AT12241U1 - Matratze und kissen aus flexiblem geschäumtem polyurethan mit wärme regulierenden mikrokapseln - Google Patents

Description

österreichisches Patentamt AT 12 241 U1 2012-02-15

Beschreibung [0001] Die vorliegende Erfindung betrifft eine Matratze oder ein Kissen für ein Bett, hergestellt aus flexiblem geschäumtem Polyurethan.

[0002] Wie bekannt, werden Matratzen und Kissen als Ruhekörper auf einem Bett für Ruhepausen und zur Erholung eines Benutzers verwendet. Diese Vorrichtungen werden sowohl für den privaten Gebrauch im Haushalt wie auch im öffentlichen Sektor (zum Beispiel Krankenhäuser, Pflegeheime, Hotels) gekauft, wo noch striktere Anforderungen bestehen.

[0003] Es ist auch bekannt, diese Vorrichtungen aus flexiblem Polyurethanmaterial herzustellen.

[0004] Die Polyurethanchemie basiert auf der Reaktion von Isocyaniden mit Molekülen, die aktive Wasserstoffatome enthalten. Die -NCO-Gruppen, die in dem Isocyanatmolekül enthalten sind, werden veranlasst, in Gegenwart von geeigneten Katalysatoren schnell mit Wasserstoffatomen zu reagieren, die an Atome gebunden sind, die stärker elektronegativ sind als Kohlenstoff. Diese Reaktion führt zu der Bildung der gewünschten Polymerstruktur; in Verbindung damit tritt parallel eine Gasproduktion auf, zum Beispiel Kohlenstoffdioxid (das von der Reaktion von Isocyanat mit Wasser stammt).

[0005] Für gewöhnlich wird zur Herstellung von Kissen und Polstern ein kontinuierlicher Chargenproduktionsprozess verwendet. Aus Vorratstanks, die für die verwendeten Rohmaterialien und Zusatzstoffe die geeignete Größe und Struktur aufweisen, werden die chemischen Komponenten - mit Hilfe von Zirkulierungs-/Dosierungspumpen - entlang zweckbestimmter Verbindungsleitungen zu einem Misch- und Abgabekopf geleitet. In dem Mischkopf ist es möglich, verschiedene Mischparameter zu ändern. Der Abgabekopf führt zu einer Schäumungslinie, wo ein Teppich geeigneter Höhe und Breite aus geschäumtem Polyurethan kontinuierlich produziert wird, der dann auf die gewünschte Länge für die Herstellung langer Polyurethanblöcke geschnitten wird. Die Blöcke werden dann in Alterungsebenen gelagert, bis sie anschließend zu Platten, Scheiben oder Rollen geeigneter Größe für die Produktion des fertigen Objekts geschnitten werden.

[0006] Auf dem Markt werden bereits zahlreiche Arten von Polyurethankissen und -matratzen angeboten, wobei verschiedene einzelne Polyurethanscheiben (in Dichte, mechanischem Verhalten, Hygienemerkmalen und so weiter) miteinander gekoppelt werden oder Rollen aus dünnen Scheiben in Verbindung mit Stoffen und Wattierung verwendet werden, um ein Fertigprodukt zu erhalten, das die Anforderungen des Benutzers am besten erfüllt.

[0007] Obwohl Polyurethan an sich gute thermische Eigenschaften aufweist, gemeinsam mit einer guten Schweißqualität, hat sich die Antragstellerin selbst zum Ziel gesetzt, ein verbessertes Kissen und eine verbesserte Matratze anzubieten, die dem Benutzer ein angenehmes, komfortables Gefühl bei verschiedenen Temperaturen verleiht. Insbesondere ist die Zielsetzung, eine Matratze anzubieten, die imstande ist, zu der Regulierung der Körpertemperatur beizutragen, einen besseren Komfort in all jenen Fällen zu bieten, in welchen der Körper des Benutzers - aus verschiedenen vorübergehenden oder pathologischen Gründen - überhitzt oder kalt ist.

[0008] Eine solche Zielsetzung wird durch ein Produkt erreicht, das in seinen wesentlichen Merkmalen in dem beiliegenden Hauptanspruch beschrieben ist.

