基于睡眠健康的化纖枕芯填充材料性能研究

萬殊姝 沈蘭萍 張紫艷

摘?要：為對比各類化學纖維枕芯的睡眠舒適性，選取滌綸、羽絨棉、丙綸、白竹炭纖維和合金鍺纖維5類填充纖維，制成枕芯小樣，分別測試其透氣性、透濕性、靜態熱性能、硬挺度和壓縮性。通過各項性能數據的對比，獲得各類枕芯在睡眠健康及舒適性上的優劣。結果表明，枕芯的透氣性主要由填充纖維間空隙大小決定，滌綸枕芯透氣性最好;纖維自身的吸濕性會影響枕芯的透濕，白竹炭纖維因內含竹炭微粉，其枕芯的透濕性最好;羽絨棉纖維因其特殊的中空結構，其保暖性和彈性最好;丙綸纖維因具有良好的抗彎剛度，其枕芯對頭頸部的支撐能力和蓬松度均為最好。通過測試分析，得到了各類化纖枕芯的特點，為消費者選取產品提供一定借鑒。

關鍵詞：睡枕枕芯;滌綸;羽絨棉;丙綸;白竹炭纖維;合金鍺纖維

中圖分類號：TS102.5

文獻標志碼：A

文章編號：1009-265X（2021）02-0001-06

作者簡介：萬殊姝（1996-），女，湖南湘潭人，碩士研究生，主要從事紡織材料改性及功能性紡織材料方面的研究。

Abstract：In order to compare the comfortable capability of various types of chemical fiber pillow fillings， five types of chemical fibers including polyester， down-cotton， polypropylene， white bamboo charcoal fiber and germanium alloy fiber were selected to make pillow filling samples. The samples were tested for the air permeability， moisture permeability， static thermal performance， stiffness and compressibility respectively. Through the comparison of various performance data， the advantages and disadvantages of the samples in respect of sleep health and comfortable capability are obtained. The result shows that the air permeability of pillow filling is mainly determined by pore size of the filling， and the polyester pillow performs best in air permeability. The moisture absorption of fiber will affect the moisture permeability of the pillow， and white bamboo charcoal fiber preforms best in moisture permeability since it contains bamboo charcoal powder. Having a special hollow structure， down-cotton fibers preforms best in heat retention and resilience. Polypropylene fiber is of good bending stiffness， and the pillow filling made from it performs best in bulkiness and the ability of supporting the head and neck. Through testing and analysis， the characteristics of various types of chemical fiber pillows are summarized to provide some reference for consumers to select products.

Key words：sleeping pillow filling; polyester; down-cotton; polypropylene; white bamboo charcoal fiber; germanium alloy fiber

