1棕纤维材料的研究及应用现状
由于人们越来越重视天然棕纤维材料的开发利用，棕纤维作为天然纤维材料的原材料来源丰富，棕榈树广泛种植于四川、云南、贵州、湖南、湖北各省，年产棕纤维3.5万吨，作为经济林木，收益较高，其种植面积也呈逐年上升的趋势[3]。在日常的生产生活中，棕纤维材料比较重要的研究和应用有：水利、建筑工程，增强水利建筑工程强度；环境工程，过滤材料、活性炭材料等；弹性材料，垫材、缓冲材料、包装材料等[4-6]。
2棕纤维材料在床垫设计领域的应用
2.1应用的合理性
近年来，消费者健康环保意识不断增强，绿色消费成为时尚。由于棕床垫有纯天然环保、成本低、弹性舒适等优点，与普通金属床垫相比，生产过程也更为绿色环保[7]。由于棕榈纤维性能优良且使用寿命长（至少8年），欧美等发达国家已停止在坐垫中使用海绵，而以棕纤维代替[3]。棕纤维材料取材广泛，棕榈树广泛生长于我国南方地区，在云贵部分地区作为经济作物种植，棕纤维的原材料来源充裕，材料的储量丰富，可以运用于大规模的工业化生产。棕纤维是非人工合成材料，在自然状态下就可以降解，不会对自然环境造成污染。另外，棕纤维材料具有喷胶成片等模压工艺适应性，适合制作各类尺寸的床垫。棕纤维的材料特性适宜应用于床垫用品设计。棕纤维透水透气，吸收人体汗液并从床垫底部散发出去；棕纤维软硬适中，做成床垫后相对较硬，适宜保持人体睡眠时骨骼的良好形态，又有一定弹性，舒适性较好；睡眠时正常翻身，即使在床面跳跃翻滚，也悄然无声，无机械噪音，保证睡眠质量。棕纤维材料大规模应用于床垫用品领域有助于棕榈产业的成熟发展。近代以来以席梦思为代表的弹簧床垫改变了国人的睡眠方式，但我国古代就有“富人睡棕垫，穷人睡草垫”的说法，民间对棕床垫印象良好，如果棕纤维材料大规模应用于床垫，可以促进棕榈产业经济链的发展，对我国建设环境友好型、可持续发展的社会有重要意义。
2.2应用的局限性和解决方案
性能较为优良的棕片纤维产量少。棕纤维根据纤维提取处不同，分为从包裹树干的外皮中提取的棕片纤维（见图1）和棕树枝茎中提取的棕板纤维（见图2）。棕片纤维弹性韧性俱佳，不含糖分和鞣质，是制作棕纤维床垫最佳的材料，但产量小，价格高，一棵棕榈树一年仅仅出产2kg左右的棕片。棕板纤维产量较高但含有一定的糖分和可水解鞣质，较易霉变生虫，因而生产中常较多应用经过处理过的棕板纤维来代替棕片纤维。棕纤维作为天然材质，必然会有一定潜在的霉变虫蛀问题，棕纤维材料必须经过高温物理蒸煮去鞣质及去糖脱脂处理等多道工序，解决吸潮、霉变、生虫等问题，或者浸渍化学物质，填充细胞腔，隔绝水分和菌类，但此类化学改性尚处于研究阶段。床垫经常受力部分易塌陷。根据床垫的使用习惯，床沿等部位易受到重力施压，长久容易出现塌陷，这和材料的力学性能直接相关，材料刚度和强度等力学性能的高低，直接关系到床垫的结构能否有效抵抗外部载荷的作用，床沿主要是受冲击载荷[8]，因此在床垫制作过程中，棕纤维单片码垫应注意加强边缘位置的码垫厚度和强度。根据体压分布理论，考虑身体各部位压力情况设计软硬度不同的缓冲层，探索棕纤维床垫的分区设计。
3棕纤维材料在床垫中的结构设计
3.1棕床垫的基本形式
棕纤维床垫的形式多样，市场上大致有棕绷床垫、喷胶棕床垫和棕簧结合床垫3种。3.1.1棕绷床垫棕绷床制作工艺独特，用木头做成框架，在上面打眼，棕线密密地串成结实的床面，见图3（图片摘自家居商城网）。优质棕绷床木框要选用大的硬木料，且木料最好阴干两三年，从而不易变形，棕丝采用强度好的山棕片丝，再加上精湛的手艺，床面韧性好，强度高，受力均匀，防潮透气，冬暖夏凉，为我国江浙地区的传统卧具，有“一块棕板睡三代”的说法。棕绷床是纯手工制作，产量小，不能大规模工业化生产，棕绷床对原料、手工要求较高，否则平整度欠佳，容易下榻松软，需要定期修理。
3.1.2喷胶棕床垫
喷胶棕床垫是以棕纤维为主体材料，通过一定的加工工序，采用胶黏剂使之相互粘连，棕纤维之间交联成网状，形成胶点交结的多空结构及具有一定弹性的床芯，再在其表面覆以面料形成的床垫，见图4（图片摘自中团网）。喷胶棕床垫中，棕纤维和胶黏剂的质量尤其关键。
3.1.3棕簧结合床垫
棕簧结合床垫是棕床垫和弹簧床垫的结合，缓冲层为弹簧，支撑层为棕垫，再覆以面料层，或者另一面还有海绵支撑层，可以两面使用，见图5（图片摘自家具网）。棕簧结合床垫利用弹簧作为缓冲层，受冲击时有良好的柔和缓冲作用，考虑人体对于舒适性的需求，使骨骼和肌肉的结构能够处于一种较为合理与放松的状态，并发挥了棕垫的吸湿透气和硬度特性，冬夏两用，冬天睡海绵支撑层一面，温暖舒适，夏天睡棕垫支撑层一面，凉爽透气[9-10]。