[0009] Andere erfindungsgemäße Aspekte der Matratze und des Kissens sind in den abhängigen Ansprüchen beschrieben.

[0010] Weitere Merkmale und Vorteile der Vorrichtung gemäß der Erfindung gehen in jedem Fall aus der folgenden ausführlichen Beschreibungeiner bevorzugten Ausführungsform hervor, die als Beispiel angeführt und in der beiliegenden Zeichnung als Kurve dargestellt ist, die das Komfortergebnis zeigt, das mit der Vorrichtung gemäß der Erfindung erhalten werden kann.

[0011] Die Antragstellerin begann mit der Auswahl von Substanzen, die eine Phasenumwand- österreichisches Patentamt AT12 241 U1 2012-02-15 lung erfahren, wodurch Wärmeenergie in einem Zeitintervall freigesetzt/absorbiert wird, das vorteilhaft sein könnte. Während der Phasenumwandlung setzen solche Phasenumwandlungsmaterialien, die auch als PCMs ("phase change materials") bezeichnet werden, latente Wärme frei (Übergang vom flüssigen in den festen Zustand) oder absorbieren latente Wärme (Übergang vom festen Zustand in den flüssigen Zustand) und werden somit imstande, proportional zu ihrem Volumen Wärme aus der Umgebung abzuleiten oder in diese einzubringen.

[0012] Die Phasen, die zu betrachten sind, sind die feste und die flüssige Phase, da die gasförmige beachtliche praktische Probleme bedeuten würde, die vorwiegend mit Volumenänderungen verbunden sind, die sie kaum nutzbar machen.

[0013] Besonders vorteilhafte Substanzen für die spezifische Verwendung, die hier in Betracht gezogen wird - die in der Folge als Wärme regulierende Substanzen aufgelistet sind -, sind so genannte PCMs mit einer hohen latenten Kondensationswärme, die eine Zustandsumwandlungstemperatur im Intervall zwischen 18°C und 37°C haben, entsprechend dem Temperaturintervall, das geeignet ist, dem Körper eines Benutzers ein Wohlempfinden zu vermitteln.

[0014] Solche Substanzen bestehen sowohl in organischer Form (zum Beispiel Paraffin oder Fettsäuren) wie auch in anorganischer Form (zum Beispiel hydrierte Salze, wie MnH20) und manifestieren sich auch in eutektischen Formen. Ferner sind sie imstande, zwischen 5 und 14 Mal mehr Energie zu speichern als andere Referenzsubstanzen wie Wasser.

[0015] Vorzugsweise werden in der vorliegenden Anmeldung solche Wärme regulierenden Substanzen unter Paraffinen gewählt.

[0016] Gemäß der vorliegenden Erfindung werden solche Substanzen, die in Granula- oder Pulverform hergestellt werden, zuerst mikroeingekapselt.

[0017] Die Technologie, die als "Mikroeinkapselung" bezeichnet wird, ermöglicht, eine Substanz im Inneren einer "Schale" zu halten und sie vor äußeren Mitteln zu schützen. Die Mikrokapseln können in der Größe zwischen 3 und 800 pm variieren. Die Mikroeinkapselungstechnik ist an sich bekannt und wird somit nicht näher im Einzelnen beschrieben. In dem spezifischen Fall, bei der Anwendung an geeigneten, Wärme regulierenden Substanzen, kann die Schale jeder Mikrokapsel aus einem der folgenden Materialien bestehen: Polyestern, Polyacrylaten, Vinylpolymeren oder Wachsen.

[0018] Sobald die Mikrokügelchen der gewählten, Wärme regulierenden Substanz erhalten sind, erfahren sie einen Dispersionsprozess in einem Träger, der mit der Reaktion für den Aufbau eines geschäumten Polyurethans kompatibel ist. Es werden keine Dispersionstechniken, wie Kugeln oder Zylinder, verwendet, um eine mechanische Belastung des Gemisches auf ein Minimum zu reduzieren.

