软体沙发海绵物理性能研究

■张连兴 Zhang Lianxing

(力克系统(上海)有限公司，上海 200233）

随着人们生活质量的提高，对软体沙发的舒适性品质要求也，近年来我国的人机工程学在应用方面有了较大的提高，对于软体沙发的研究更多是关注其坐垫部位。张连兴（2015）在其软体沙发质量KPI研究中论述了沙发海绵关键性能指标的测试方法[1]。申利明（2007，2009）等通过对沙发海绵对人体舒适性影响的研究表明，沙发的舒适度与坐垫所用海绵密切相关，海绵坐垫的层状结构以及座面形状的变化可以提高沙发的舒适度[2-3]。德国Loose(2003)等对坐姿舒适性进行研究，发现人体压力分布是评价坐姿舒适性的最重要指标[4-5]。王蒙蒙(2018)对沙发座垫海绵压陷硬度的研究表明，中层海绵的压陷硬度对体压分布有较大影响[6]张鑫(2019)、杨震(2019)、苏垣(2018，2019)等针对座具及坐高，坐姿等方面论述了座椅的高度及舒适度，并进行体压分布研究,对于个性化定制设计具有参考意义[7-10]从理论研究角度，已有较多的参考，但在企业实际生产中如何把理论方法转换到应用，此方面的论述相对较少。对于海绵的标准，经查询国标，仅有GB/T6669-2008(软质泡沫聚合材料-压缩永久变形的测定)及GB/T6670-2008(软质泡沫聚合材料-落球法回弹性能的测定)两部份参考标准，此标准在实际软体沙发企业很难具体应用。此文依据笔者在国际知名软体沙发生产企业的实际应用，经多年实际经验累积及生产验证并整理成文供同行参考。硬度，不同密度的普通海绵再加丝棉，此组合不仅可以获得较好的手感，还可以降低整个产品的成本。

常见的沙发坐垫内部填充材料以整块海绵的结构为主，中间是整块海绵，外层加一定厚度的丝棉包裹，以中间的海绵作为坐垫的支撑，见图1，下面以沙发坐垫中所用的海绵材料作为研究对象，针对海绵物理性能进行测试分析，给出具体的执行方法并找出数据的相关性。

1 软体沙发海绵

软体沙发中常用的海绵种类有普通海绵，高回弹海绵，记忆海绵以及防火海绵等，种类不同，其性能有较大的差异。为寻求坐垫，扶手，靠背等部位较好的坐感及靠感，应使用不同的海绵作为填充物。通常高回弹海绵用于坐垫的填充物，其坐感很好。对于其它的部位，如扶手，靠背，坐前等则使用不同

2 海绵物理性能定义

海绵对于沙发的舒适度影响很大，其物理性能及防火性能都非常重要。海绵物理性能有以下几个方面：

2.1 表观密度

表观密度是指除去发泡时形成的表皮层后，单位体积海绵材料的质量。表观密度是衡量海绵性能的重要指标，密度高，说明海绵内部结构空间空隙小，回弹力好，任意角度挤压不变形。其公式为：

式中：

p---表观密度，单位为千克每立方米(Kg/m3)

m---试样的质量，单位为克（g）

v---试样的体积，单位为立方毫米（mm3）表观密度的标准差估计

标准差估计，由下式计算，精确到两位小数

2.2 压陷硬度 (25%IFD)

压陷硬度是指在确定的条件下，对标准尺寸的海绵试样进行规定的压陷，海绵材料将产生抗压陷力，该力与海绵的性能有关且与施加的力大小相等，记录此力值，得到压陷硬度.

