Пена с эффектом памяти в основном состоит из полиуретана с дополнительными химикатами, которые увеличивают ее вязкость и плотность . Ее часто называют « вязкоупругой » полиуретановой пеной или полиуретановой пеной с низкой упругостью ( LRPu ). Пузырьки пены или «ячейки» открыты, эффективно создавая матрицу, через которую может перемещаться воздух. Пена с эффектом памяти более высокой плотности размягчается под воздействием тепла тела, что позволяет ей принимать форму теплого тела за несколько минут. Новые пены могут быстрее восстанавливать свою первоначальную форму. [1]
Пена с эффектом памяти получает свои вязкоупругие свойства из нескольких эффектов, обусловленных внутренней структурой материала. Сетевой эффект — это сила, восстанавливающая структуру пены при ее деформации. Этот эффект создается деформированным пористым материалом, который выталкивается наружу, чтобы восстановить свою структуру против приложенного давления. Три эффекта работают против сетевого эффекта, замедляя регенерацию исходной структуры пены:
Эффекты зависят от температуры, поэтому диапазон температур, при которых пена с эффектом памяти сохраняет свои свойства, ограничен. Если слишком холодно, она затвердевает. Если слишком жарко, она ведет себя как обычная пена, быстро возвращаясь к своей первоначальной форме. Основная физика этого процесса может быть описана полимерной ползучестью . [2] [3]
Пневматические и адгезионные эффекты тесно связаны с размером пор в пене с эффектом памяти. Меньшие поры приводят к большей внутренней площади поверхности и уменьшению потока воздуха, увеличивая адгезию и пневматические эффекты. Таким образом, свойства пены можно контролировать, изменяя ее ячеистую структуру и пористость . Ее температуру стеклования также можно модулировать, используя добавки в материал пены. [2]
Механические свойства пены с эффектом памяти могут влиять на комфорт матрасов, изготовленных с ее использованием. Существует также компромисс между комфортом и долговечностью. Некоторые пены с эффектом памяти могут иметь более жесткую ячеистую структуру, что приводит к более слабому распределению веса, но лучшему восстановлению исходной структуры, что приводит к улучшенной циклируемости и долговечности. Более плотная ячеистая структура также может противостоять проникновению водяного пара , что приводит к уменьшению выветривания и лучшей долговечности и общему внешнему виду. [4]
Пена с эффектом памяти была разработана в 1966 году по контракту с Исследовательским центром Эймса NASA для повышения безопасности подушек для самолетов. Пена с эффектом памяти, чувствительная к температуре, изначально называлась «медленно пружинящей пеной»; большинство называло ее «закалочной пеной». [5] Созданная путем подачи газа в полимерную матрицу, она имела твердую структуру с открытыми ячейками, которая соответствовала давлению, оказываемому на нее, но медленно возвращалась к своей первоначальной форме. [6]
Позднее пена была коммерциализирована и использовалась в медицинском оборудовании, например, в подкладках для рентгеновских столов, а также в спортивном инвентаре, например, в подкладках для шлемов для американского и канадского футбола .
Когда в начале 1980-х годов NASA выпустила пену с эффектом памяти в общественное пользование, Fagerdala World Foams была одной из немногих компаний, желающих работать с ней, поскольку процесс производства оставался сложным и ненадежным. Их продукт 1991 года, шведский матрас Tempur-Pedic, в конечном итоге привел к появлению компании по производству матрасов и подушек Tempur World.
Пена с эффектом памяти впоследствии использовалась в медицинских учреждениях. Например, когда пациентам приходилось лежать неподвижно в постели на жестком матрасе в течение нездорового периода времени, давление на некоторые области их тела нарушало кровообращение, вызывая пролежни или гангрену . Матрасы с эффектом памяти значительно уменьшали такие случаи, как и матрасы с переменным давлением воздуха. [5] [7]
Пена с эффектом памяти изначально была слишком дорогой для широкого использования, но со временем подешевела. Наиболее распространенное бытовое применение — матрасы, подушки, обувь и одеяла. Она применяется в медицине, например, в качестве подушек для сидений инвалидных колясок, подушек для больничных кроватей и набивки для людей, страдающих от длительной боли или проблем с осанкой.
Сохранение тепла может оказаться недостатком при использовании в матрасах и подушках, поэтому во втором поколении пены с эффектом памяти компании начали использовать структуру с открытыми ячейками для улучшения воздухопроницаемости.
В 2006 году было представлено третье поколение пены с эффектом памяти. Гель-вискоза или гелевая пена с эффектом памяти состоит из частиц геля, сплавленных с вискозной пеной, чтобы уменьшить захваченное тепло тела, ускорить время возврата в исходное положение и сделать матрас более мягким. Эта технология была первоначально разработана и запатентована Peterson Chemical Technology, [8] и гелевые матрасы стали популярными с выпуском линеек iComfort от Serta и линейки Beautyrest от Simmons в 2011 году. Затем была разработана пена с эффектом памяти, пропитанная гелем, с тем, что было описано как «бусины», содержащие гель, который, как материал с фазовым переходом , достигал желаемой стабилизации температуры или эффекта охлаждения, переходя из твердого в жидкое «состояние» внутри капсулы. Изменение физических состояний может значительно изменить свойства поглощения тепла элементом.
