專利名稱：能量吸收材料的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及能量吸收材料，例如那種設(shè)計用于保護人、動物或物體不受沖擊傷害的系統(tǒng)所采用的能量吸收材料；以下稱之為沖擊保護系統(tǒng)。
通常，沖擊保護系統(tǒng)采用彈性體泡沫或相似的相對軟的彈性可壓縮的材料作為能量吸收材料。然而，只達到了有限的保護。在某些系統(tǒng)中，采用了將此能量吸收材料與剛性的構(gòu)件相結(jié)合，其目的是將沖擊力遍布于較大的面積上，因此而降低其作用。但是，如果這種系統(tǒng)與人體接觸，它往往不易彎曲和不舒服的。身體的需要保護的大多數(shù)脆弱區(qū)域，如肘和膝，都會經(jīng)受顯著的幾何形狀的變化，因此針對剛性的傳播負荷的形狀的任何匹配的努力通常會失敗。一種解決方案是向剛性元件中引入鉸鏈，但這會損害性能并且增加成本。
最近，在沖擊吸收系統(tǒng)中提出了使用剪切增稠的硅氧烷膩子材料，即所知道的有機硅脹流型體，用于或用作能量吸收材料的建議。就剪切增稠的材料或脹流型體來說，我們指的是這樣一種材料，它在低的形變速率下粘性地流動，但在升高的形變速率下，它隨著形變變化的速率而經(jīng)歷根本的粘度增加。在非常高的形變速率如由沖擊所誘導(dǎo)的速率下，該材料變?yōu)榛旧县Q硬的或剛性的。例如，US-A-5599290描述了一種防止骨折的服裝，其采用了固體顆粒在粘性流體中的分散體作為脹流型體或剪切增稠的材料。GB-A-2349798描述了一種包括膩子狀的脹流型體的吸收能量墊。但是，在兩種情形下，需將此脹流型體包含在封套中，原因在于它的非自支撐的特性。因此，所得到的產(chǎn)品往往缺乏柔韌性，并且將需要相對復(fù)雜和昂貴的制備方法。
JP 6-220242公開了一種震動吸收材料，它是由撓性的、三維的篩孔或泡沫體所組成的，在其內(nèi)部有相互連接的中空空間，并且它的表面涂覆有硅氧烷彈性膩子。
本發(fā)明提供一種能量吸收材料，它適宜用于或用作沖擊吸收系統(tǒng)，并且它是自支撐的。
根據(jù)本發(fā)明的一個方面，提供了一種自支撐的能量吸收復(fù)合材料，其包括i)適宜地為彈性的、優(yōu)選地為彈性體的固體發(fā)泡的合成聚合物基體；ii)不同于i)的聚合物基脹流型體，在i)的制備期間它分布于基體中并結(jié)合在其中；和iii)流體，它分布于基體中，基體、脹流型體和流體的結(jié)合是這樣的，以使此復(fù)合材料為彈性可壓縮的，還優(yōu)選為撓性的。
就彈性可壓縮的來說，我們指的是耐壓縮形變性。
就固體基體來說，我們指的是不需要容器就能保持其邊界的基質(zhì)材料。通常，所述基體為彈性的。
根據(jù)本發(fā)明的第二個方面，提供了一種自支撐的能量吸收復(fù)合材料，其包括i)固體的、閉孔的泡沫基體；ii)不同于i)的聚合物基脹流型體，，它分布于基體中；和iii)分布于基體中的流體，所述基體、脹流型體和流體的結(jié)合是這樣的，以使此復(fù)合材料是彈性可壓縮的。