3.2棕床垫结构
3.2.13层结构
依照现代科学对床垫舒适性和健康性的研究，同其他材料的床垫相似，棕床垫的结构也以3层结构为优。最上面一层为接触层，约2~3cm，由于与人体几乎直接接触，从舒适性考虑，采用柔软的材料，如乳胶、海绵或山棕棕片纤维。中间支撑层，约2~6cm，使人体在床垫上活动时整体移动，睡眠时保持人体良好的姿态，选用较硬质的材料，如棕板纤维、椰棕、油棕纤维或混合使用。最下面为缓冲层，约6~18cm，选用厚软的材质，出于成本的考虑，多采用山棕棕板纤维。
3.2.2其他结构
根据市场的需要，除3层结构的床垫外，还有单层、双层以及多层结构的棕床垫。单层床垫及单一纤维材料制成的床垫，如山棕纤维、油棕纤维或椰棕纤维，弹性和舒适性较差，用于集体宿舍或为老年人所使用。双层结构将缓冲层和支撑层合二为一，采用同一材质，接触层仍是较为柔软的面层。多层结构是将缓冲层再细分多层，用不同材质，探索提高缓冲层的支撑性能。
3.2.3分区设计
正常人站立时，脊椎形状是S形，后背及腰部的曲线也随着起伏，躺下时重心位于腰部附近，人体平躺时身体各部位重量分布为臀部40%，背部15%，头部10%，脚部10%，腰部25%，人体各部位的受力和其质量成正比[11]。因而，对床垫进行分区设计是非常有必要的，也进行了相关的研究，且市场上分区床垫的设计越来越细致，从三区、五区、七区，甚至九区，根据头部、肩背部、腰部、臀部、大腿、小腿和脚部不同压力情况，设计软硬度不同的缓冲层[12]，棕纤维床垫也需要摆脱单一硬度的平板结构，根据体压分布理论，实现分区化的软硬度设计，从而实现高质量和高舒适度的睡眠。
4棕床垫设计领域中的探索与创新
4.1棕纤维成片工艺的创新
喷涂工艺将天然纤维作为缓冲材料是将纤维铺展好，喷涂胶黏剂，使胶液充分渗透，再干燥模压固化而成型材。现在市场上棕床垫以棕纤维成片喷胶固化成型为主流，它经过了棕纤维预处理、棕纤维喷胶成片、码叠、热压、硫化、冷却和切割成型等工序完成。每个工序都有自己的操作规范，其中棕纤维的预处理、棕纤维喷胶成片、码叠等工艺流程有继续深入创新的现实需要。棕纤维的预处理是在棕纤维打散铺装前，筛除纤维中的沙土、棕皮等杂料，进而蒸煮、碾压、梳理，然后利用制绳机绞成单股单向的螺旋绳，保持存放一段时间，使其弯曲定型，弯曲的棕纤维铺叠在一起更能增加弹性。棕纤维是自然材料，没有达到像金属弹簧类似的精确量化的打绳弯曲角度等数据，因而需要进一步创新。棕纤维喷胶成片是将棕绳打散，铺成单片施胶，单片的厚度、质量以及每个单片的施胶量都有一定的规范，但如何实现单片的厚度、密度均匀，橡胶均匀地包裹在每个纤维上，并实现在纤维交结处形成胶花，从而实现最优的工艺性能，也是需要创新的内容。码垫是将单片铺叠成一定面积和质量的棕垫，然后经过热压、硫化形成成品。现在的码叠工序还是依靠人工操作，根据经验清理未喷透的单片和棕疙瘩，补齐有漏洞的单片和在四周加上加强片，如何实现机械化、自动化甚至智能化的码叠，也是需要创新的工艺设计内容。
4.2棕床垫结构的创新
市场上常见的棕纤维床垫基本都是平板结构，创新的波浪和圆筒结构设计的棕床垫正处在研究和探索阶段。波浪结构的棕垫是将铺叠好的单片放入波浪形的模压机中热压而成，见图6[13]。圆筒结构的棕垫是通过模具将铺叠好的单片胶合定型成圆筒状，再平铺成板状，见图7[13]。3种床垫中，平板结构受力均匀，但需要较多的棕纤维单片码叠才能实现较高的强度。波浪结构的颈部受挤压，密度增加，强度加大，加上腹部吸纳能力，是性能较强的弹性体。圆筒结构受压时中空部位产生位移，而紧密的纤维材料产生抗力，压力消除后恢复原状，弹性也较强。3种比较，波浪和圆筒结构的受压强度和弹性较强，且通风透气性较好，但两种创新结构设计的量化的力学弹性模量仍需要进一步探索[7，13]。
5结语
棕纤维是绿色环保、环境友好型的可再生资源，材料特性适合应用于床垫用品设计。棕纤维在古代中国就应用于床具，现在结合现代床垫设计理论，根据床垫垂直方向3层结构理论，实现棕纤维与弹县域经济论文簧等新材质结合的创新设计；结合睡眠体压分布理论，实现纵向分区的棕纤维床垫创新设计；借鉴弹性力学理论，实现波浪、圆筒等新结构的创新设计。多视角研究床垫用品中棕纤维材料的设计应用，使棕纤维这个古老的自然材料实现现代科技的创新设计。
作者：刘鑫 单位：南京林业大学