人類有三分之一的時間都用于睡眠，良好的睡眠質量對于人類活動具有重要影響。心理因素、生理因素、環境因素和寢具因素均會對睡眠質量產生影響[1-3]。睡覺時人體處于平躺的姿勢，血液會集中涌向頭部。如果不使用枕頭容易造成頭部充血，壓迫血管壁。如果使用了枕頭，但是其厚度、軟硬、材質等不合適，也可能會導致各類頸椎、皮膚或呼吸道疾病[4-6]。睡枕的形狀主要分為立方型枕、扁平型枕、S型枕、凹型枕和凸型枕。何艷梅等[7]通過問卷調查和性能測試，發現S型枕是較多被調查者主觀認為最舒適的一種枕芯，同時睡枕的主觀高度感、枕型的合體感、濕悶感對總體舒適感評價有較大影響;侯建軍等[8]通過壓力測試、舒適感主觀評價、相關性及方差分析等方法，得到凸形枕和S形枕在使用時壓力分布均勻，脊柱的變形較小，整體舒適性較高的結論。崔蒙蒙[9]認為，睡枕的長度應當長于肩膀適當，便于使用者在翻身時也能平穩支撐頭部，而寬度應當比頭頸部略大即可，如若過寬，則可能會導致使用者肩部也被增高，進而造成肩頸不適。除上述提到的因素外，睡枕的材質也是影響睡眠質量和舒適性的關鍵因素之一。睡枕材質自身的透氣性、透濕性、壓縮回復性和接觸感的差異直接決定了睡眠舒適性。睡枕分為枕套和枕芯兩個部分。枕套與肌膚接觸，一般選擇易于清洗、耐磨和觸感良好的紡織面料。而枕芯則是枕頭發揮作用的關鍵部分，雖然它不是直接接觸皮膚，卻在許多方面影響頭頸部甚至全身的健康。如果所選擇的枕芯填充物不好，頭頸部產生的代謝廢物可能會在枕芯內部造成細菌滋生，進而引起呼吸道、消化道或者皮膚疾病。目前，市面上的枕芯填充物包括中藥、天然纖維、化學纖維和乳膠幾類，其中化學纖維作為填充物的枕芯產品仍然是市面上的主流。即使是其他材料的枕芯，也會有許多產品通過混入化學纖維改善其缺陷，例如在枕芯上部位置設置決明子和茶梗包，下部和外部為化學纖維，起到支撐、提供彈性的作用;或者是將天然纖維與化學纖維按照一定比例混合后填充枕頭，以降低成本，提升耐用性。因此探究化學纖維作為枕芯材料的各項性能具有實際意義。

化纖枕芯主要有以下幾類：滌綸、羽絨棉、丙綸。滌綸是當前應用范圍最廣泛的一類合成纖維。滌綸纖維填充的產品具有彈性大、質量輕、價格低廉的優點[10]。羽絨棉又稱絲綿或中空棉，它是一種中空滌綸，相較于普通滌綸，其纖維的纖度小，又因質似羽絨，故稱為羽絨棉。其產品保暖效果好，價格較動物羽絨低許多[11-12]。丙綸纖維填充的產品有壓縮回復性和保暖性好，易于清洗晾曬并且廉價的優勢，它被廣泛應用于玩具中的填充材料、服裝里料、家具用品等多個行業[13-15]。隨著科學技術水平的發展，選取具有良好舒適性和保健作用的功能性纖維作為枕芯填充物也是一種發展趨勢，例如吸濕透氣、抗菌除臭的白竹炭纖維[16-17]以及可以有效釋放負離子、發射遠紅外的合金鍺纖維[18-19]等，這類纖維一般是將具有某種功能的微粉（如竹炭粉末、合金鍺粉末等）通過特殊的工藝與切片或紡絲液混合，再通過常規方法紡絲制備獲得。根據切片或紡絲液的不同，又各自分為滌綸基、黏膠基等類型。將上述幾類化學纖維分別填充為枕芯小樣，并測試其透氣性、透濕性、靜態熱性能、硬挺度和壓縮性等內容，進而較為全面的考量各類枕芯填充材料的性能。

1?實?驗

1.1?原料選取

選取的原料有滌綸纖維、丙綸纖維、羽絨棉纖維、白竹炭纖維和合金鍺纖維，其中白竹炭纖維和合金鍺纖維均為滌綸基。5種纖維的具體規格和參數如表1所示。

為了盡可能的避免因為實驗的纖維原料在生產和打包運輸等階段產生的結塊不均勻現象影響實驗結果，實驗用的纖維要預先經過開清梳聯合機梳理后平鋪成纖維網后方可使用。

1.2?性能測試

1.2.1?透氣性測試

按照GB/T 5453—1997《紡織品 透氣性的測定》進行測試。分別將經過梳理后的30 g散纖維裝入尺寸為30 cm×30 cm的滌綸網紗袋中。儀器的壓強差設置為100 Pa。對每種試樣多個部位進行多次測試，取5次測試結果的平均值。