本發(fā)明的復(fù)合材料除了是自支撐的之外，還提供一定程度的沖擊保護，這可以潛在地超越現(xiàn)有的剛性系統(tǒng)，而且，在其中復(fù)合材料是撓性的又彈性可壓縮的優(yōu)選實施方案中，它具備適應(yīng)于幾何形狀的能力，該幾何形狀被設(shè)計為通過在相對大的幾何改變下保持密切的接觸來保護的。這是設(shè)計保護性部件的關(guān)鍵特征，因為導(dǎo)致的損害是源于沖擊的最大力除以該力分布的面積的函數(shù)。本發(fā)明的復(fù)合材料能夠既減少力并且增加力作用或反作用的面積，由此對于給定的沖擊能量顯著地減少所導(dǎo)致的壓力或所傳輸?shù)膽?yīng)力。就耐磨性而言，它還提供了展示與沖擊源的某些一致性的能力，由此而產(chǎn)生額外的力吸收以及有利的幾何形狀。與使用通過其自身使用的相同質(zhì)量的脹流型體相比，借助于本發(fā)明還可以達到改進的性能。
盡管可以理解的是其它的固體材料可以適宜用作基體，但在本發(fā)明的一個優(yōu)選的實施方案中，基體選自彈性體。雖然也可以使用天然的彈性體，例如膠乳橡膠，但是我們優(yōu)選的是合成的彈性體，包括合成的熱塑性彈性體。一類優(yōu)選的合成彈性體是彈性體聚氨酯，但希望其它如硅橡膠和EP橡膠，例如EPDM橡膠也是適宜的。
一般而言，復(fù)合材料的可彈性壓縮性將由分散于基體中的流體來提供。通常，該流體會基本上均勻地分散于基體中，但在某些確定的情形下也需要不均勻的分散。可彈性壓縮性可以是起因于流體在基體內(nèi)的再分布和/或(在優(yōu)選的情形下，其中流體包含氣體)流體的壓縮。這樣，例如，基體和流體的組合可以有利地是發(fā)泡的彈性體，如發(fā)泡的聚氨酯彈性體，泡沫可以是開孔的、閉孔的或部分開孔、部分閉孔的。所述泡沫的一個重要性質(zhì)是它經(jīng)受壓縮后的復(fù)原速度。優(yōu)選地，復(fù)原在幾秒鐘內(nèi)例如5秒鐘或更少，更優(yōu)選為2秒鐘或更少，是完全的或基本上完全的。但是，較慢的復(fù)原速度可以實際上優(yōu)選用于某些應(yīng)用。
可以使用任何可以向所選擇的基體中引入的聚合物基脹流型體。就“聚合物基脹流型體”來說，它是指這樣一種材料，其中脹流性是單獨由聚合物或由聚合物以及一種或多種組分如細碎的顆粒材料、粘性流體、增塑劑、填充劑或其混合物的組合所提供的，并且其中此聚合物為主要的組分。在一個優(yōu)選的實施方案中，脹流型體選自表現(xiàn)出脹流型體特征的硅氧烷聚合物基材料。優(yōu)選此硅氧烷聚合物選自含硼(borated)的硅氧烷聚合物。脹流型體可以與除提供脹流性的組分之外的其它組分如填料、增塑劑、著色劑、潤滑劑和稀釋劑相結(jié)合。填料可以是顆粒的(包括微球體)或纖維狀的，或顆粒與纖維狀的混合物。一類特別優(yōu)選的脹流型體包含由DowCorning以商品目錄號3179出售的含硼硅氧烷基材料，其中聚硼二甲基硅氧烷(PBDMS)構(gòu)成基礎(chǔ)聚合物。
也包括其它聚合物基脹流型體材料，其具有相似的脹流性特征，如在低的應(yīng)變速率下具有相似的模量和相似的模量對應(yīng)變速率的曲線。
可以通過下面的方法形成本發(fā)明的復(fù)合材料使固體基體、聚合物基脹流型體和流體的結(jié)合，由此該脹流型體和流體通?；旧暇鶆虻胤植加诨w中，從而產(chǎn)生彈性可壓縮的材料。其中基體選自合成的彈性體，一種適宜的方法包含將聚合物基脹流型體引入發(fā)泡的合成彈性體中。該脹流型體可以在泡沫的形成過程中引入。例如，可以在脹流型體的溶液或分散體的存在下使形成泡沫的組分反應(yīng)以形成泡沫。但是，無論使用何種方法，雖然可以將脹流型體引入泡沫的泡孔中，但重要的是不完全地從孔中排出流體。
