用于床垫或床垫装置的单层阻燃织物以及防止床垫或床垫装置燃烧的方法

1.发明领域

本发明涉及一种用作床垫阻燃组分的单层非织造织物，涉及包含 该非织造织物的床垫或床垫装置，以及涉及一种防止所述床垫和床垫 装置燃烧的方法。

2.相关技术描述

加利弗尼亚州已经致力于规范和减低床垫和床垫装置的可燃性， 以尝试降低在家庭、旅馆和机关火灾中的死亡人数。特别是，加利弗 尼亚州Bureau of Home Furnishings and Thermal Insulation of the Department of Consumer Affairs发布了技术公告(Technical Bulletin)603“Requirements and Test Procedure for Resistance of a Residential Mattress/Box Spring Set to a Large Open-Flame”以定量床 垫装置的可燃性能。

床垫通常包含被缓冲材料或棉絮覆盖的床垫芯，缓冲材料或棉絮 进而被外层织物床垫罩(ticking)覆盖。大多数缓冲材料或棉絮是由 泡沫或纤维材料制成，这些泡沫或纤维材料在暴露于明火时会燃烧。 一种防止泡沫缓冲材料、特别是飞机座位燃烧的有用方法公开在 Blaustein等的美国专利4,750,443中，其中在座位的覆盖织物下面使用 3-7层阻燃织物来包覆泡沫材料。对于每个飞机座位可燃性检测方法所 需要的程度，这些阻燃缓冲材料能经受对缓冲材料的火焰喷射并能防 止整个缓冲材料被火焰吞没或者在移开火焰喷射之后继续燃烧。当应 用于床垫时，在床垫罩之下使用多层阻燃层会增加硬度或限制床垫芯 的弹性，影响整体舒适性。

美国专利6,132,476、6,547,835和5,609,950公开了固有阻燃性能的 纤维和具有改进阻燃性的纤维素纤维的织物共混物；该织物可以含有 额外的阻燃剂，例如在染色步骤中作为添加剂加入该阻燃剂。因为无 机材料的含量低，所以在这些参考文献中公开的阻燃性纤维素纤维在 高温下不能保持足够百分比的纤维重量。

所以，需要一种适用于阻燃床垫的单层织物层。

发明概述

本发明涉及一种单层非织造织物，它用作床垫的阻燃组分，它包 含至少0.5盎司/平方码(17克/平方米)的纤维素纤维，该纤维素纤维 当在空气中以20℃/分钟的速率加热到700℃时保持至少10％的纤维重 量，和包含至少0.5盎司/平方码(17克/平方米)的有机纤维，该有机 纤维当在空气中以20℃/分钟的速率加热到500℃时保持90％的纤维重 量，该织物具有至少2.5盎司/平方码(85克/平方米)的基本重量，密 度为至少0.16克/cm3，空气渗透性为70米/分钟(225英尺/分钟)或更 小。

本发明还涉及阻燃的床垫和一种防止床垫和床垫装置燃烧的方 法，所述床垫包含床垫芯、含有单层非织造阻燃织物的面板以及基本 重量为2-8盎司/平方码(68-271克/平方米)的床垫罩，所述单层非织 造织物包含至少0.5盎司/平方码(17克/平方米)的纤维素纤维，该纤 维素纤维当在空气中以20℃/分钟的速率加热到700℃时保持至少10％ 的纤维重量，和包含至少0.5盎司/平方码(17克/平方米)的有机纤维， 该有机纤维当在空气中以20℃/分钟的速率加热到500℃时保持90％的 纤维重量，该织物具有至少2.5盎司/平方码(85克/平方米)的基本重 量，密度为至少0.16克/cm3，空气渗透性为70米/分钟(225英尺/分钟) 或更小。