[0019] Der Träger kann entweder von einer reaktionsfähigen Art sein, so dass er in der Polymermatrix gebunden bleibt, oder von einer nicht reaktionsfähigen Art. Im ersten Fall muss dessen Vorhandensein während der chemischen Formulierung ferner berücksichtigt werden, um sicherzustellen, dass die Polyurethan-Polymerisationsreaktion nach Wunsch verläuft; im letztgenannten Fall muss nur eine Substanz gewählt werden, die die Anforderungen der Sektorstandards bezüglich Umwelt, Gesundheit und Sicherheit der Arbeiter, und die Gesundheit der Benutzer unter Berücksichtigung des Anwendungsgebiets des Fertigprodukts nicht gefährdet. Bei der Wahl des Trägers müssen letztendlich auch die Aspekte einer chemischen Kompatibilität mit der Art der Mikrokügelchenmembran berücksichtigt werden.

[0020] Als ein Beispiel für einen reaktionsfähigen Träger wird hier Polyol genannt; als nicht reaktionsfähiger Träger wird zum Beispiel ein nicht-phthalischer Weichmacher in Betracht gezogen.

[0021] Sollte es notwendig sein, eine gute Dispersionsgleichförmigkeit aufrechtzuerhalten, können zusätzlich zu dem Träger benetzende und stabilisierende Zusatzstoffe in dieselbe Dispersion eingeführt werden.

[0022] Die derart erhaltene Dispersion, die aus Mikrokügelchen (mikroeingekapselter Phasen- 2/7 österreichisches Patentamt AT 12 241 U1 2012-02-15

Umwandlungssubstanz) und Polyol und einem möglichen benetzenden Mittel besteht, wird in der Herstellung von flexiblem geschäumtem Polyurethan verwendet.

[0023] Das Fertigprodukt (das Kissen oder die Matratze), das gemäß der Erfindung erhältlich ist, kann durch die Anwendung verschiedener Technologien für die Herstellung von flexiblem geschäumtem Polyurethan hergestellt werden, sowohl aus kontinuierlichen Blöcken wie auch durch Formen.

[0024] Die Dichten der Polyurethane variieren im Allgemeinen von 25 bis 100 kg/m3; Isocyanate können TDI (Toluol-di-isocyanat), MDI (Methylen-difenyl-isocyanat) und IPDI (Isoforon-di-isocyanat) sein; die Art des Polyols kann herkömmliches hochelastisches Ethylenoxid und/oder auf Propylenoxid basierende Ether sein, sowie Ester, möglicherweise vernetzt, um die Härter von Polyurethan zu verstärken. Polyole auf pflanzlicher Basis, d.h., die von erneuerbaren Quellen erhalten werden, können ebenso verwendet werden.

[0025] Innerhalb der Polyurethanformulierung können die Gewichtsprozente der zusätzlichen Dispersion (Mikrokapseln enthaltend), im Sinne von nur Mikrokügelchen bezogen auf das Endgewicht des Schaums - abhängig von der Dichte und/oder dem Endgebrauch des Polyurethans - zwischen 3% und 30%, bezogen auf das Gewicht, variieren.

[0026] Die Behandlung, die gemäß der vorliegenden Erfindung als bevorzugt festgestellt wurde, ist eine Massebehandlung: sie sieht somit die Verwendung eines Kolbens, Zahnrades oder einer peristaltischen Pumpe für die Dosierung der zusätzlichen Dispersion direkt in die Polyu-rethan-Mischkammer vor.

[0027] Das derart erhaltene Polyurethan wird [0028] geschnitten und geformt, im Falle einer kontinuierlichen oder nicht kontinuierlichen Produktion eines Blocks, um Matratzenplatten, dünne Scheiben, die in Steppbezügen eingesetzt werden, oder Kissen zu erhalten [0029] in einer Form verwendet, um geformte Matratzen und Kissen zu erhalten.

[0030] Insbesondere kann der Matratzenbezug durch geschäumtes Polyurethan, das eine Wärme regulierende Komponente enthält, durch kontinuierliche Produktion von Scheiben erhalten werden, die dann mit Stoff gekoppelt werden; während die Matratzenfüllung auf eine der folgenden Weisen gebildet werden kann: [0031] A. Eine einzelne Polyurethanscheibe oder-platte mit Wärme regulierender Komponente; [0032] B. Zwei gekoppelte Platten, vorzugsweise unter Verwendung des Polyurethans, das mit der Wärme regulierenden Komponente erzeugt wurde, in der einzigen Oberflächenplatte (d.h. jener, die dazu bestimmt ist, am nächsten bei dem Körper des Benutzers zu liegen); [0033] C. Drei gekoppelte Platten, vorzugsweise unter Verwendung des Polyurethans, das mit der Technologie gemäß der Erfindung produziert wurde, in den einzelnen Oberflächenplatten, möglicherweise mit unterschiedlichen Wärme regulierenden Eigenschaften (Winterseite, Sommerseite).