本發(fā)明的復(fù)合材料可以包括除脹流型體和流體外的組分，例如纖維狀的和/或粒狀的填料、增塑劑、潤滑劑、填充劑、顏料、染料等。如果需要的話，可以將本發(fā)明的復(fù)合材料加入到可以是剛性的或撓性的封套中，但這并不是必需的。同樣，可以將其與剛性的部件相結(jié)合，但這對于該復(fù)合材料的使用不是必需的，且這可以甚至損害它的某些性能。
如果需要的話，可以向所述復(fù)合材料涂布涂層。
所述復(fù)合材料的實際構(gòu)成將會受到預(yù)期的應(yīng)用的影響。應(yīng)用涵蓋了大范圍的用途，并且包括對物體、動物和人的沖擊保護。潛在的應(yīng)用延伸至任何動態(tài)的情形，其中此物體可能已經(jīng)接觸了表面，并且物體與表面的結(jié)合可以經(jīng)受劇烈的加速和/或減速，例如如包裝中的精密設(shè)備或在汽車座位上的人體。這樣，彈性可壓縮的主體的特性、例如根據(jù)主體的密度來表示的主體中流體的量，和對主體中脹流型體的選擇和負載的程度將由其中即將采用該復(fù)合材料的保護系統(tǒng)的要求來決定。一般而言，脹流型體將構(gòu)成5至80％，優(yōu)選10至50％，更優(yōu)選20至40％(如15至35％)的復(fù)合材料，并且流體的量(在優(yōu)選的情形下，它是氣體)將會是這樣的，按體積計，優(yōu)選復(fù)合材料的流體含量為約30至90％(如20至90％)，更優(yōu)選為約45至90％(如30至80％)，再更優(yōu)選為約55至85％(如40至70％)。應(yīng)當注意的是，這些性能不包括任何填料或另外的組分的應(yīng)用。
本發(fā)明的能量吸收復(fù)合材料可以應(yīng)用于在各種各樣的領(lǐng)域中例如用于人和動物的保護墊或服裝，用于或用作人或動物可能會與之猛烈地接觸的車輛和其它物體中的能量吸收區(qū)域；和用于或用作精密物件或機器的包裝。應(yīng)用的具體實例是頭部遮蓋物和頭盔；用于肘、膝、臀和脛骨的保護性服裝或保護墊；一般的身體保護，例如用于在其中飛行的或降落的物體是一種危害的環(huán)境中、車輛的儀表板、懸掛的襯套、車內(nèi)裝飾及座位。其它潛在的用途是例如在運動或娛樂中保護撞擊物體的身體部分的外衣或墊子；例如跑鞋鞋底、足球靴、拳擊手套以及用于玩墻手球的手套。不意味著此名單是排它性的，并且讀者會想到其它潛在的用途。
下面的實施例舉例說明本發(fā)明，其中在基體的制備期間將脹流型體材料加入固體發(fā)泡的合成聚合物基體中。
實施例1此實施例詳述了純的聚硼二甲基硅氧烷(PBDMS)脹流型體在聚氨酯(PU)泡沫的制備中的混入。
基礎(chǔ)PU系統(tǒng)是由Jacobson Chemicals Ltd.，F(xiàn)arnham，Surrey出售的。產(chǎn)品是模型的泡沫參比J-Foam 7087。此為兩部分的系統(tǒng)，它要求A部分和B部分兩個組分按3比1的比率分別混合。然后，可以將混合物澆鑄到敞開的或閉合的模具中，以制備成型的泡沫組分。在A部分和B部分的反應(yīng)過程中，散發(fā)出了一種氣體(相信包括二氧化碳)，使得在PU軟泡沫中產(chǎn)生了閉孔結(jié)構(gòu)。
