基于睡眠健康的化纤枕芯填充材料性能研究

万殊姝 沈兰萍 张紫艳

摘 要：为对比各类化学纤维枕芯的睡眠舒适性，选取涤纶、羽绒棉、丙纶、白竹炭纤维和合金锗纤维5类填充纤维，制成枕芯小样，分别测试其透气性、透湿性、静态热性能、硬挺度和压缩性。通过各项性能数据的对比，获得各类枕芯在睡眠健康及舒适性上的优劣。结果表明，枕芯的透气性主要由填充纤维间空隙大小决定，涤纶枕芯透气性最好;纤维自身的吸湿性会影响枕芯的透湿，白竹炭纤维因内含竹炭微粉，其枕芯的透湿性最好;羽绒棉纤维因其特殊的中空结构，其保暖性和弹性最好;丙纶纤维因具有良好的抗弯刚度，其枕芯对头颈部的支撑能力和蓬松度均为最好。通过测試分析，得到了各类化纤枕芯的特点，为消费者选取产品提供一定借鉴。

关键词：睡枕枕芯;涤纶;羽绒棉;丙纶;白竹炭纤维;合金锗纤维

中图分类号：TS102.5

文献标志码：A

文章编号：1009-265X（2021）02-0001-06

作者简介：万殊姝（1996-），女，湖南湘潭人，硕士研究生，主要从事纺织材料改性及功能性纺织材料方面的研究。

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

人类有三分之一的时间都用于睡眠，良好的睡眠质量对于人类活动具有重要影响。心理因素、生理因素、环境因素和寝具因素均会对睡眠质量产生影响[1-3]。睡觉时人体处于平躺的姿势，血液会集中涌向头部。如果不使用枕头容易造成头部充血，压迫血管壁。如果使用了枕头，但是其厚度、软硬、材质等不合适，也可能会导致各类颈椎、皮肤或呼吸道疾病[4-6]。睡枕的形状主要分为立方型枕、扁平型枕、S型枕、凹型枕和凸型枕。何艳梅等[7]通过问卷调查和性能测试，发现S型枕是较多被调查者主观认为最舒适的一种枕芯，同时睡枕的主观高度感、枕型的合体感、湿闷感对总体舒适感评价有较大影响;侯建军等[8]通过压力测试、舒适感主观评价、相关性及方差分析等方法，得到凸形枕和S形枕在使用时压力分布均匀，脊柱的变形较小，整体舒适性较高的结论。崔蒙蒙[9]认为，睡枕的长度应当长于肩膀适当，便于使用者在翻身时也能平稳支撑头部，而宽度应当比头颈部略大即可，如若过宽，则可能会导致使用者肩部也被增高，进而造成肩颈不适。除上述提到的因素外，睡枕的材质也是影响睡眠质量和舒适性的关键因素之一。睡枕材质自身的透气性、透湿性、压缩回复性和接触感的差异直接决定了睡眠舒适性。睡枕分为枕套和枕芯两个部分。枕套与肌肤接触，一般选择易于清洗、耐磨和触感良好的纺织面料。而枕芯则是枕头发挥作用的关键部分，虽然它不是直接接触皮肤，却在许多方面影响头颈部甚至全身的健康。如果所选择的枕芯填充物不好，头颈部产生的代谢废物可能会在枕芯内部造成细菌滋生，进而引起呼吸道、消化道或者皮肤疾病。目前，市面上的枕芯填充物包括中药、天然纤维、化学纤维和乳胶几类，其中化学纤维作为填充物的枕芯产品仍然是市面上的主流。即使是其他材料的枕芯，也会有许多产品通过混入化学纤维改善其缺陷，例如在枕芯上部位置设置决明子和茶梗包，下部和外部为化学纤维，起到支撑、提供弹性的作用;或者是将天然纤维与化学纤维按照一定比例混合后填充枕头，以降低成本，提升耐用性。因此探究化学纤维作为枕芯材料的各项性能具有实际意义。