1.2.2?透濕性測試

按照GB/T 12704.1—2009《紡織品 織物透濕性試驗方法 第1部分：吸濕法》進行測試。稱取質量為（2±0.05）g的纖維試樣裝入滌綸網紗做成大小相同的圓形袋子。實驗箱內溫度為（36±0.5）℃，相對濕度為（90±2）%，氣流速度為0.4 m/s。每種纖維各制備3組試樣，取3組測試結果的平均值。

1.2.3?靜態熱性能測試

按照文獻[20]測試：稱取調濕后的散纖維各10 g，分別裝入500 mL燒杯中，用膠帶將大小與燒杯口一致的硬紙板沿著邊緣粘牢在燒杯口上，使得燒杯密封。在硬紙板上開一個小孔，把溫度計通過小孔插入纖維中部。將燒杯置入已加熱好的水浴鍋中，觀察燒杯中溫度計的數值，記錄數值從25 ℃上升至40 ℃的范圍內，每改變1 ℃所用的時長;然后再將燒杯從水浴鍋中取出置于常溫，記錄溫度計數值從40 ℃下降至25 ℃范圍內，每改變1 ℃所用的時長。每種纖維各測試1次。

1.2.4?硬挺度測試

枕芯的硬挺度指其抵抗彎曲變形的能力，因此使用抗彎剛度來表征。按照GB/T 18318.1—2009《紡織品 彎曲性能的測定 第1部分：斜面法》進行測試。使用角度為45°、尺寸為25 cm×20 cm的自制簡易梯形裝置，試樣由邊緣縫合的滌綸網紗包覆，試樣不加絎縫，避免絎縫部位抗彎剛度增加而影響試樣的彎曲性能。試樣的有效尺寸為（10±1）cm×（30±1）cm，填充量為（10±0.05）g。每個試樣分別沿兩個方向各測試5次，取平均值，得到兩個方向的抗彎剛度B1/（cN·cm）和B2/（cN·cm）。再根據式（1），計算得枕芯總抗彎剛度B總/（cN·cm）。

1.2.5?壓縮性測試

按照FZ/T 01051.2—1998《紡織材料和紡織制品 壓縮性能 第2部分：連續壓縮性的測定》進行測試。將質量10、15、20、25、30、35 g和40 g的不同散纖維分別裝入（30±1）cm×（30±1）cm的試樣袋中，試樣不加絎縫。實驗選擇的壓板尺寸為5 cm×2 cm，壓頭運行速度設置為3 mm/min，設置輕壓為1 cN/cm2，重壓為14.7 cN/cm2。測試位置為試樣距離邊線5 cm處的四個角和中心位置。試驗記錄初始厚度T0/mm、最小厚度Tm/mm、壓縮功W/（cN·cm/cm2）、回復功Wτ/（cN·cm/cm2）、試樣面積A/cm2和試樣質量G/g，再根據式（2）、（3）、（4）分別計算得到試樣的壓縮率C/%、壓縮功彈性率R/%和蓬松度B/（cm3/g）。每組試樣測試3次，取平均值。

2?結果與分析

2.1?透氣性

人體在睡眠狀態時，頭頸部會產生熱量與代謝物，如果與其直接接觸的睡枕無法快速有效地將其吸收排出，長期使用透氣性與透濕性差的睡枕，將對睡眠質量與頭部健康產生影響。

透氣性測試結果如圖1所示。

由圖1可以看出，填充物為滌綸纖維的枕芯小樣透氣性最好。當填充物為散纖維時，枕芯的透氣主要是通過纖維間的空隙實現的，空隙體積越大，空氣越容易流通。實驗中，各組纖維裝入的小袋尺寸和所裝質量均相同，則纖維間的空隙主要是由纖維的卷曲性決定。根據表1中的纖維卷曲率可知，滌綸纖維的卷曲性最好，越卷曲的纖維，在空間中所占體積會更大。5種纖維中，枕芯小樣透氣性最低的是羽絨棉纖維，因為它不僅直徑最小，同時具有最低的纖度，因此在實驗規定的條件下，枕芯小樣中的纖維數量更多，纖維排列更緊密，影響了空氣的流通，使得透氣性變差。