在室溫下，在聚乙烯杯中，用手在木勺的幫助下，將由ChemicalInstitute，Warsaw，Poland提供的PBDMS與J-Foam的A部分預(yù)混合大約15分鐘，直到該混合物均勻為止。試驗了各種PBDMS與A部分的比率，并且詳述如下試驗1-15g PBDMS+40g A部分試驗2-15g PBDMS+30g A部分試驗3-39g PBDMS+50g A部分然后，用相同的混合方法將以上預(yù)混合物的每一種與B部分混合，并保持A部分與B部分的比率為3比1，而與PBDMS的量無關(guān)?；旌蠒r間典型地為大約10秒鐘。下一步將這三種組分的混合物澆鑄入平底敞口的聚乙烯容器中，使其自由膨脹，以制備泡沫。
由于PBDMS具有比A部分或B部分高得多的粘度，所以增加PBDMS的比例會使所得到的泡沫的密度降低。此三種組分的混合物增加了的粘度(熔體強度)限制了該混合物在反應(yīng)和固化階段的膨脹。為了確定通過加熱此預(yù)混合物來降低PBDMS/A部分預(yù)混合物粘度的效果，進行了另一批的試驗3在與B部分混合之前加熱預(yù)混合物至65℃。按照以前試樣的相同方法混合，但是同時將模具預(yù)加熱至65℃之后就立即澆鑄樣品。制備泡沫，其所得到的密度為試驗1-400kg/m3
試驗2-500kg/m3試驗3(65℃預(yù)加熱)-380kg/m3密度是通過簡單地稱重樣品和測量其線性的外形尺寸來確定其總體積，并用樣品的重量除以它而測得的。
實施例2將如實施例1中所示的相同技術(shù)應(yīng)用到含Dow Corning 3179硅氧烷脹流型體的PU泡沫的制備中。脹流型體為填充的PBDMS，其中PBDMS的重量百分比為65％。這使得3179比純的PBDMS更硬更堅固。作為這些填料存在的結(jié)果是，即使借助于電動食物攪合器的協(xié)助，3179也不會與J-Foam的A部分混合。使用電動食物攪合器使50g的3179溶解于作為溶劑的異丙醇(IPA)中，然后再與大約100g的J-Foam的A部分混合。這樣產(chǎn)生了一種乳油狀的乳液。為了使IPA存在的量在其與J-Foam的B部分的隨后反應(yīng)過程中減少到最小，保持攪合器處于接通的狀態(tài)，其中將3179、IPA及J-Foam的A部分的混合物置于通風(fēng)櫥中以促進IPA的蒸發(fā)。將此情形保持1小時。在這一段時間內(nèi)IPA的蒸發(fā)導(dǎo)致3179脹流型體從溶液中出來，并在混合物中形成脹流型體的固體小球。因此重復(fù)該過程，但在蒸發(fā)階段以10分鐘的間隔停止攪合器，用視覺觀察混合物的性質(zhì)。40分鐘后懸浮的3179脹流型體的微小顆粒為僅用肉眼可見，在此階段用手將B部分引入混合物中，且如以前一樣澆鑄到敞口的容器中，還是保持A部分與B部分的比率為3比1。所得到的泡沫的測量密度為290kg/m3，它具有大的閉孔結(jié)構(gòu)(泡孔直徑大致是0.7至1.2mm)。
為了提高這種泡沫的密度，重復(fù)該過程，其中在3179脹流型體、IPA及J-Foam的部分A的混合過程中，加入35g的PBDMS，以提高混合物的粘度。所得到的泡沫具有小得多的泡孔尺寸(泡孔直徑大致是0.1至0.4mm)和更高的密度-640kg/m3。
權(quán)利要求
1.一種自支撐的能量吸收復(fù)合材料，其包括i)固體發(fā)泡的合成聚合物基體；ii)不同于i)的聚合物基脹流型體，其分布基體中并在i)的制備期間結(jié)合在其中；和iii)流體，它分布于基體中，基體、脹流型體和流體的結(jié)合是這樣的，以使所述的復(fù)合材料為彈性可壓縮的。
2.權(quán)利要求1所述的能量吸收復(fù)合材料，其中所述的基體是彈性的。