化纤枕芯主要有以下几类：涤纶、羽绒棉、丙綸。涤纶是当前应用范围最广泛的一类合成纤维。涤纶纤维填充的产品具有弹性大、质量轻、价格低廉的优点[10]。羽绒棉又称丝绵或中空棉，它是一种中空涤纶，相较于普通涤纶，其纤维的纤度小，又因质似羽绒，故称为羽绒棉。其产品保暖效果好，价格较动物羽绒低许多[11-12]。丙纶纤维填充的产品有压缩回复性和保暖性好，易于清洗晾晒并且廉价的优势，它被广泛应用于玩具中的填充材料、服装里料、家具用品等多个行业[13-15]。随着科学技术水平的发展，选取具有良好舒适性和保健作用的功能性纤维作为枕芯填充物也是一种发展趋势，例如吸湿透气、抗菌除臭的白竹炭纤维[16-17]以及可以有效释放负离子、发射远红外的合金锗纤维[18-19]等，这类纤维一般是将具有某种功能的微粉（如竹炭粉末、合金锗粉末等）通过特殊的工艺与切片或纺丝液混合，再通过常规方法纺丝制备获得。根据切片或纺丝液的不同，又各自分为涤纶基、黏胶基等类型。将上述几类化学纤维分别填充为枕芯小样，并测试其透气性、透湿性、静态热性能、硬挺度和压缩性等内容，进而较为全面的考量各类枕芯填充材料的性能。

1 实 验

1.1 原料选取

选取的原料有涤纶纤维、丙纶纤维、羽绒棉纤维、白竹炭纤维和合金锗纤维，其中白竹炭纤维和合金锗纤维均为涤纶基。5种纤维的具体规格和参数如表1所示。

为了尽可能的避免因为实验的纤维原料在生产和打包运输等阶段产生的结块不均匀现象影响实验结果，实验用的纤维要预先经过开清梳联合机梳理后平铺成纤维网后方可使用。

1.2 性能测试

1.2.1 透气性测试

按照GB/T 5453—1997《纺织品 透气性的测定》进行测试。分别将经过梳理后的30 g散纤维装入尺寸为30 cm×30 cm的涤纶网纱袋中。仪器的压强差设置为100 Pa。对每种试样多个部位进行多次测试，取5次测试结果的平均值。

1.2.2 透湿性测试

按照GB/T 12704.1—2009《纺织品 织物透湿性试验方法 第1部分：吸湿法》进行测试。称取质量为（2±0.05）g的纤维试样装入涤纶网纱做成大小相同的圆形袋子。实验箱内温度为（36±0.5）℃，相对湿度为（90±2）%，气流速度为0.4 m/s。每种纤维各制备3组试样，取3组测试结果的平均值。

1.2.3 静态热性能测试

按照文献[20]测试：称取调湿后的散纤维各10 g，分别装入500 mL烧杯中，用胶带将大小与烧杯口一致的硬纸板沿着边缘粘牢在烧杯口上，使得烧杯密封。在硬纸板上开一个小孔，把温度计通过小孔插入纤维中部。将烧杯置入已加热好的水浴锅中，观察烧杯中温度计的数值，记录数值从25 ℃上升至40 ℃的范围内，每改变1 ℃所用的时长;然后再将烧杯从水浴锅中取出置于常温，记录温度计数值从40 ℃下降至25 ℃范围内，每改变1 ℃所用的时长。每种纤维各测试1次。

1.2.4 硬挺度测试

枕芯的硬挺度指其抵抗弯曲变形的能力，因此使用抗弯刚度来表征。按照GB/T 18318.1—2009《纺织品 弯曲性能的测定 第1部分：斜面法》进行测试。使用角度为45°、尺寸为25 cm×20 cm的自制简易梯形装置，试样由边缘缝合的涤纶网纱包覆，试样不加绗缝，避免绗缝部位抗弯刚度增加而影响试样的弯曲性能。试样的有效尺寸为（10±1）cm×（30±1）cm，填充量为（10±0.05）g。每个试样分别沿两个方向各测试5次，取平均值，得到两个方向的抗弯刚度B1/（cN·cm）和B2/（cN·cm）。再根据式（1），计算得枕芯总抗弯刚度B总/（cN·cm）。