25%IFD（Indentation orce Deflection）是指用323cm2的压盘放在测试样品上，用1磅（4.5N）的力预压后，再压缩海绵厚度25%的时候所承受的力值，单位为牛顿。

2.3 支撑系数

支撑系数是指用323cm2的压盘放在测试样品上，用1磅（4.5N）的力预压后，再压缩海绵厚度的65%时所承受的力值与压缩海绵厚度的25%时所承受的力值的比值。支撑系数是坐感的重要指标，海绵要有一定的支撑力，不至于坐上去瞬间坐到沙发底部，但又不能太大，让人坐上去感觉特别硬。公式如下：

式中：

■图1 纯海绵坐垫填充材料

■图2 海绵泡及软体沙发所用海绵产品及海绵密度测试方法

■图3 海绵物理性能测试机

表1 海绵测试结果报告

■图4“Bump”试验样品选择编码

■图5 高回弹海绵25% IFD测试

2.4 回弹滞后损失%

回弹滞后损失%是指当压盘压缩海绵厚度65%后，停留一定时间后，再回到压缩海绵厚度的25%所承受的力值(第二次)与压盘压缩海绵厚度的25%时所承受的力值(第一次)的差值与第一次压缩海绵厚度25%所承受的力的比值。此指标是衡量海绵的恢复性能，如果海绵被压缩后不能及时的恢复到原来的状态，说明海绵回弹性能不好。公式如下：

式中：

表2 Bump高回弹海绵测试结果

■图6 香烟阻燃试验设备

■图7 香烟阻燃测试图

表3 香烟阻燃试验结果接受标准

2.5 阻燃性能

阻燃性能是指海绵部件抵抗燃烧着火的一种能力，香烟阻燃性能是用于评估覆盖阻燃面料的海绵材料抗香烟引燃性能。测试火源是香烟阴燃，其模拟火柴点燃以及模拟一定量的报纸点燃，与实际海绵起火场景相似的一种方式。依据采用美国的CA-TB117防火标准，该标准是在充分研究火灾发生原因后，从实际出发而制定的。

3 海绵物理性能测试研究

对于海绵的性能，影响坐感较大的因素有：表观密度，25%IFD压陷硬度，支撑系数及回弹系数四项指标。除以上四种物理性能指标，海绵防火测试在安全方面也是非常重要的，下面就对这些指标的试验方法做一较详细的阐述。

3.1 普通海绵物理性能测试---ASTM-D3574标准

3.1.1 试验样品选择

海绵泡最少需熟化24小时后才能对海绵泡各种物理性能及防火性能进行试验。按照每批生产数量（如：100个泡/批），按生产先后顺序对海绵泡进行编号并注明生产日期。外观不可以有未发泡完全，明显缺陷等。

试验用海绵块抽样规则如下，按批次数量从前面起第三泡，从尾部起第三泡，以及中间一泡(总泡数/2)。共取三个海绵泡作为取样泡，每个海绵泡取样部位参照图2所示。每个泡绵取3块测试样品，按对角线选取(黄色部位)，如果批次总泡数低于20个，可以只取首尾2个海绵泡的对角部位的海绵块。

试验样品规格为：400mm×400mm×100mm，公差：长宽±2mm，厚度±1mm，在试验样品的侧面注明发泡日期，绵泡编号，取样部位。试验样品数量：9片。

3.1.2 表观密度测试

试验样品需要恒温恒湿的环境中放置24小时，测定方法依ISO845-1977标准执行。

3.1.2.1 试验设备①电子秤，WT100001X电子秤（精度0.1g）②普通钢卷尺（精度1mm）3.1.2.2 试验过程

1)把测试的样品放在式样台上，测量长和宽时，钢尺的“10”位对准样品的一端且垂直于样品的边，到别外一端读取数值，精确到毫米，每个面测量上、中、下部分三个尺寸，并取平均值做为测量的结果。厚度的测量，需要测量四个侧面并取其平均值，见图2.

2)电子秤归零，把样品立放在电子秤平台的中心位置，等显示数字稳定不再变动时，按样品的编号记录此样品块的质量，记录在标准的表格中。按照以上的步骤测量完所有的样品.