С момента разработки гелевой пены с эффектом памяти были добавлены и другие материалы. Алоэ вера , экстракт зеленого чая и активированный уголь были объединены с ним, чтобы уменьшить запахи и даже обеспечить ароматерапию во время сна. Вискоза использовалась в тканых чехлах для матрасов на кроватях из пены с эффектом памяти, чтобы отводить влагу от тела и повышать комфорт. Материалы с фазовым переходом (PCM) также использовались в чехлах для подушек, кроватей и наматрасников из пены с эффектом памяти. Материалы, отличные от полиуретана, также обладают свойствами, необходимыми для изготовления пены с эффектом памяти. Полиэтилентерефталат , один из таких полимерных материалов, обеспечивает определенные преимущества по сравнению с полиуретаном, такие как пригодность к переработке, легкость и теплоизоляция . [9]
Матрас с эффектом памяти обычно плотнее других матрасов из пены, что делает его и более поддерживающим, и более тяжелым. Матрасы с эффектом памяти часто продаются по более высоким ценам, чем традиционные матрасы. Пена с эффектом памяти, используемая в матрасах, обычно производится с плотностью от менее 24 кг/м 3 (1,5 фунта/фут 3 ) до 128 кг/м 3 (8 фунтов/фут 3 ). Большинство стандартных пен с эффектом памяти имеет плотность 16–80 кг/м 3 (от 1 до 5 фунтов/фут 3 ). Большинство постельных принадлежностей, таких как наматрасники и комфортные слои в матрасах, имеют плотность 48–72 кг/м 3 (от 3 до 4,5 фунтов/фут 3 ). Высокие плотности, такие как 85 кг/м 3 (5,3 фунта/фут 3 ), используются нечасто.
Свойство упругости (от твердой до мягкой) пены с эффектом памяти используется для определения комфорта. Оно измеряется показателем силы прогиба пены (IFD). Однако это не полное измерение ощущения «мягкости» или «твердости» . Пена с более высоким IFD, но меньшей плотностью может ощущаться мягкой при сжатии.
IFD измеряет силу в ньютонах (или фунт-сила ), необходимую для создания вмятины в 1 дюйм в образце пены размером 500 мм × 500 мм × 100 мм (19,7 дюйма × 19,7 дюйма × 3,9 дюйма) диском площадью 323 см 3 (50 кв. дюймов, диаметр 8 дюймов) — известная как IFD при сжатии 25%. [10] Рейтинги IFD для пены с эффектом памяти варьируются от супермягкой (IFD 10) до полужесткой (IFD 12). Большинство матрасов из пены с эффектом памяти являются жесткими (IFD 12 до IFD 16).
Пены с эффектом памяти второго и третьего поколения имеют структуру с открытыми ячейками, которая реагирует на тепло и вес тела, принимая форму тела спящего, помогая снять давление в точках, предотвращая появление пролежней и т. д. [11] [ необходим лучший источник ] Производители утверждают, что это может помочь снять давление в точках, чтобы облегчить боль и способствовать более спокойному сну, хотя объективных исследований, подтверждающих заявленные преимущества матрасов, нет. [12]
Матрасы с эффектом памяти сохраняют тепло тела, поэтому они могут быть чрезмерно теплыми в жаркую погоду. Однако гелевые пены с эффектом памяти, как правило, более прохладные из-за их большей воздухопроницаемости. [13]
Выбросы от матрасов с эффектом памяти могут напрямую вызывать большее раздражение дыхательных путей, чем другие матрасы. Пена с эффектом памяти, как и другие полиуретановые изделия, может быть горючей. [14] В нескольких юрисдикциях были приняты законы, требующие, чтобы все постельные принадлежности, включая изделия из пены с эффектом памяти, были устойчивы к возгоранию от открытого пламени, такого как свеча или зажигалка. Законы США о постельных принадлежностях, вступившие в силу в 2010 году, изменили бюллетень Cal-117 для испытаний на огнестойкость. [15]
Существуют опасения, что высокие уровни огнестойкого ПБДЭ, обычно используемого в пене с эффектом памяти, могут вызвать проблемы со здоровьем у некоторых пользователей. [16] ПБДЭ больше не используются в большинстве пен для постельного белья, особенно в Европейском Союзе.
Производители предупреждают, что не следует оставлять младенцев и маленьких детей без присмотра на матрасах с эффектом памяти, поскольку им может быть трудно переворачиваться, и они могут задохнуться. [13]
Агентство по охране окружающей среды США опубликовало два документа, предлагающих национальные стандарты выбросов опасных загрязнителей воздуха (HAP), касающиеся опасных выбросов, образующихся при производстве гибких пенополиуретановых изделий. [17] Выбросы HAP, связанные с производством пенополиуретана , включают метиленхлорид , толуолдиизоцианат , метилхлороформ , метилендифенилдиизоцианат , пропиленоксид , диэтаноламин , метилэтилкетон , метанол и толуол . Однако не все химические выбросы, связанные с производством этих материалов, были классифицированы. Метиленхлорид составляет более 98 процентов от общего объема выбросов HAP в этой отрасли. Кратковременное воздействие высоких концентраций метиленхлорида также раздражает нос и горло. Последствия хронического (длительного) воздействия метиленхлорида на человека затрагивают центральную нервную систему и включают головные боли, головокружение, тошноту и потерю памяти. Исследования на животных показывают, что вдыхание метиленхлорида влияет на печень, почки и сердечно-сосудистую систему. Влияние метиленхлорида на развитие или репродуктивную функцию у людей не зарегистрировано, однако ограниченные исследования на животных выявили снижение массы тела плода у подвергшихся воздействию крыс. [18]