[0034] Im zweiten Fall (B) hat die Oberflächenplatte im Allgemeinen geringere Druckspannungswerte CV40 (kPa), um ein besseres Komfortempfinden zu verleihen, während die untere Platte als Stütze mit höheren Druckspannungswerten CV40(kPa) dient.

[0035] Im dritten Fall (C) haben die zwei Oberflächenplatten im Allgemeinen geringere Druckspannungswerte CV40 (kPa), um ein besseres Komfortempfinden zu verleihen, während die mittlere oder Kernplatte als Stütze mit höheren Druckspannungswerten CV40 (kPa) dient.

[0036] In allen Fällen können die Oberflächen der Platten an der Seite, die dem Benutzer zugewandt ist, flach sein oder verschiedene Muster aufweisen. Die Muster haben den Zweck, Flächen unterschiedlicher "Härte" zu bilden und/oder eine "Massagewirkung" zu erzeugen.

[0037] Die flexiblen geschäumten Polyurethane, die in der Formulierung gemäß der Erfindung 3/7 österreichisches Patentamt AT 12 241 U1 2012-02-15 für die Herstellung von Matratzen, Steppbezügen und Kissen verwendet werden, können Folgendes sein: [0038] - herkömmliche Polyether; [0039] - hochelastische Polyether; [0040] - viskoelastisch.

[0041] Viskoelastische Schäume werden vorzugsweise für Oberflächenplatten oder innerhalb von Steppbezügen verwendet, die auf die Oberseite von Matratzen gelegt werden, die sehr nahe dem Benutzer angeordnet ist: tatsächlich sind sie angesichts ihrer Neigung, den Körper im Vergleich zu anderen Schäumen besser zu halten, besser für die Wärme regulierende Behandlung als für ihre Stützeigenschaften der mittleren oder unteren Platte geeignet.

[0042] Wie erwähnt, kann in hochwertigen Matratzen (Typ C) die Verwendung von zwei Platten aus Polyurethanen mit unterschiedlichen, Wärme regulierenden Eigenschaften vorgesehen sein. Dadurch wird eine Matratze/ein Kissen mit Folgendem erhalten: [0043] - einer Winterseite, die auf der Oberfläche ein Polyurethan mit Wärme regulierenden

Mikrokügelchen mit PCM mit einem geringeren Schmelzpunkt aufweist; [0044] - einer Sommerseite, die an der Oberfläche ein Polyurethan mit Wärme regulierenden

Mikrokügelchen mit PCM mit einem höheren Schmelzpunkt aufweist.

[0045] Für den abschließenden Überzug der Matratze können ferner natürliche oder synthetische Stoffe verwendet werden, wie auch nur Stoff, Steppbezüge (die möglicherweise Wärme regulierendes Material enthalten), entfernbare oder nicht entfernbare Überzüge.

[0046] Für die Herstellung des Kissens ist es im Allgemeinen bevorzugt, ein einzelnes, flexibles, geschäumtes Polyurethan mit Wärme regulierender Eigenschaft (das anschließend geformt wird, wenn es aus einer kontinuierlichen Blockproduktion erhalten wird) mit verschiedenen Mustern zu verwenden.

[0047] Eine Matratze, aber insbesondere ein Kissen, kann in vorteilhafter Weise auch durch Formen hergestellt werden.

[0048] Sollten diese fertig gestellten Stücke durch Formen erhalten werden, anstatt durch Blockformen, hergestellt mit der kontinuierlichen Technik, ist es möglich - zusätzlich zu dem Vorhergesagten - das weitere folgende Originalmerkmal einzuführen.