1.2.5 压缩性测试

按照FZ/T 01051.2—1998《纺织材料和纺织制品 压缩性能 第2部分：连续压缩性的测定》进行测试。将质量10、15、20、25、30、35 g和40 g的不同散纤维分别装入（30±1）cm×（30±1）cm的试样袋中，试样不加绗缝。实验选择的压板尺寸为5 cm×2 cm，压头运行速度设置为3 mm/min，设置轻压为1 cN/cm2，重压为14.7 cN/cm2。测试位置为试样距离边线5 cm处的四个角和中心位置。试验记录初始厚度T0/mm、最小厚度Tm/mm、压缩功W/（cN·cm/cm2）、回复功Wτ/（cN·cm/cm2）、试样面积A/cm2和试样质量G/g，再根据式（2）、（3）、（4）分别计算得到试样的压缩率C/%、压缩功弹性率R/%和蓬松度B/（cm3/g）。每组试样测试3次，取平均值。

2 结果与分析

2.1 透气性

人体在睡眠状态时，头颈部会产生热量与代谢物，如果与其直接接触的睡枕无法快速有效地将其吸收排出，长期使用透气性与透湿性差的睡枕，将对睡眠质量与头部健康产生影响。

透气性测试结果如图1所示。

由图1可以看出，填充物为涤纶纤维的枕芯小样透气性最好。当填充物为散纤维时，枕芯的透气主要是通过纤维间的空隙实现的，空隙体积越大，空气越容易流通。实验中，各组纤维装入的小袋尺寸和所装质量均相同，则纤维间的空隙主要是由纤维的卷曲性决定。根据表1中的纤维卷曲率可知，涤纶纤维的卷曲性最好，越卷曲的纤维，在空间中所占体积会更大。5种纤维中，枕芯小样透气性最低的是羽绒棉纤维，因为它不仅直径最小，同时具有最低的纤度，因此在实验规定的条件下，枕芯小样中的纤维数量更多，纤维排列更紧密，影响了空气的流通，使得透气性变差。

2.2 透湿性

枕芯的透湿性与透气性共同决定了枕芯能否吸收人体代谢，维持头颈部在睡眠期间的干爽。相比于透气性，透湿性的结果除了受到枕芯填充纤维间空隙大小的影响，纤维自身吸湿导湿性能的影响作用也很明显。透湿性结果如图2所示。

枕芯填充物实现透湿，主要有3种途径：一是依靠纤维自身的亲水基团结合水分子;二是通过纤维间的毛细效应;三是依靠纤维间的空隙。研究选取的纤维均为涤纶或丙纶类的合成纤维，这些纤维分子结构缺少亲水基团，因此其透湿主要依靠后两种途径。由图2可知，白竹炭纤维填充的枕芯透湿性最好，这是因为白竹炭纤维内外均匀分布着具有稀疏多孔结构的白竹炭微粒，增大了纤维的比表面积，极大程度上有益于纤维的毛细效应。而涤纶纤维也有较好的透湿性，羽绒棉纤维则透湿性最差，这是因为前者纤维间空隙体积最大，后者空隙体积最小造成的，具体原因与上文透气性的相同。

2.3 静态热性能

当人体处于睡眠状态时，能量代谢比清醒状态要明显降低，头颈部的皮肤以及人体体核温度均会持续降低，一般在凌晨4点至6点达到最低，而后升高[21]。因此枕芯的热舒适性也是重要的研究内容。