根据2.1的密度公式计算出每个样品的密度。具体测试数据请见表1密度栏位的数值。

3.1.2.3 试验结果及分析

坐垫部位海绵的密度，需要达到1.85lb/CF(磅/立方英尺)以上才可以接受，密度低于此值的不能用在座垫部位，但可用在其它部位，如扶手或前下位置。

3.1.3 海绵关键性能指标试验

海绵关键物理性能指标，包括25%IFD(Indentation Force Deflection)压陷硬度，支撑系数及回弹滞后损失%等，需要进行测试。测试标准采用ASTM-D3574-03 B1压陷硬度IFD测试标准。

3.1.3.1试验设备及工具

1)测试设备：United海绵压缩测试机，产地：美国，型号：STM-120，序号：TVI106820，精度±1%。压缩测试机由测试机和电脑控制组件组成，物理性能指标测试由电脑自动记录并产生测试报告。实验设备见图3。

3.1.3.2 试验过程

测试压盘大小，323cm2。

1)将海绵放置在测试机压盘的中心置，在1磅(4.5N)的压力下确定海绵的高度。

2)预压海绵厚度的75%(速度：250±25 mm/min)。

3)回到顶部，预压海绵厚度的75%(速度：250±25 mm/min)。

4)回到顶部,在海绵上标出压盘的位置。

5)等待6分钟，使海绵恢复。

6)在1磅(4.5N)的压力下记录海绵的厚度(25%IFD小于40N的，该压力可适当减小)。

7)压缩所记录厚度的25%(速度：50±5 mm/min)。

8)等待1分钟(海绵压缩状态)读取25%IFD。

9)压缩至压缩量为所记录厚度的65%(速度：50±5 mm/min)。

10)等待1分钟(海绵压缩状态)，读取65%IFD。

11)回到压缩量为所记录厚度的25%的状态(速度：50±5 mm/min)。

12)等待1分钟(海绵压缩状态),读取第2次的25%IFD。

13)回到顶部，移开样品，测试完成。

以上步骤为测试机自动完成并且会记录相应的数据在系统中，按照操作对其它8块测试样品进行测试。其操作界面参照图3所示，其中：

1)25%IFD为步骤8得出的值，此数值被电脑自动记录。

2)支撑系数为步骤10与步骤8的比率，即65%/25%，该数值越大越好。依公式2.3进行计算，由电脑自动记录。

3)回弹滞后损失%为（步骤12－步骤8/步骤8，计算公式依据2.4。该数值越接近0越好。该数值为负数。由电脑自动记录。

3.1.3.3 试验结果与分析

海绵的密度，25%IFD，支撑系数以及回弹滞后损失%试验结果如表1所示。

测试分析：

1)密度测试结果从1.82～1.91D，标准为1.87D，与标准相比，每个样品的测试值与标准相差很小，在可以接受的范围内。标准公差为±0.05lbs/cf。

2)25%IFD标准最低为9lbs，从测试的结果来看每个样品的测试值都超过标准规定的最低值，因此该指标没有问题。

3)支撑系数：是压缩到65%的力值与压缩到25%的力值的比值，标准最低为2.1，从数据来看，每个样品测试的值均超过最低值，满足要求。

4)回弹滞后损失%：是压缩到65%后回到25%的位置时所产生的力值减去第一次压缩到25%的位置时的力值，再除以第一次25%的位置时的力值。此产品最高要求是26%，从数据来看此值全部低于标准，说明回弹性还是不错的。

5)对于测试报告的数值，任何一个测试的样品的某个指标的数值，如果超出了标准，则要在该样品取样时左右或上下的位置重新取样，再用相同的方法重新进行测试。

3.2 高回弹海绵物理性能测试---“Bump”标准

“Bump”标准是仅针对软体沙发坐垫所使用的高回弹海绵，以坐垫海绵实际尺寸作为研究对象，对海绵的密度以及25%IFD关键质量指标进行试验研究。

3.2.1 试验样品选择

高回弹海绵试验样品以实际生产用的产品大小为依据，本文以605mm×655mm×150mm作为研究对象，公差：长宽±5mm，厚度±2mm。取样绵泡的选择方法与3.1.1所述相同。并在测试样品绵上注明发泡日期，取样部位，取样编号，裁切好的每块绵均要进行编号。