[0049] Während der Formungsvorbereitungsphase wird zunächst eine Schicht aus Mikrokügelchen (mikroeingekapselte, Wärme regulierende Substanz) an deren Innenflächen angeordnet. Die Oberflächen der Form, die von diesem Prozess betroffen sind, sind mindestens jene, die in dem fertigen Produkt dem Endbenutzer zugewandt sind.

[0050] Der oben genannte Vorgang hat den Zweck, auf vorübergehende und reversible Weise die Mikrokügelchen an den Innenflächen der Form zu befestigen. Zur Verbesserung der Anhaftung der Mikrokügelchen in gleicher Dicke auf unebenen Oberflächen ist es möglich, zuvor an den Innenflächen der Form einen Film desselben Ablösungsmittels aufzubringen, der normalerweise verwendet wird, um die Entfernungsvorgänge des fertigen Stücks aus der Form zu erleichtern. Die derart erhaltene Schicht aus Mikrokügelchen weist eine Dicke in der Größenordnung des Mikrokügelchendurchmessers auf, d.h., zwischen 3 und 800 pm.

[0051] Sobald die Form geschlossen ist und das Reaktionsgemisch auf Polyurethanbasis eingespritzt wurde, bleiben die Mikrokügelchen automatisch in der Polymermatrix an dem Oberflächenteil des geformten Objekts durch Übertragung von den Innenwänden der Form eingebettet.

[0052] Dadurch können die folgenden weiteren Vorteile erhalten werden: [0053] - die Ablösung des fertigen Stücks aus der Form am Ende des Prozesses wird weiter erleichtert, da die Schicht aus Mikrokügelchen als "Ablösungspulver" dient; [0054] - die Konzentration der Mikrokügelchen in der Nähe der Oberflächenbereiche ist deut- 4/7 österreichisches Patentamt AT 12 241 U1 2012-02-15 lieh erhöht, wodurch das Potenzial für eine Wärmeregulierung erhöht wird.

[0055] In der beiliegenden Zeichnung ist eine Kurve einer Polyurethanmaterialtemperatur gegenüber der Zeit dargestellt. Die Kurve belegt die Ergebnisse, die mit der Vorrichtung gemäß der Erfindung erhalten werden können. Insbesondere wird die Wärme regulierende Wirkung, die eine Matratze ausübt, offensichtlich, wenn die Matratze aus den flexiblen geschäumten Polyurethanscheiben mit PCM-Mikrokapseln oder Mikrokügelchen gebildet wird, wobei die Scheiben entweder den Kern oder die Außenseiten der Matratze darstellen.

[0056] Eine Probe eines flexiblen geschäumten Polyurethans, das Wärme regulierende Mikrokapseln gemäß der Erfindung enthält, wurde einem Test nach dem Standard ASTM D 7024 unterzogen. Der Test besteht aus dem abwechselnden Ableiten und Zuleiten einer vorbestimmten Menge an Wärmeenergie von beziehungsweise zu dem Schaum, wodurch Kühl- und Erwärmungszyklen der polymeren Matrix verursacht werden.

[0057] Der Test wurde bei zwei verschiedenen Ausgangstemperaturen durchgeführt: die erste (äußere) Kurve wurde beginnend bei einer Temperatur von 41 °C erhalten, während die zweite (innere) Kurve beginnend bei etwa 25,5°C erhalten wurde. Es kann festgehalten werden, dass, unter der Annahme, dass dieselbe Energie von oder zu derselben Menge an Material abgeleitet beziehungsweise zugeführt wurde, wenn - zweite Kurve - die Temperatur um die kritische Tem-peratur/Betriebstemperatur von Mikrokapseln schwankt (d.h., um die Temperatur, bei der eine Phasenumwandlung eintritt), das polymere Material geringere Temperaturschwankungen erfährt als die Probe, die bei Temperaturbereichen außerhalb der kritische Temperatur/Betriebs-temperatur von Wärme regulierenden Mikrokapseln arbeitet. Die PCMs, die in den Mikrokapseln enthalten sind, die in dem polymeren Material eingebettet sind, haben während der Kühlungsphase latente Wärme zu dem polymeren Material geleitet, während sie in der Erwärmungsphase die latente Wärme von dem polymeren Material abgeleitet haben.

