軟體沙發海綿物理性能研究

■張連興 Zhang Lianxing

(力克系統(上海)有限公司，上海 200233）

隨著人們生活質量的提高，對軟體沙發的舒適性品質要求也，近年來我國的人機工程學在應用方面有了較大的提高，對于軟體沙發的研究更多是關注其坐墊部位。張連興（2015）在其軟體沙發質量KPI研究中論述了沙發海綿關鍵性能指標的測試方法[1]。申利明（2007，2009）等通過對沙發海綿對人體舒適性影響的研究表明，沙發的舒適度與坐墊所用海綿密切相關，海綿坐墊的層狀結構以及座面形狀的變化可以提高沙發的舒適度[2-3]。德國Loose(2003)等對坐姿舒適性進行研究，發現人體壓力分布是評價坐姿舒適性的最重要指標[4-5]。王蒙蒙(2018)對沙發座墊海綿壓陷硬度的研究表明，中層海綿的壓陷硬度對體壓分布有較大影響[6]張鑫(2019)、楊震(2019)、蘇垣(2018，2019)等針對座具及坐高，坐姿等方面論述了座椅的高度及舒適度，并進行體壓分布研究,對于個性化定制設計具有參考意義[7-10]從理論研究角度，已有較多的參考，但在企業實際生產中如何把理論方法轉換到應用，此方面的論述相對較少。對于海綿的標準，經查詢國標，僅有GB/T6669-2008(軟質泡沫聚合材料-壓縮永久變形的測定)及GB/T6670-2008(軟質泡沫聚合材料-落球法回彈性能的測定)兩部份參考標準，此標準在實際軟體沙發企業很難具體應用。此文依據筆者在國際知名軟體沙發生產企業的實際應用，經多年實際經驗累積及生產驗證并整理成文供同行參考。硬度，不同密度的普通海綿再加絲棉，此組合不僅可以獲得較好的手感，還可以降低整個產品的成本。

常見的沙發坐墊內部填充材料以整塊海綿的結構為主，中間是整塊海綿，外層加一定厚度的絲棉包裹，以中間的海綿作為坐墊的支撐，見圖1，下面以沙發坐墊中所用的海綿材料作為研究對象，針對海綿物理性能進行測試分析，給出具體的執行方法并找出數據的相關性。

1 軟體沙發海綿

軟體沙發中常用的海綿種類有普通海綿，高回彈海綿，記憶海綿以及防火海綿等，種類不同，其性能有較大的差異。為尋求坐墊，扶手，靠背等部位較好的坐感及靠感，應使用不同的海綿作為填充物。通常高回彈海綿用于坐墊的填充物，其坐感很好。對于其它的部位，如扶手，靠背，坐前等則使用不同

2 海綿物理性能定義

海綿對于沙發的舒適度影響很大，其物理性能及防火性能都非常重要。海綿物理性能有以下幾個方面：

2.1 表觀密度

表觀密度是指除去發泡時形成的表皮層后，單位體積海綿材料的質量。表觀密度是衡量海綿性能的重要指標，密度高，說明海綿內部結構空間空隙小，回彈力好，任意角度擠壓不變形。其公式為：

式中：

p---表觀密度，單位為千克每立方米(Kg/m3)

m---試樣的質量，單位為克（g）

v---試樣的體積，單位為立方毫米（mm3）表觀密度的標準差估計

標準差估計，由下式計算，精確到兩位小數

2.2 壓陷硬度 (25%IFD)

壓陷硬度是指在確定的條件下，對標準尺寸的海綿試樣進行規定的壓陷，海綿材料將產生抗壓陷力，該力與海綿的性能有關且與施加的力大小相等，記錄此力值，得到壓陷硬度.