通过测试得到的5种纤维的升温趋势与降温趋势如图3和图4所示。

已知空气的导热系数为0.027 W/m·℃，比固体纤维的导热系数要小。因此在升温初期，静止空气越多，升温速率越慢。由图3可以看出，在初期的升温过程里，涤纶和丙纶纤维的升温速率最慢，这是因为两者纤维卷曲度和抗弯刚度大、直径长等原因，使得枕芯小样中静止空气较多，因此升温慢。但是静止空气的量并非影响升温的唯一因素，羽绒棉纤维由于特殊的空心結构，纤维内部也具有较多量的静止空气，但因为空心结构，在同等质量下，纤维的根数更多，纤维间接触的点也更多，固体纤维的接触点越多，升温越快，因此羽绒棉纤维枕芯小样的升温速率最快。5组小样从33 ℃升温至34 ℃左右时用时最短，这是由于加热一段时间后，纤维附近的静止空气温度基本与纤维持平，而在随后过程中，由于纤维整体热量的升高与外界的对流减弱，吸收热量又会变慢。

由图4可以看到，整个降温过程中，羽绒棉纤维的降温速率最慢，这是因为羽绒棉纤维中空的纤维结构，在纤维内部有更多的静止空气，保温性最好。而合金锗纤维的整体降温速率最快，这则是因为其纤维内含有合金锗微粒，锗是一种半导体，传导热量的能力良好，因此合金锗纤维在降温过程中拥有最快的降温速率。

人体的体感温度会随昼夜有所不同。一般情况下，夜晚睡眠期间的环境温度会低于睡前时的环境温度。而在处于睡眠状态时，即使头颈部有凉感，也可能不会察觉。因此睡枕需要满足一定的保暖需求。由图3和图4可以看出，羽绒棉填充的枕芯综合升温速率最快，降温速率最慢，具有较好的保暖性。

2.4 硬挺度

睡枕在睡眠期间起到支撑头部的作用，过软或者过硬都不利于睡眠健康。使用绝大多数的纤维填充物作为枕芯已经可以有效的提供睡枕所需的柔软，但是过于柔软的纤维枕芯却可能会容易变形，而且使人体睡姿不稳。5组纤维填充的枕芯硬挺度测试结果如图5所示。

根据图5可得，羽绒棉填充枕芯的各向抗弯刚度均最小，硬挺度最差;丙纶纤维填充的枕芯的各向抗弯刚度均最大，硬挺度最佳。因为睡枕的硬挺度主要由纤维自身的力学性能和纤维形态决定。由表1已知，羽绒棉单纤维抗弯刚度最小，同时它具有最小的纤维直径，并且结构中空;丙纶单纤维的抗弯刚度最大，其纤维直径也最大。在睡枕使用时，枕芯的硬挺度越大，它的抗弯曲变形能力越好，对肩颈部支撑能力就越强。

2.5 压缩性

纤维枕芯的压缩性是决定睡枕使用舒适度的一大因素。5种纤维的枕芯小样在不同填充量的下对应的压缩率、回弹率和蓬松度测试结果如图6、图7、图8所示。

睡枕需要合适的弹性，既能满足一定的承托力，又可以避免塌陷变形，利于睡枕长期使用。由图6、图7可以看到，5种纤维的压缩率和压缩弹性率均随填充量的增加而减小。这是因为枕芯小样的填充量越大，其体积质量就越大，空气量越少，枕头中的空隙越少越难压缩。羽绒棉因其较小的线密度和中空结构，具有最小的抗弯刚度，当同等质量下，枕芯小样中纤维根数最多，枕芯小样的压缩率和压缩弹性率最好，羽绒棉枕芯相比其他枕芯的弹性更好。

蓬松度是指纤维单位质量所具有的体积，由图8可以看出，枕芯填充更多纤维时，其蓬松度就会上升。丙纶纤维因其具有较大的弯曲刚度、摩擦系数及卷曲数，枕芯小样里纤维间空隙最大，因此丙纶填充的枕芯蓬松度最好。而羽绒棉因为纤维细度和卷曲数小，同样情况下纤维接触点增多，使得纤维彼此间存在的孔隙较少，这导致同样条件下羽绒棉枕芯的抗压缩性能及恢复能力较好，蓬松度却较差。