2.2?透濕性

枕芯的透濕性與透氣性共同決定了枕芯能否吸收人體代謝，維持頭頸部在睡眠期間的干爽。相比于透氣性，透濕性的結果除了受到枕芯填充纖維間空隙大小的影響，纖維自身吸濕導濕性能的影響作用也很明顯。透濕性結果如圖2所示。

枕芯填充物實現透濕，主要有3種途徑：一是依靠纖維自身的親水基團結合水分子;二是通過纖維間的毛細效應;三是依靠纖維間的空隙。研究選取的纖維均為滌綸或丙綸類的合成纖維，這些纖維分子結構缺少親水基團，因此其透濕主要依靠后兩種途徑。由圖2可知，白竹炭纖維填充的枕芯透濕性最好，這是因為白竹炭纖維內外均勻分布著具有稀疏多孔結構的白竹炭微粒，增大了纖維的比表面積，極大程度上有益于纖維的毛細效應。而滌綸纖維也有較好的透濕性，羽絨棉纖維則透濕性最差，這是因為前者纖維間空隙體積最大，后者空隙體積最小造成的，具體原因與上文透氣性的相同。

2.3?靜態熱性能

當人體處于睡眠狀態時，能量代謝比清醒狀態要明顯降低，頭頸部的皮膚以及人體體核溫度均會持續降低，一般在凌晨4點至6點達到最低，而后升高[21]。因此枕芯的熱舒適性也是重要的研究內容。

通過測試得到的5種纖維的升溫趨勢與降溫趨勢如圖3和圖4所示。

已知空氣的導熱系數為0.027 W/m·℃，比固體纖維的導熱系數要小。因此在升溫初期，靜止空氣越多，升溫速率越慢。由圖3可以看出，在初期的升溫過程里，滌綸和丙綸纖維的升溫速率最慢，這是因為兩者纖維卷曲度和抗彎剛度大、直徑長等原因，使得枕芯小樣中靜止空氣較多，因此升溫慢。但是靜止空氣的量并非影響升溫的唯一因素，羽絨棉纖維由于特殊的空心結構，纖維內部也具有較多量的靜止空氣，但因為空心結構，在同等質量下，纖維的根數更多，纖維間接觸的點也更多，固體纖維的接觸點越多，升溫越快，因此羽絨棉纖維枕芯小樣的升溫速率最快。5組小樣從33 ℃升溫至34 ℃左右時用時最短，這是由于加熱一段時間后，纖維附近的靜止空氣溫度基本與纖維持平，而在隨后過程中，由于纖維整體熱量的升高與外界的對流減弱，吸收熱量又會變慢。

由圖4可以看到，整個降溫過程中，羽絨棉纖維的降溫速率最慢，這是因為羽絨棉纖維中空的纖維結構，在纖維內部有更多的靜止空氣，保溫性最好。而合金鍺纖維的整體降溫速率最快，這則是因為其纖維內含有合金鍺微粒，鍺是一種半導體，傳導熱量的能力良好，因此合金鍺纖維在降溫過程中擁有最快的降溫速率。

人體的體感溫度會隨晝夜有所不同。一般情況下，夜晚睡眠期間的環境溫度會低于睡前時的環境溫度。而在處于睡眠狀態時，即使頭頸部有涼感，也可能不會察覺。因此睡枕需要滿足一定的保暖需求。由圖3和圖4可以看出，羽絨棉填充的枕芯綜合升溫速率最快，降溫速率最慢，具有較好的保暖性。