25%IFD（Indentation orce Deflection）是指用323cm2的壓盤放在測試樣品上，用1磅（4.5N）的力預壓后，再壓縮海綿厚度25%的時候所承受的力值，單位為牛頓。

2.3 支撐系數

支撐系數是指用323cm2的壓盤放在測試樣品上，用1磅（4.5N）的力預壓后，再壓縮海綿厚度的65%時所承受的力值與壓縮海綿厚度的25%時所承受的力值的比值。支撐系數是坐感的重要指標，海綿要有一定的支撐力，不至于坐上去瞬間坐到沙發底部，但又不能太大，讓人坐上去感覺特別硬。公式如下：

式中：

■圖1 純海綿坐墊填充材料

■圖2 海綿泡及軟體沙發所用海綿產品及海綿密度測試方法

■圖3 海綿物理性能測試機

表1 海綿測試結果報告

■圖4“Bump”試驗樣品選擇編碼

■圖5 高回彈海綿25% IFD測試

2.4 回彈滯后損失%

回彈滯后損失%是指當壓盤壓縮海綿厚度65%后，停留一定時間后，再回到壓縮海綿厚度的25%所承受的力值(第二次)與壓盤壓縮海綿厚度的25%時所承受的力值(第一次)的差值與第一次壓縮海綿厚度25%所承受的力的比值。此指標是衡量海綿的恢復性能，如果海綿被壓縮后不能及時的恢復到原來的狀態，說明海綿回彈性能不好。公式如下：

式中：

表2 Bump高回彈海綿測試結果

■圖6 香煙阻燃試驗設備

■圖7 香煙阻燃測試圖

表3 香煙阻燃試驗結果接受標準

2.5 阻燃性能

阻燃性能是指海綿部件抵抗燃燒著火的一種能力，香煙阻燃性能是用于評估覆蓋阻燃面料的海綿材料抗香煙引燃性能。測試火源是香煙陰燃，其模擬火柴點燃以及模擬一定量的報紙點燃，與實際海綿起火場景相似的一種方式。依據采用美國的CA-TB117防火標準，該標準是在充分研究火災發生原因后，從實際出發而制定的。

3 海綿物理性能測試研究

對于海綿的性能，影響坐感較大的因素有：表觀密度，25%IFD壓陷硬度，支撐系數及回彈系數四項指標。除以上四種物理性能指標，海綿防火測試在安全方面也是非常重要的，下面就對這些指標的試驗方法做一較詳細的闡述。

3.1 普通海綿物理性能測試---ASTM-D3574標準

3.1.1 試驗樣品選擇

海綿泡最少需熟化24小時后才能對海綿泡各種物理性能及防火性能進行試驗。按照每批生產數量（如：100個泡/批），按生產先后順序對海綿泡進行編號并注明生產日期。外觀不可以有未發泡完全，明顯缺陷等。

試驗用海綿塊抽樣規則如下，按批次數量從前面起第三泡，從尾部起第三泡，以及中間一泡(總泡數/2)。共取三個海綿泡作為取樣泡，每個海綿泡取樣部位參照圖2所示。每個泡綿取3塊測試樣品，按對角線選取(黃色部位)，如果批次總泡數低于20個，可以只取首尾2個海綿泡的對角部位的海綿塊。

試驗樣品規格為：400mm×400mm×100mm，公差：長寬±2mm，厚度±1mm，在試驗樣品的側面注明發泡日期，綿泡編號，取樣部位。試驗樣品數量：9片。

3.1.2 表觀密度測試

試驗樣品需要恒溫恒濕的環境中放置24小時，測定方法依ISO845-1977標準執行。

3.1.2.1 試驗設備①電子秤，WT100001X電子秤（精度0.1g）②普通鋼卷尺（精度1mm）3.1.2.2 試驗過程

1)把測試的樣品放在式樣臺上，測量長和寬時，鋼尺的“10”位對準樣品的一端且垂直于樣品的邊，到別外一端讀取數值，精確到毫米，每個面測量上、中、下部分三個尺寸，并取平均值做為測量的結果。厚度的測量，需要測量四個側面并取其平均值，見圖2.

2)電子秤歸零，把樣品立放在電子秤平臺的中心位置，等顯示數字穩定不再變動時，按樣品的編號記錄此樣品塊的質量，記錄在標準的表格中。按照以上的步驟測量完所有的樣品.