样品取样位置，请参图4，每个绵泡取试验样品18片。在海绵泡的横截面，第一码代表竖排，分三竖排（由左至右）分别用1，2，3表示。第二码代表横排（由下至上），依海绵的厚度，分别用1，2，3……表示。第三四码代表海绵泡（批次中从头至尾的顺序），分别用01，02，03……表示。如2403表示第三个海绵泡的第二竖排，第四横排的切块（见图5）。

3.2.2 表观密度测试

高回弹海绵的表观密度测试所用设备与方法同3.1.2所述，共测量18个样品。测试数据参照表1密度栏位的数值。

3.2.3 25%IFD试验过程

测试压盘大小：323cm2。

1)将待测海绵放置在测试机压盘的中心置，下落压盘直到读数为1lb±0.2为止(速度：127±5 mm/min)。

2)确定高度，并记录在表格中。

3)将压盘下压至海绵厚度的一半的位置(50%)(速度：380±5 mm/min）。

4)提升压盘到完全脱离海绵(速度：380 mm/min)。

5)重复步骤3与4。

6)将压盘下压至海绵厚度25%的位置(25%)(速度：50±5 mm/min)。

7)等待1分钟(海绵压缩状态),读取IFD并提升压盘，在压盘压过的位置画上标记。

8)记录压缩值在表格中，移开样品，进行下一样品测试。

按照以上操作步骤，把18片测试样品测完，电脑会自动记录其测试数据并产生报告。报告参照表2。

3.2.4 试验结果与分析

试验结果见表2。

1)从表中可以看出样品的密度测试结果仅有1片的密度等于1.85D（29.63Kg/m3），其余都是大于1.85D。标准1.85D，公差在±0.05lb/cf，在可接受范围内。

2)观察25%IFD变异量（测试值-目标值）其公差在±3lb，18片测试样品没有任何一块的结果超出公差，所以其测试结果合格。满足要求。

3)经过测试，此批高回弹海绵25%IFD值合格。

3.3 海绵香烟阻燃性能测试

海绵香烟阻燃试验依据CA-TB117-2013加利福尼亚香烟阻燃性能要求执行。

3.3.1 试验设备及工具

1)AATC惠而浦洗衣机/干衣机，型号3LWTW4840YW1/3LWED4900YW2。

2)实物模型测试架和夹层材料测试夹，通风橱。

3)海绵的物理性能基于ASTM-D3574要求：密度：1.80±0.05ft3lb/（28.0-29.6kg/m3），25% IFD: 27-33 lb。

4)空气流速: 3.5-4.0cfm (ASTM-D737 使用2in×2in喷孔板或陶氏测试仪测定)。

5)火源：SRM 1196香烟，见图6。

6)I型标准布：100%棉布，遵循Fed.Spec.CCC-C-436-E要求.使用前需洗涤和烘干一次。覆盖布：两种成分：50%棉/50%涤纶或100%棉,重量：125±28g/m2，使用前至少需洗涤和烘干一次。测试时，尺寸：12.5×12.5 cm，

7)测试围栏设备：48英寸长，21英寸宽，18英寸高，有完整的底部，没有顶部，材质 祘inch厚的PMMA或任何的透明热塑材料，

8)绝缘玻璃板：1英寸的玻璃板按16CFR-1632-4(a)(ii)的陈述：1英寸(2.5cm)厚，热传导系数：0.30±0.05cal(g)/hrcm2oC/cm在23.9oC。