2.4?硬挺度

睡枕在睡眠期間起到支撐頭部的作用，過軟或者過硬都不利于睡眠健康。使用絕大多數的纖維填充物作為枕芯已經可以有效的提供睡枕所需的柔軟，但是過于柔軟的纖維枕芯卻可能會容易變形，而且使人體睡姿不穩。5組纖維填充的枕芯硬挺度測試結果如圖5所示。

根據圖5可得，羽絨棉填充枕芯的各向抗彎剛度均最小，硬挺度最差;丙綸纖維填充的枕芯的各向抗彎剛度均最大，硬挺度最佳。因為睡枕的硬挺度主要由纖維自身的力學性能和纖維形態決定。由表1已知，羽絨棉單纖維抗彎剛度最小，同時它具有最小的纖維直徑，并且結構中空;丙綸單纖維的抗彎剛度最大，其纖維直徑也最大。在睡枕使用時，枕芯的硬挺度越大，它的抗彎曲變形能力越好，對肩頸部支撐能力就越強。

2.5?壓縮性

纖維枕芯的壓縮性是決定睡枕使用舒適度的一大因素。5種纖維的枕芯小樣在不同填充量的下對應的壓縮率、回彈率和蓬松度測試結果如圖6、圖7、圖8所示。

睡枕需要合適的彈性，既能滿足一定的承托力，又可以避免塌陷變形，利于睡枕長期使用。由圖6、圖7可以看到，5種纖維的壓縮率和壓縮彈性率均隨填充量的增加而減小。這是因為枕芯小樣的填充量越大，其體積質量就越大，空氣量越少，枕頭中的空隙越少越難壓縮。羽絨棉因其較小的線密度和中空結構，具有最小的抗彎剛度，當同等質量下，枕芯小樣中纖維根數最多，枕芯小樣的壓縮率和壓縮彈性率最好，羽絨棉枕芯相比其他枕芯的彈性更好。

蓬松度是指纖維單位質量所具有的體積，由圖8可以看出，枕芯填充更多纖維時，其蓬松度就會上升。丙綸纖維因其具有較大的彎曲剛度、摩擦系數及卷曲數，枕芯小樣里纖維間空隙最大，因此丙綸填充的枕芯蓬松度最好。而羽絨棉因為纖維細度和卷曲數小，同樣情況下纖維接觸點增多，使得纖維彼此間存在的孔隙較少，這導致同樣條件下羽絨棉枕芯的抗壓縮性能及恢復能力較好，蓬松度卻較差。

3?結?論

通過對市面上流行的枕芯填充纖維以及具有健康保健功能的填充纖維進行實驗，基于5種纖維自身的特性，測試它們作為枕芯小樣時的透氣性、透濕性、靜態熱性能、硬挺度及壓縮性，主要得出以下結論：

a） 纖維的卷曲性在一定程度上影響了枕芯的透氣性。滌綸纖維透氣性最好，丙綸其次，而羽絨棉枕芯的透氣性較差。

b） 白竹炭纖維填充枕芯具有良好的透濕性能，可以有效吸收傳導人體在睡眠時產生的體液，同時具有一定的抗菌特性。滌綸和丙綸透濕性僅次于白竹炭枕芯。

c） 羽絨棉纖維填充的枕芯，在25～40 ℃范圍內，整體的升溫速率最快、降溫速率最慢，在5種枕芯填充物當中保暖性最好，可以在一定程度上幫助解決夜間降溫帶來的頭頸部易受涼的問題。

d） 在5種纖維中，丙綸纖維填充的枕芯硬挺度最好，可以更好的支撐頭部與肩頸。

e） 5種填充纖維中，羽絨棉纖維的壓縮率和壓縮彈性率在各個填充量下均為最好，因此羽絨棉枕芯彈性良好。而丙綸纖維枕芯的蓬松度最好。當對枕芯的蓬松度有要求時，相比于其他4種纖維，填充更少的丙綸纖維就可以滿足要求。

f） 根據實驗結果給出各類枕芯的使用建議：出汗量較大的人群可以使用透濕透氣性能均優的滌綸枕芯;注重保暖的人群適合使用羽絨棉枕芯;脊椎需要加強支撐的人群適合丙綸枕芯;而白竹炭纖維和合金鍺纖維因各自具有獨特的發射遠紅外、釋放負離子等功能，適合對保健功能有追求的人群。

參考文獻：

[1] 張紫艷，王瑄，沈蘭萍，等.睡枕的研究現狀[J].合成纖維，2018，47（8）：34-36.