根據2.1的密度公式計算出每個樣品的密度。具體測試數據請見表1密度欄位的數值。

3.1.2.3 試驗結果及分析

坐墊部位海綿的密度，需要達到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墊部位，但可用在其它部位，如扶手或前下位置。

3.1.3 海綿關鍵性能指標試驗

海綿關鍵物理性能指標，包括25%IFD(Indentation Force Deflection)壓陷硬度，支撐系數及回彈滯后損失%等，需要進行測試。測試標準采用ASTM-D3574-03 B1壓陷硬度IFD測試標準。

3.1.3.1試驗設備及工具

1)測試設備：United海綿壓縮測試機，產地：美國，型號：STM-120，序號：TVI106820，精度±1%。壓縮測試機由測試機和電腦控制組件組成，物理性能指標測試由電腦自動記錄并產生測試報告。實驗設備見圖3。

3.1.3.2 試驗過程

測試壓盤大小，323cm2。

1)將海綿放置在測試機壓盤的中心置，在1磅(4.5N)的壓力下確定海綿的高度。

2)預壓海綿厚度的75%(速度：250±25 mm/min)。

3)回到頂部，預壓海綿厚度的75%(速度：250±25 mm/min)。

4)回到頂部,在海綿上標出壓盤的位置。

5)等待6分鐘，使海綿恢復。

6)在1磅(4.5N)的壓力下記錄海綿的厚度(25%IFD小于40N的，該壓力可適當減小)。

7)壓縮所記錄厚度的25%(速度：50±5 mm/min)。

8)等待1分鐘(海綿壓縮狀態)讀取25%IFD。

9)壓縮至壓縮量為所記錄厚度的65%(速度：50±5 mm/min)。

10)等待1分鐘(海綿壓縮狀態)，讀取65%IFD。

11)回到壓縮量為所記錄厚度的25%的狀態(速度：50±5 mm/min)。

12)等待1分鐘(海綿壓縮狀態),讀取第2次的25%IFD。

13)回到頂部，移開樣品，測試完成。

以上步驟為測試機自動完成并且會記錄相應的數據在系統中，按照操作對其它8塊測試樣品進行測試。其操作界面參照圖3所示，其中：

1)25%IFD為步驟8得出的值，此數值被電腦自動記錄。

2)支撐系數為步驟10與步驟8的比率，即65%/25%，該數值越大越好。依公式2.3進行計算，由電腦自動記錄。

3)回彈滯后損失%為（步驟12－步驟8/步驟8，計算公式依據2.4。該數值越接近0越好。該數值為負數。由電腦自動記錄。

3.1.3.3 試驗結果與分析

海綿的密度，25%IFD，支撐系數以及回彈滯后損失%試驗結果如表1所示。

測試分析：

1)密度測試結果從1.82～1.91D，標準為1.87D，與標準相比，每個樣品的測試值與標準相差很小，在可以接受的范圍內。標準公差為±0.05lbs/cf。

2)25%IFD標準最低為9lbs，從測試的結果來看每個樣品的測試值都超過標準規定的最低值，因此該指標沒有問題。

3)支撐系數：是壓縮到65%的力值與壓縮到25%的力值的比值，標準最低為2.1，從數據來看，每個樣品測試的值均超過最低值，滿足要求。

4)回彈滯后損失%：是壓縮到65%后回到25%的位置時所產生的力值減去第一次壓縮到25%的位置時的力值，再除以第一次25%的位置時的力值。此產品最高要求是26%，從數據來看此值全部低于標準，說明回彈性還是不錯的。

5)對于測試報告的數值，任何一個測試的樣品的某個指標的數值，如果超出了標準，則要在該樣品取樣時左右或上下的位置重新取樣，再用相同的方法重新進行測試。

3.2 高回彈海綿物理性能測試---“Bump”標準

“Bump”標準是僅針對軟體沙發坐墊所使用的高回彈海綿，以坐墊海綿實際尺寸作為研究對象，對海綿的密度以及25%IFD關鍵質量指標進行試驗研究。

3.2.1 試驗樣品選擇

高回彈海綿試驗樣品以實際生產用的產品大小為依據，本文以605mm×655mm×150mm作為研究對象，公差：長寬±5mm，厚度±2mm。取樣綿泡的選擇方法與3.1.1所述相同。并在測試樣品綿上注明發泡日期，取樣部位，取樣編號，裁切好的每塊綿均要進行編號。