附图简述

图1简要地显示了用于检测本发明床垫和床垫装置的燃烧性能的 燃烧器、床垫和底座的排布。

图2简要地显示了用于燃烧本发明床垫和床垫装置的燃烧器排布 的偏移。

发明详述

本发明涉及一种在床垫中用作阻燃组分的单层非织造织物以及一 种引入该单层非织造织物以防止床垫燃烧的方法。该单层非织造织物 包含至少0.5盎司/平方码(17克/平方米)的纤维素纤维，该纤维素纤 维当在空气中以20℃/分钟的速率加热到700℃时保持至少10％的纤维 重量，和包含至少0.5盎司/平方码(17克/平方米)的有机纤维，该有 机纤维当在空气中以20℃/分钟的速率加热到500℃时保持90％的纤维 重量。在本发明中使用的非织造阻燃织物具有至少2.5盎司/平方码(85 克/平方米)的基本重量。基本重量小于上述量的这种单层非织造织物 不能提供足够的阻燃性能。本发明的非织造阻燃织物的最大实际基本 重量在7盎司/平方码的范围内。更重重量的织物仍提供保护，但是额 外的基本重量在阻燃性能方面的改进极少。所述单层阻燃织物还具有 至少0.16克/cm3的密度，空气渗透性为225英尺/分钟(70米/分钟) 或更小，空气渗透性是按照空气渗透性标准ASTM D-737“Air Permeability of Textile Fabric”检测。认为具有更低密度或更高渗透性 的织物有太多孔或太开放以致不足以在床垫中起到阻燃层的作用。具 有这种组成、基本重量和渗透性的非织造织物可以用作床垫或含有床 垫和底座的床垫装置中的唯一阻燃组分。

本发明的非织造织物含有至少0.5盎司/平方码(17克/平方米)的 成碳(char-forming)纤维素纤维。成碳表示纤维素纤维当在空气中以 20℃/分钟的速率加热到700℃时保持其重量的至少10％。此种纤维素 纤维优选具有引入该纤维中的10％无机化合物。这些纤维以及生产这 些纤维的方法通常公开在美国专利3,565,749和英国专利GB 1,064,271 中。优选的用于本发明的成碳纤维素纤维是粘胶纤维，含有具有硅酸 铝位点的多硅酸形式的二氧化硅。这些纤维以及生产这些纤维的方法 通常公开在美国专利5,417,752和PCT专利申请WO9217629中。含有 硅酸的粘胶纤维是以商标Visil由芬兰的Sateri Oy Company销售。当 本发明的成碳纤维被引入非织造织物中时，它提供了足够的阻燃性 能，该织物不再需要用额外阻燃添加剂或局部施用的阻燃化合物处 理。

所述单层非织造织物含有至少0.5盎司/平方码的有机纤维，该纤 维当在空气中以20℃/分钟的速率加热到500℃时保持90％的纤维重 量。这些有机纤维通常是阻燃性的，表示该纤维或由该纤维制成的织 物具有大于23-26％的极限氧指数(LOI)，也就是说，该纤维或织物不 支持空气中的火焰。优选的纤维在暴露于火焰时不会过度收缩，也就 是说，纤维的长度在火焰中将不会显著缩短。含有0.5盎司/平方码(17 克/平方米)且在空气中以20℃/分钟的速率加热到500℃时保持90％的 纤维重量的有机纤维的织物在通过碰撞火焰燃烧时倾向于具有有限量 的裂纹和开口。

优选的有机纤维包括聚对芳酰胺聚合物。在这里使用的“聚芳酰 胺”表示这样的聚酰胺，其中至少85％的酰胺(-CONH-)键与两个芳 环直接连接。添加剂可以与聚芳酰胺一起使用。实际上，已经发现最 多10重量％的其它聚合物材料可以与聚芳酰胺共混，或者可以使用这 样的共聚物，其中高达10％的其它二胺代替聚芳酰胺中的二胺，或者 高达10％的其它二酰氯代替聚芳酰胺中的二酰氯。在本发明的实践 中，优选的聚对芳酰胺是聚对苯二甲酰对苯二胺。