[2] GORDON S J， GRIMMER-SOMERS K A， TROTT P H. Pillow use： the behavior of cervical stiffness， headache and scapular/arm pain [J]. Journal of Pain Research，2010（3）：137-145.

[3] 汪小康，趙媛.Mi Dream睡眠枕的設計[J].護理研究，2017，31（33）：4311-4313.

[4] SON J Y， JUNG S W， SONG H S， et al. A survey of koreans on sleep habits and sleeping symptoms relating to pillow comfort and support [J]. International Journal of Environmental Research and Public Health，2020，17（1）：302.

[5] SACCO I C N， PEREIRA I L R， DINATO R C， et al. The effect of pillow height on muscle activity of the neck and mid-upper back and patient perception of comfort[J]. Journal of Manipulative and Physiological Therapeutics，2015，38（6）：375-381.

[6] 熊毅，柯晉.不同枕頭高度對頸胸段脊柱矢狀位曲度參數的影響[J].中國骨與關節損傷雜志，2016，31（9）：905-907.

[7] 何艷梅，陳英，唐世君，等.枕型對睡眠舒適性的影響[J].北京服裝學院學報（自然科學版），2005，25（4）：40-47.

[8] 侯建軍，申黎明.枕頭形狀對側臥睡眠舒適性的影響研究[J].機械設計，2013，30（3）：107-110.

[9] 崔蒙蒙.淺析睡枕舒適性的研究現狀[J].家具，2015，36（1）：47-50.

[10] 崔文豪，郭曉玲，崔貞，等.滌綸織物堿減量改性工藝及其染色性能[J].紡織高?；A科學學報，2019，32（3）：231-236.

[11] 張顯華，馮向偉，周蓉，等.中空滌綸保暖面料的生產[J].棉紡織技術，2020，48（1）：69-71.

[12] 高秀麗，陳邦偉.異形中空滌綸保暖絮片的研制及其性能[J].合成纖維，2015，44（11）：44-46.

[13] 鐘增元.保暖抗菌丙綸多功能環保面料生產實踐[J].針織工業，2016（3）：12-13.

[14] 周方穎，計培華.丙綸沙發面料的整理與檢驗[J].現代紡織技術，2015，23（6）：35-37.

[15] 許晉豪，張富麗，辛斌杰.等.聚丙烯纖維多元共混結構對機織物導濕快干性能的影響[J].現代紡織技術，2020，28（5）：51-56.

[16] 陳理，徐紫嫣，劉月梅，等.白竹炭粘膠/竹漿/棉三組分混紡紗的開發[J].上海紡織科技，2017，45（11）：40-43.

[17] 黃學水，李漢利.白竹炭改性滌綸棉混紡紗針織面料的開發[J].針織工業，2014（4）：1-3.

[18] CHEN Z， WANG J， LI J.Negative air ion release and far infrared emission properties of polyethylene terephthalate germanium composite fiber[J]. Journal of Engineered Fibers and Fabric，2017，12（1）：59-65.

[19] 王迪，劉艷君，方方.鍺纖維針織面料的服用性能及綜合評價[J].產業用紡織品，2015，33（4）：14-16，32.

[20] 張振方，王梅珍，林玲，等.羽絨棉纖維的性能測試及其靜態熱性能研究[J].合成纖維，2015，44（6）：15-18.

[21] 張宇峰.熱環境對睡眠的影響[J].暖通空調，2016，46（6）：55-64.