樣品取樣位置，請參圖4，每個綿泡取試驗樣品18片。在海綿泡的橫截面，第一碼代表豎排，分三豎排（由左至右）分別用1，2，3表示。第二碼代表橫排（由下至上），依海綿的厚度，分別用1，2，3……表示。第三四碼代表海綿泡（批次中從頭至尾的順序），分別用01，02，03……表示。如2403表示第三個海綿泡的第二豎排，第四橫排的切塊（見圖5）。

3.2.2 表觀密度測試

高回彈海綿的表觀密度測試所用設備與方法同3.1.2所述，共測量18個樣品。測試數據參照表1密度欄位的數值。

3.2.3 25%IFD試驗過程

測試壓盤大小：323cm2。

1)將待測海綿放置在測試機壓盤的中心置，下落壓盤直到讀數為1lb±0.2為止(速度：127±5 mm/min)。

2)確定高度，并記錄在表格中。

3)將壓盤下壓至海綿厚度的一半的位置(50%)(速度：380±5 mm/min）。

4)提升壓盤到完全脫離海綿(速度：380 mm/min)。

5)重復步驟3與4。

6)將壓盤下壓至海綿厚度25%的位置(25%)(速度：50±5 mm/min)。

7)等待1分鐘(海綿壓縮狀態),讀取IFD并提升壓盤，在壓盤壓過的位置畫上標記。

8)記錄壓縮值在表格中，移開樣品，進行下一樣品測試。

按照以上操作步驟，把18片測試樣品測完，電腦會自動記錄其測試數據并產生報告。報告參照表2。

3.2.4 試驗結果與分析

試驗結果見表2。

1)從表中可以看出樣品的密度測試結果僅有1片的密度等于1.85D（29.63Kg/m3），其余都是大于1.85D。標準1.85D，公差在±0.05lb/cf，在可接受范圍內。

2)觀察25%IFD變異量（測試值-目標值）其公差在±3lb，18片測試樣品沒有任何一塊的結果超出公差，所以其測試結果合格。滿足要求。

3)經過測試，此批高回彈海綿25%IFD值合格。

3.3 海綿香煙阻燃性能測試

海綿香煙阻燃試驗依據CA-TB117-2013加利福尼亞香煙阻燃性能要求執行。

3.3.1 試驗設備及工具

1)AATC惠而浦洗衣機/干衣機，型號3LWTW4840YW1/3LWED4900YW2。

2)實物模型測試架和夾層材料測試夾，通風櫥。

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

4)空氣流速: 3.5-4.0cfm (ASTM-D737 使用2in×2in噴孔板或陶氏測試儀測定)。

5)火源：SRM 1196香煙，見圖6。

6)I型標準布：100%棉布，遵循Fed.Spec.CCC-C-436-E要求.使用前需洗滌和烘干一次。覆蓋布：兩種成分：50%棉/50%滌綸或100%棉,重量：125±28g/m2，使用前至少需洗滌和烘干一次。測試時，尺寸：12.5×12.5 cm，

7)測試圍欄設備：48英寸長，21英寸寬，18英寸高，有完整的底部，沒有頂部，材質 祘inch厚的PMMA或任何的透明熱塑材料，

8)絕緣玻璃板：1英寸的玻璃板按16CFR-1632-4(a)(ii)的陳述：1英寸(2.5cm)厚，熱傳導系數：0.30±0.05cal(g)/hrcm2oC/cm在23.9oC。