用于本发明的聚对芳酰胺的生产方法通常例如公开在美国专利 3,869,430、3,869,429和3,767,756中。这些芳族聚酰胺有机纤维和这些 纤维的各种形式可以从DuPont Company(Wilmington，Delaware)以 商标Kevlar纤维获得。

本发明的非织造织物可以通过常规的非织造片材成型方法生产， 包括生产空气铺置非织造织物或湿法铺置非织造织物的方法，这些成 型的片材可以通过射流喷网(spunlacing)、hydrolacing、针刺 (needlepunching)或其它能产生非织造片材的方法固结成织物。在美 国专利3,508,308和美国专利3,797,074中公开的射流喷网方法以及在 美国专利2,910,763和3,684,294中公开的针刺方法是本领域中公知的 用于生产本发明非织造织物的方法的例子。本发明优选的非织造织物 是空气铺置的射流喷网或hydrolacing非织造织物，其中高压水喷射用 于将纤维缠绕成粘结的片材。

所述非织造织物可以另外包含放气(off gassing)材料，该材料在 燃烧时释放出能抑制火焰的气体。优选的放气材料是由含卤素的聚合 物制成的纤维，例如改良丙烯酸纤维或聚氯乙烯纤维。这些聚合物在 燃烧时释放出含氯气体。最高4盎司/平方码(136克/平方米)的这种 材料可以加入到单层非织造织物中。有用的改良丙烯酸纤维包括、但 不限于在美国专利5,506,042中公开的那些。

阻燃非织造织物可以直接位于织物床垫罩之下放在床垫上。优选 的是，这种床垫罩是基本重量为2-8盎司/平方码的机织或针织的织物， 它提供具有华丽外表和美感的床垫。不要求床垫罩是阻燃性的或者不 要求床垫罩的任何缝合或缝制用阻燃的线进行。当暴露于火焰时假设 阻燃组分完全覆盖床垫的其余可燃性材料，则床垫罩将迅速烧掉，留 下具有阻燃内件的床垫。

本发明的阻燃非织造织物用于防止床垫的面板和/或边沿燃烧，而 且不同量的缓冲材料可以用于床垫的边沿和面板中。为了完全阻燃床 垫，阻燃作用应该被引入床垫的所有面板和边沿。这允许床垫使用者 将床垫翻转，从而可以使用床垫的两面，且不损失任何阻燃质量。

所述阻燃非织造织物也可以用于阻燃含有床垫和床垫底座的床垫 装置。底座例如箱式弹簧通常不被使用者翻转，所以不是必须完全阻 燃的，但通常仅仅需要在边沿具有阻燃性，并任选地在底座的表面或 面板上具有阻燃性，底座的表面或面板通常与床垫接触。与床垫接触 的底座面板通常不会接触火焰，所以在底座面板中使用的材料通常不 是必须具有与床垫面板相同程度的阻燃性。另外，床垫底座在其边沿 和/或面板中可以不含大量的缓冲材料。但是，所述单层阻燃织物将通 常在床垫底座边沿中在外床垫罩之下使用。

本发明还涉及一种防止床垫芯燃烧的方法，其中给床垫芯提供作 为床垫阻燃组分的单层非织造织物，该织物包含至少0.5盎司/平方码 (17克/平方米)的纤维素纤维，该纤维素纤维当在空气中以20℃/分 钟的速率加热到700℃时保持至少10％的纤维重量，和包含至少0.5盎 司/平方码(17克/平方米)的有机纤维，该有机纤维当在空气中以20 ℃/分钟的速率加热到500℃时保持90％的纤维重量，该织物具有至少 2.5盎司/平方码(85克/平方米)的基本重量。该非织造织物还可以包 含最多4盎司/平方码(136克/平方米)的放气材料，该材料在燃烧时 能释放出火焰抑制性气体。