3.權(quán)利要求1或2所述的能量吸收復(fù)合材料，其中所述的基體選自合成彈性體。
4.權(quán)利要求3所述的能量吸收復(fù)合材料，其中所述的合成彈性體選自彈性體聚氨酯。
5.上述權(quán)利要求之任何一項所述的能量吸收復(fù)合材料，其中所述的聚合物脹流型體選自表現(xiàn)出脹流型體特性的硅氧烷聚合物。
6.權(quán)利要求5所述的能量吸收復(fù)合材料，其中所述的硅氧烷聚合物選自含硼酸的硅氧烷聚合物。
7.上述權(quán)利要求之任何一項所述的能量吸收復(fù)合材料，其中所述的流體是氣體。
8.上述權(quán)利要求之任何一項所述的能量吸收復(fù)合材料，其包含在所述的泡沫的泡孔內(nèi)的聚合物脹流型體。
9.一種形成自支撐的能量吸收復(fù)合材料的方法，該方法包含混合i)固體發(fā)泡的合成聚合物基體；ii)不同于i)的聚合物基脹流型體，和iii)流體，由此通過在所述基體的制備過程中將脹流型體合并到發(fā)泡的合成聚合物中，而將所述的脹流型體分布于基體中，并且所述的流體基本上均勻地分布于基體中，以制備彈性可壓縮的材料。
10.權(quán)利要求9所述的方法，其中所述的基體是根據(jù)權(quán)利要求2至4中的任何一項所述的。
11.權(quán)利要求9或10所述的方法，其中所述的聚合物脹流型體是根據(jù)權(quán)利要求5、6或8所述的脹流型體。
12.權(quán)利要求9至11中任何一項所述的方法，其中所述的流體包含氣體。
13.一種自支撐的能量吸收復(fù)合材料，其包含i)固體的、閉孔的泡沫基體；ii)不同于i)的聚合物基脹流型體，它分布于基體中；和iii)它分布于基體中的流體，所述基體、脹流型體和流體的結(jié)合是這樣的，以使所述的復(fù)合材料為彈性可壓縮的。
14.權(quán)利要求13所述的能量吸收復(fù)合材料，其中所述的基體是合成彈性體、和/或根據(jù)權(quán)利要求2或3或4中所述的基體，和/或所述的聚合物脹流型體是根據(jù)權(quán)利要求5或6或8中所述的聚合物脹流型體，和/或所述的流體包含氣體。
15.一種由權(quán)利要求9至12之任何一項所述的方法得到的能量吸收復(fù)合材料。
16.一種沖擊保護系統(tǒng)，該系統(tǒng)包含權(quán)利要求1至8或13至15之任何一項所述的能量吸收復(fù)合材料。
全文摘要
提供了一種自支撐的能量吸收復(fù)合材料，其包括i)固體發(fā)泡的合成聚合物基體；ii)不同于i)的聚合物基脹流型體，其分布基體中并在i)的制備期間結(jié)合在其中；和iii)流體，它分布于基體中，基體、脹流型體和流體的結(jié)合是這樣的，以使復(fù)合材料為彈性可壓縮的。還提供了一種自支撐的能量吸收復(fù)合材料，其包括iv)固體的閉孔的泡沫基體；v)不同于i)的聚合物基脹流型體，其分布基體中并在i)的制備期間結(jié)合在其中；和vi)流體，它分布于基體中，基體、脹流型體和流體的結(jié)合是這樣的，以使該復(fù)合材料為彈性可壓縮的。
文檔編號A41D13/00GK1607912SQ02825922
公開日2005年4月20日 申請日期2002年12月23日 優(yōu)先權(quán)日2001年12月22日
發(fā)明者理查·M·帕瑪, 菲利普·C·格倫 申請人:英商·設(shè)計藍有限公司