9)1993-AATCC標準洗衣粉，計時器，溫度計。

3.3.2 試驗樣品

本試驗用于評估覆蓋阻燃面料的彈性海綿材料抗香煙引燃性能。測試樣品和香煙在21°±3°C，RH低于55%的環境條件下平衡24小時。

1)待測海綿樣品：水平海綿，8×5×2英寸，垂直海綿：8×8×2英寸，共計三對。

2)Ty p e1標準布：水平8×8英寸(203mm×203mm)3塊，垂直8×15英寸(203mm×381mm）3塊。

3.3.3 試驗過程

1)水平面板：用Type1面料包裹水平樣品，完全覆蓋，并且面料經向垂直于縫隙處，用大頭針將面料固定好。垂直面板，用Type1面料包裹水平樣品，完全覆蓋，拉平面料并用大頭針將面料固定好。

2)將水平面板和垂直面板安置在測試架上。在垂直面板上標記縫隙處。

3)點燃香煙并充分燃燒，將香煙放在垂直樣品與水平樣品交接縫處中間位置，用覆蓋布蓋住香煙并與香煙充分接觸，用大頭針將覆蓋布固定在垂直面板上3.5英寸處并開始計時。

4)觀察燃燒情況直至出現明顯點燃發生。如果香煙沒有燃盡，則重新點燃新的香煙并放在新的位置上，下列情況發生時結束測試：a)三個測試樣品上香煙全部燃盡；b)三支香煙在樣品上都熄滅。如果持續燃燒發生，則不必等香煙燃盡，熄滅火源，停止測試。

5)如果沒有發生持續燃燒，記錄垂直方向炭化長度（從交接縫處向上到炭化部分的最高點之間的距離），炭化長度精確到0.1inch。測試見圖7。

3.3.4 試驗結果及分析

海綿香煙阻燃性能試驗接受標準（見表3）試驗結果三對海綿片全部合格。

海綿之所以要求阻燃，是因為產品要避免發生火災等全方面的要求，為達到安全的要求，在生產海綿時需要添加阻燃劑，以提高產品的阻燃防火性能，阻燃劑能在著火或接近著火溫度時吸熱分解成不可燃的物質，能與海綿燃燒產物反應產生不易燃物質，以延緩燃燒阻煙致使著火部位自熄，燃燒時釋放出白色煙霧，降低對環境的污染，減少有害物質的排放。

按2013版CA-TB117的要求，要減少軟墊家具中阻燃劑的添加(如TDCPP，TDBPP和TCEP等)，保障消費者在軟墊家具受到悶燒所引發的災難之中的安全，因為有實驗證明，阻燃劑會有致癌的風險，所以此要求要減少添加劑的使用種類及劑量。

但對于海綿的防火處理，如何確定是否添加阻燃劑以及添加的何種阻燃劑，到目前為止，還沒有任何第三方能夠有一個明確的方案來解決這個問題。但有些企業采用以下方法可以驗證海綿當中是否有添加阻燃劑，對同一批海綿作兩次測試，第一次按CATB117 2000版的要求做測試（明火測試），如果失敗，再按2013版的要求做測試，如果通過，則說明海綿沒有添加阻燃劑或者添加的劑量很小。如果2000版的方法通過了，則說明此海綿中有添加阻燃劑。此方法還沒有得到任何官方的認可，但可以用來做一些驗證性的實驗。

4 結語

本文首先介紹了軟體沙發所應用的海綿種類，對軟體沙發不同部位所選用海綿的種類提出了參考方向，并對海綿性能的重要物理性能檢測方法逐一做了詳細的說明。

1)海綿物理性能指標主要從表觀密度，25%壓陷硬度、支撐系數及回彈滯后損失%幾方面論述，參照國際標準ASTM-D3574的方法測試檢驗海綿的物理力學性能，詳細規定了測試樣品選擇的方法、各指標測試的流程及方法，并對測量數據進行分析，給出各指標性能的接受標準。

2)對軟體沙發坐墊部位所使用的高回彈海綿，采用“Bump”標準再次對更多的樣品進行測量驗證，以確保產品所用的海綿的質量更穩定，規定了測試樣的選擇和指標測試的流程方法，并對測量結果進行詳細的分析，給出接受標準。

3)對海綿的防火要求，依據CA-TB117國際標準的香煙阻燃測試規定了試驗方法、試驗設備、試驗過程及合格的判斷標準，并作了相關的分析，為國內相關企業提供了參考依據。