了進(jìn)行比較，加入2種市售羽絨被試樣，其纖維非織造布填料的用量和厚度均不同。

由纖維構(gòu)成的非織造布具有與3D經(jīng)編間隔織物完全不同的幾何結(jié)構(gòu)，因此可預(yù)料它具有不同的熱量和物質(zhì)傳輸模式。例如，對于非織造布填料，不會產(chǎn)生對流的導(dǎo)濕行為，但厚度為8 mm及以上的經(jīng)編織物卻會發(fā)生對流導(dǎo)濕?；谶@些試驗(yàn)結(jié)果，設(shè)立了后續(xù)50個試樣的測試方案。

4 經(jīng)編間隔織物——更好的熱濕導(dǎo)體

對濕度和溫度測量值進(jìn)行無量綱標(biāo)準(zhǔn)化。試樣的濕度變化值達(dá)到圖1中的1.0時，表示物質(zhì)傳遞完成。圖1表明，除了1個試樣，其他所有經(jīng)編織物都具有比非織造布填充的羽絨被更好的導(dǎo)濕能力。6 h后，所有試樣的水分傳遞均完成。事實(shí)上，90%的水分早在初始1 h內(nèi)就已逸出(圖3)，這證實(shí)了非穩(wěn)態(tài)過程動力學(xué)。

圖3 濕度下降模式

6 h后熱傳輸大約完成90%(圖4)，經(jīng)編間隔織物和非織造布填料之間的性能差異也較小，所有試樣的溫度下降趨勢相似且分布均勻。

圖4 溫度下降模式

總體而言，與傳統(tǒng)非織造布填料相比，經(jīng)編間隔織物是更好的羽絨被填充物，二者熱量的傳輸相似，但經(jīng)編間隔織物的水分傳輸更好。為研究水分如何通過經(jīng)編間隔織物而進(jìn)行的試驗(yàn)證實(shí)了這一點(diǎn)(圖5)。人體睡眠期間的水汽最佳傳遞速率為27～115 g/h，水分的通過率應(yīng)盡可能高以確保水汽傳遞速率達(dá)到此范圍，研究表明多數(shù)經(jīng)編間隔織物達(dá)到該要求。

圖5 水分傳輸

5 結(jié)果——作為可能趨勢的指標(biāo)

將測量結(jié)果與參考羽絨被的測量值進(jìn)行比較(圖6)，可看到溫度下降模式不同。網(wǎng)眼織物試樣比高密度織物試樣溫度下降得更快。

圖7為水分下降模式，證實(shí)了經(jīng)編間隔織物水分傳遞比參考羽絨被更加有效。然而，無法明確地描述結(jié)構(gòu)參數(shù)對試樣溫度和水分降低的影響。圖7曲線顯示的水分下降模式表明網(wǎng)眼織物有促進(jìn)水分傳輸?shù)内厔?。然而，在得出任何具體結(jié)論之前，還需進(jìn)行更多的調(diào)研。水分傳輸?shù)难芯恳嗍侨绱恕?/p>

項(xiàng)目的后續(xù)階段將處理所有間隔織物試樣的測量結(jié)果，并進(jìn)行結(jié)構(gòu)參數(shù)對間隔織物的熱傳輸和物質(zhì)傳輸特性影響的評估。

圖6 與參考羽絨被相比的溫度下降模式

圖7 與參考羽絨被相比的水分下降模式