[0058] Dieser Test liefert ein klares Bild günstiger Vorteile der Vorrichtung gemäß der Erfindung, die dem Benutzer einen erhöhten Komfort bei Verwendung der Matratze oder des Kissens gemäß der Erfindung empfinden lassen. Die Wärme regulierende Wirkung kann Temperaturspitzen verringern, wodurch das Komfortempfinden des Benutzers einer Matratze oder eines Kissens, die beziehungsweise das gemäß der Erfindung hergestellt ist, stark verbessert wird.

[0059] Es soll festgehalten werden, dass die Wärme regulierende Wirkung über einen weiten Bereich verschiedener Temperaturen (18°C bis 37°C) durch die Wahl richtiger Gemische aus verschiedenen PCM-Mikrokapseln, die in demselben Material eingebettet sind, bei Verwendung mit demselben Massebehandlungsprozess erweitert werden kann.

[0060] Wie aus dem Vorhergesagten hervorgeht, werden durch die Originalanordnung, die in der Erfindung vorgeschlagen wird, die Zielsetzungen, die in der Einleitung dargelegt wurden, perfekt erreicht.

[0061] Insbesondere ermöglicht die Matratze oder das Kissen, die beziehungsweise das aus flexiblem, geschäumtem Polyurethan mit hinzugefügten Mikrokapseln aus Wärme regulierenden Substanzen besteht, mit einer Phasenumwandlung im Temperaturintervall von 18°C bis 37°C (Intervall, in dem die Körperwärme des Menschen imstande ist, das Schmelzen des Wärme regulierenden Phasenumwandlungsmaterials zu verursachen), dem Endbenutzer einen größeren Komfort aufgrund der Energie speichernden und freisetzenden Wirkung in der Form von Wärme, die durch die Mikrokügelchen ausgeübt wird, zu bieten. Die Mikrokügelchen erzeugen ein Mikroklima, das einen Ausgleich der Temperaturspitzen ermöglicht, wodurch die Schlafqualität oder eine längere Erholung verbessert wird.

[0062] Es versteht sich jedoch, dass der Schutz der zuvor beschriebenen Erfindung nicht auf die besondere dargestellte Ausführungsform beschränkt ist, sondern sich auf jede andere Konstruktionsvariante erstreckt, die dieselben Nützlichkeit erreicht. 5/7

Claims (6)

1. österreichisches Patentamt AT 12 241 U1 2012-02-15 Ansprüche 1. Matratze oder Bettkissen, umfassend mindestens einen Abschnitt aus flexiblem geschäumtem Polyurethan, dadurch gekennzeichnet, dass das Polyurethan zuvor mikroeingekap-selte, Wärme regulierende Substanzen einbettet, die eine Flüssig-/Festphasenumwandlung im Temperaturbereich von 18°C bis 37°C erfahren.
2. 2. Matratze oder Kissen nach Anspruch 1, wobei die mikroeingekapselten, Wärme regulierenden Substanzen in einem Abschnitt von geschäumtem Polyurethan eingebettet sind, zumindest in der Nähe der Oberfläche, die dazu bestimmt ist, nahe dem Körper eines Benutzers zu liegen.
3. 3. Matratze oder Kissen nach Anspruch 2, bestehend aus verschiedenen Schichten, die miteinander gekoppelt sind, wovon mindestens eine Oberfläche, die mikroeingekapselte, Wärme regulierende Substanz einbettet.
4. 4. Matratze oder Kissen nach Anspruch 2, erhalten durch Formen, wobei die mikroeingekapselte, Wärme regulierende Substanz ein Material ist, das gleichmäßig in einem Oberflächenabschnitt vorgefunden wird, wobei das Material auf einer Innenfläche einer Form vor dem Einspritzen von Polyurethan während der Produktion verteilt wurde.
5. 5. Matratze oder Kissen nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die Wärme regulierenden Substanzen Paraffine sind.
6. 6. Matratze oder Kissen nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die Wärme regulierenden Substanzen mikroeingekapselt und in einem Träger dispergiert sind, der zu der Familie von Polyolen oder von nicht-phthalischen Weichmachern gehört. Hierzu 1 Blatt Zeichnungen 6/7