一种使床垫芯阻燃的方法是将在床垫罩材料之下的床垫芯的面板 和边沿完全覆盖以包封该床垫。这确保了床垫被阻燃且与是面板还是 边沿暴露于火焰无关。

实验方法

床垫燃烧性能

2003年2月，加利弗尼亚州Bureau of Home Furnishings and Thermal Insulation of the Department of Consumer Affairs(3485 Orange Grove Avenue，North Highlands，加利弗尼亚95660-5595，美 国)公布了技术公告603“Requirements and Test Procedure for Resistance of a Residential Mattress/Box Spring Set to a Large Open- Flame”以定量床垫装置的可燃性能。该规定提供了确定床垫/底座装 置的燃烧行为的方法，其中在床垫和底座在良好通风条件下暴露于特 定点燃源时检测特定火焰实验响应。该实验基于National Institute of Standards and Technology Publication，于2003年2月发布，名称为 “Protocol of Testing Mattress/Foundation Sets Using a Pair of Gas Burners”。

获得了实验数据，所述实验数据描述了从点燃点直到以下情况的 施用一对特定气体燃烧器过程中和之后的燃烧：(1)所有睡眠装置的 燃烧都已经停止、(2)经过1小时或者(3)不能避免实验室的轰燃。 从燃烧的实验样品释放热量的速率(火焰产生的能量)是通过氧气消 耗量热法检测的。这些原理、限制和必备仪器的讨论可在ASTM E 1590 “Standard Test Method of Fire Testing of Mattresses”中找到。与该实 验相关的术语是在ASTM E 176“Standard Terminology of Fire Standards”中定义。

一般而言，实验程序使用一对丙烷燃烧器，所述燃烧器被设计用 于模拟通过燃烧床单施加到床垫和底座上的热流水平和时间。燃烧器 对床垫/底座的床垫顶部和侧边施加不同次数的不同热流。在这种接触 期间和之后，从实验样品检测时间依赖性放热速率。

床垫/底座放置在位于接受器表面的短床架的顶部。在实验期间， 烟流被罩子捕捉，罩子被仪表化以用于检测放热速率。为了实用，检 测双人床垫和底座。在被燃烧器点燃之后，使样品在良好通风的条件 下自由燃烧。

在图1中典型地显示了气体燃烧器的通常位置，不是按照比例绘 制的。实验样品10包括床垫20，它位于底座30之上，用T形燃烧器 40和50装置点燃样品。燃烧器40在床垫的表面上引起火焰，并设定 距离床垫表面39mm。第二燃烧器50在床垫/底座组合的侧面以垂直方 式引起火焰，并设定距离样品侧面42mm。侧面燃烧器和顶部燃烧器不 是设定在沿着样品长度的相同位置，而是沿着长度方向互相偏移约 18-20cm，如图3所示。燃烧器是对于该实验方法特别构建和排布的。

在实验之前，将实验样品在高于12℃(54°F)的环境温度和小于 70％的相对湿度下调理24小时。床垫和底座的实验样品彼此位于中心 位置上，支架和接受器表面也是如此。如果床垫比底座窄1-2cm，则床 垫可以移动直到床垫和底座侧边垂直排列。燃烧器按照标准与样品成 直线排列并与之有一段距离。数据记录和输入设备在点燃之前至少1 分钟时开启。点燃燃烧器，并且使顶部燃烧器燃烧70秒，同时侧面燃 烧器燃烧50秒(如果可能的话)，然后将它们移出该区域。继续收集 数据，直到所有燃烧和阴燃迹象都已经停止或者直到已经过去1小时。

热解重量分析

本发明中使用的纤维在特定加热速率下被加热到高温下时保持一 部分的纤维重量。该纤维重量是使用Model 2950 Thermogravimetric Analyzer(TGA)检测，从TA Instruments(Waters Corporation的一 个部门)，Newark，Delaware获得。TGA得到样品失重与升高温度之 间的关系图。使用TA Universal Analysis程序，可以在任何记录的温 度下检测失重百分比。该程序过程包括将样品在50℃平衡；以10或20 ℃/分钟的速度将温度从50℃升高到1000℃；使用空气作为气体，以 10ml/分钟的流速供应；和使用500微升陶瓷杯(PN 952018.910)样品 容器。