9)1993-AATCC标准洗衣粉，计时器，温度计。

3.3.2 试验样品

本试验用于评估覆盖阻燃面料的弹性海绵材料抗香烟引燃性能。测试样品和香烟在21°±3°C，RH低于55%的环境条件下平衡24小时。

1)待测海绵样品：水平海绵，8×5×2英寸，垂直海绵：8×8×2英寸，共计三对。

2)Ty p e1标准布：水平8×8英寸(203mm×203mm)3块，垂直8×15英寸(203mm×381mm）3块。

3.3.3 试验过程

1)水平面板：用Type1面料包裹水平样品，完全覆盖，并且面料经向垂直于缝隙处，用大头针将面料固定好。垂直面板，用Type1面料包裹水平样品，完全覆盖，拉平面料并用大头针将面料固定好。

2)将水平面板和垂直面板安置在测试架上。在垂直面板上标记缝隙处。

3)点燃香烟并充分燃烧，将香烟放在垂直样品与水平样品交接缝处中间位置，用覆盖布盖住香烟并与香烟充分接触，用大头针将覆盖布固定在垂直面板上3.5英寸处并开始计时。

4)观察燃烧情况直至出现明显点燃发生。如果香烟没有燃尽，则重新点燃新的香烟并放在新的位置上，下列情况发生时结束测试：a)三个测试样品上香烟全部燃尽；b)三支香烟在样品上都熄灭。如果持续燃烧发生，则不必等香烟燃尽，熄灭火源，停止测试。

5)如果没有发生持续燃烧，记录垂直方向炭化长度（从交接缝处向上到炭化部分的最高点之间的距离），炭化长度精确到0.1inch。测试见图7。

3.3.4 试验结果及分析

海绵香烟阻燃性能试验接受标准（见表3）试验结果三对海绵片全部合格。

海绵之所以要求阻燃，是因为产品要避免发生火灾等全方面的要求，为达到安全的要求，在生产海绵时需要添加阻燃剂，以提高产品的阻燃防火性能，阻燃剂能在着火或接近着火温度时吸热分解成不可燃的物质，能与海绵燃烧产物反应产生不易燃物质，以延缓燃烧阻烟致使着火部位自熄，燃烧时释放出白色烟雾，降低对环境的污染，减少有害物质的排放。

按2013版CA-TB117的要求，要减少软垫家具中阻燃剂的添加(如TDCPP，TDBPP和TCEP等)，保障消费者在软垫家具受到闷烧所引发的灾难之中的安全，因为有实验证明，阻燃剂会有致癌的风险，所以此要求要减少添加剂的使用种类及剂量。

但对于海绵的防火处理，如何确定是否添加阻燃剂以及添加的何种阻燃剂，到目前为止，还没有任何第三方能够有一个明确的方案来解决这个问题。但有些企业采用以下方法可以验证海绵当中是否有添加阻燃剂，对同一批海绵作两次测试，第一次按CATB117 2000版的要求做测试（明火测试），如果失败，再按2013版的要求做测试，如果通过，则说明海绵没有添加阻燃剂或者添加的剂量很小。如果2000版的方法通过了，则说明此海绵中有添加阻燃剂。此方法还没有得到任何官方的认可，但可以用来做一些验证性的实验。

4 结语

本文首先介绍了软体沙发所应用的海绵种类，对软体沙发不同部位所选用海绵的种类提出了参考方向，并对海绵性能的重要物理性能检测方法逐一做了详细的说明。

1)海绵物理性能指标主要从表观密度，25%压陷硬度、支撑系数及回弹滞后损失%几方面论述，参照国际标准ASTM-D3574的方法测试检验海绵的物理力学性能，详细规定了测试样品选择的方法、各指标测试的流程及方法，并对测量数据进行分析，给出各指标性能的接受标准。

2)对软体沙发坐垫部位所使用的高回弹海绵，采用“Bump”标准再次对更多的样品进行测量验证，以确保产品所用的海绵的质量更稳定，规定了测试样的选择和指标测试的流程方法，并对测量结果进行详细的分析，给出接受标准。

3)对海绵的防火要求，依据CA-TB117国际标准的香烟阻燃测试规定了试验方法、试验设备、试验过程及合格的判断标准，并作了相关的分析，为国内相关企业提供了参考依据。