3 结 论

通过对市面上流行的枕芯填充纤维以及具有健康保健功能的填充纤维进行实验，基于5种纤维自身的特性，测试它们作为枕芯小样时的透气性、透湿性、静态热性能、硬挺度及压缩性，主要得出以下结论：

a） 纤维的卷曲性在一定程度上影响了枕芯的透气性。涤纶纤维透气性最好，丙纶其次，而羽绒棉枕芯的透气性较差。

b） 白竹炭纤维填充枕芯具有良好的透湿性能，可以有效吸收传导人体在睡眠时产生的体液，同时具有一定的抗菌特性。涤纶和丙纶透湿性仅次于白竹炭枕芯。

c） 羽绒棉纤维填充的枕芯，在25～40 ℃范围内，整体的升温速率最快、降温速率最慢，在5种枕芯填充物当中保暖性最好，可以在一定程度上帮助解决夜间降温带来的头颈部易受凉的问题。

d） 在5种纤维中，丙纶纤维填充的枕芯硬挺度最好，可以更好的支撑头部与肩颈。

e） 5种填充纤维中，羽绒棉纤维的压缩率和压缩弹性率在各个填充量下均为最好，因此羽绒棉枕芯弹性良好。而丙纶纤维枕芯的蓬松度最好。当对枕芯的蓬松度有要求时，相比于其他4种纤维，填充更少的丙纶纤维就可以满足要求。

f） 根据实验结果给出各类枕芯的使用建议：出汗量较大的人群可以使用透湿透气性能均优的涤纶枕芯;注重保暖的人群适合使用羽绒棉枕芯;脊椎需要加强支撑的人群适合丙纶枕芯;而白竹炭纤维和合金锗纤维因各自具有独特的发射远红外、释放负离子等功能，适合对保健功能有追求的人群。

参考文献：

[1] 张紫艳，王瑄，沈兰萍，等.睡枕的研究现状[J].合成纤维，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，赵媛.Mi Dream睡眠枕的设计[J].护理研究，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，柯晋.不同枕头高度对颈胸段脊柱矢状位曲度参数的影响[J].中国骨与关节损伤杂志，2016，31（9）：905-907.

[7] 何艳梅，陈英，唐世君，等.枕型对睡眠舒适性的影响[J].北京服装学院学报（自然科学版），2005，25（4）：40-47.

[8] 侯建军，申黎明.枕头形状对侧卧睡眠舒适性的影响研究[J].机械设计，2013，30（3）：107-110.

[9] 崔蒙蒙.浅析睡枕舒适性的研究现状[J].家具，2015，36（1）：47-50.

[10] 崔文豪，郭晓玲，崔贞，等.涤纶织物碱减量改性工艺及其染色性能[J].纺织高校基础科学学报，2019，32（3）：231-236.

[11] 张显华，冯向伟，周蓉，等.中空涤纶保暖面料的生产[J].棉纺织技术，2020，48（1）：69-71.

[12] 高秀丽，陈邦伟.异形中空涤纶保暖絮片的研制及其性能[J].合成纤维，2015，44（11）：44-46.

[13] 钟增元.保暖抗菌丙纶多功能环保面料生产实践[J].针织工业，2016（3）：12-13.

[14] 周方颖，计培华.丙纶沙发面料的整理与检验[J].现代纺织技术，2015，23（6）：35-37.

[15] 许晋豪，张富丽，辛斌杰.等.聚丙烯纤维多元共混结构对机织物导湿快干性能的影响[J].现代纺织技术，2020，28（5）：51-56.

[16] 陈理，徐紫嫣，刘月梅，等.白竹炭粘胶/竹浆/棉三组分混纺纱的开发[J].上海纺织科技，2017，45（11）：40-43.

[17] 黄学水，李汉利.白竹炭改性涤纶棉混纺纱针织面料的开发[J].针织工业，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，刘艳君，方方.鍺纤维针织面料的服用性能及综合评价[J].产业用纺织品，2015，33（4）：14-16，32.

[20] 张振方，王梅珍，林玲，等.羽绒棉纤维的性能测试及其静态热性能研究[J].合成纤维，2015，44（6）：15-18.

[21] 张宇峰.热环境对睡眠的影响[J].暖通空调，2016，46（6）：55-64.