实验程序如下。使用TGA屏幕在TA Systems 2900 Controller上进 行TGA的程序化。输入样品ID，并且选择20℃/分钟的计划升温。使 用仪器的扣除皮重功能扣除空样品杯的皮重。将纤维样品切成约1/16” (0.16cm)长度，并将样品杯用样品松散填充。样品重量应该在10-50mg 范围内。TGA有一个天平，所以实际重量不需要事先测定。样品杯之 外不应该有任何样品。填充的样品杯被装到天平线上，确保热电偶接 近杯子的上部边缘但不与之接触。将烘箱升高到样品杯之上，并开始 TGA。一旦程序完成，TGA将自动降低烘箱，移出样品杯，并进入冷 却模式。然后，TA Systems 2900 Universal Analysis程序用于分析和产 生失重百分比与温度范围的TGA关系图。

空气渗透性

根据标准ASTM D-737“Air Permeability of Textile Fabric”检测 空气渗透性。

实施例

使用典型的床垫和箱式弹簧结构技术制得四个各自包括床垫和底 座的睡眠装置，每个装置仅仅在所用阻燃织物的类型和基本重量上不 同。床垫芯是标准钢线圈结构，被纤维垫和0.5英寸(1.25cm)泡沫材 料片覆盖。底座是标准钢线圈和木箱结构。所有床垫都是绷紧顶部(光 滑)类型的。表1列出了在四个床垫中使用的阻燃织物的组成和基本 重量。

表1   项目编号       组成       基本重量，   oz/yd2(g/m2)     密度   g/cm3     空气渗透性   英尺/分钟   (米/分钟)   1     50％Kevlar/   50％Visil   2.5(85)     0.18     215(66)     2     33％Kevlar/   67％Visil   3.0(102)     0.22     146(45)     3     25％Kevlar/   75％Visil   4.0(136)     0.28     65(20)     4     25％Kevlar/   75％Visil   3.0(102)     0.23     159(48)  

用于床垫的面板材料是通过用标准聚酯线依次缝制以下组分组装 的：3.5oz/yd2机织(？)聚酯床垫罩织物，来自表2的单层阻燃织物， 约1”的面密度为0.75oz/yd2的聚酯棉絮，1”聚氨酯泡沫片材，0.5” 聚氨酯泡沫片材，以及约1oz/yd2的非织造背片。面板材料用于覆盖双 侧床垫的两侧(顶部和底部)。

边沿材料是在单独的操作中通过用标准聚酯线依次缝制以下组分 组装的：3.5oz/yd2机织(？)聚酯床垫罩织物，来自表2的相同阻燃织 物(与用于面板的相同)，0.187”的聚氨酯泡沫材料和约1oz/yd2的非 织造背片。边沿材料用于覆盖床垫的所有四个垂直边。

边沿材料也用在底座的的四个垂直边上，在底座的上边缘使用2 英寸(5.1cm)的联合或瀑布设计，在该设计中，边沿材料折叠到上边 缘上并延伸到底座顶板。

在联合边缘内的底座顶板区域被3oz/yd2(102g/m2)的射流喷网 非织造织物(具有50％Kevlar和50％Visil的组成)在标准防滑垫下 覆盖。所有边沿和面板复合材料接缝是用含有Kevlar纤维的线缝合。 FR处理的聚酯缝合带也在整个过程中使用。

所有睡眠装置各自根据加利弗尼亚州的技术公告603燃烧。所有 五个装置都具有在第一个30分钟内小于150千瓦的最高放热速率以及 在第一个10分钟内总放热量小于25兆焦耳。

发明背景