BR112015023746B1 - elemento com rigidez variável controlada por pressão negativa - Google Patents

Abstract

ELEMENTO COM RIGIDEZ VARIÁVEL CONTROLADA POR PRESSÃO NEGATIVA. Elemento (1) com rigidez variável controlada por pressão negativa, o elemento compreendendo: - envelope estanque a gás (10); - uma pluralidade de camadas flexíveis (30, 30a, 30b, 30c, 30d, 30e) no envelope, cada camada (30, 30a, 30b, 30c, 30d, 30e) tendo uma primeira superfície (31, 41) e uma segunda superfície (32, 42); e, - uma válvula (20) adaptada para evacuar o interior do envelope (10); caracterizado pelo fato de que: - as primeira e segunda superfícies (31, 41, 32, 42) de duas camadas adjacentes possuem um coeficiente de atrito entre elas que é mais alto que 0,5; - as primeira e segunda superfícies (31, 41, 32, 42) de duas camadas adjacentes possuem propriedades de adesão, de tal modo que uma força normal por unidade de área abaixo de 0,07 N/mm2 é exigida para separá-las e/ou a energia por unidade de área exigida para separá-las em direção normal é abaixo de 6,7 J/m2.

Description

CAMPO TÉCNICO

A invenção refere-se a um elemento com rigidez variável controlada através de pressão negativa, tal como sucção ou vácuo. A presente invenção é aplicável: - a determinados dispositivos médicos (tais como gessos, órteses funcionais, palmilhas e dispositivos médicos de emergência, tais como elementos para membros e de prestação de primeiros socorros para todo o corpo), - a artigos esportivos (tais como skates, botas de esqui, pranchas de surf e equipamento de proteção para esportes, tais como protetores para capacetes ou protetores peitorais e de joelho), - a elementos de segurança que enrijecem em caso de uma colisão ou acidente, - a elementos construtivos, por exemplo, para serem usados para confeccionar móveis de camping reconfiguráveis ou brinquedos, - a elementos de moldagem para produção de compósitos, - a elementos de acondicionamento, ou - a elementos de segurança que enrijecem em caso de uma colisão ou acidente, por exemplo, no campo automotivo.

CAMPO TÉCNICO

É conhecido usar pressão negativa, tal como sucção ou vácuo para fornecer um meio de converter um Elemento de um estado flexível, em que o elemento é facilmente formado e pode ser adaptado para conformar-se em um formato desejado específico (tal como uma parte do corpo humano), para um estado rígido, em que o elemento é rígido e fornece suporte, proteção e/ou estabilização, e vice-versa. A estrutura básica de dispositivos que empregam pressão negativa normalmente compreende preenchedores internos que são comumente partículas móveis e uma cobertura externa fina flexível e impermeável ao ar. A estrutura normalmente possibilita que o dispositivo seja facilmente e prontamente ajustado ao redor do corpo e membros afetados. Quando o dispositivo atinge o formato desejado na posição desejada, ele é submetido a pressão negativa e depois a pressão atmosférica comprime a cobertura externa flexível e aplica pressão substancial a toda a massa de partículas. A força de atrito entre as partículas e a cobertura resiste a movimento relativo entre elas, desse modo provendo rigidez. Normalmente, uma válvula está incluída para selar a cobertura quando evacuada para manter rigidez do dispositivo. O estado macio proveniente do estado rígido é normalmente obtido abrindo a válvula e soprando.

Diversas patentes sobre dispositivos ortopédicos empregando pressão negativa foram publicadas. O documento de patente US 2005/0137513 divulga uma estrutura para manter uma espessura homogênea para dispositivos a fim de apoiar e estabilizar uma pessoa ou partes do corpo feridas. O dispositivo possui uma região interna envelopada por duas películas flexíveis, e a região interna está dividida em dois corpos de inserção que são respectivamente formados com duas faixas de material flexível e permeável ao ar. Cada corpo de inserção é dividido em câmaras contendo partículas soltas, por meio de costuras intersectantes formadas entre as faixas de material. As costuras em ambos os corpos de inserção são escalonadas entre si em ambas as direções, de tal maneira que as partículas se combinam para formar uma camada de partícula substancialmente homogeneamente espessa. No entanto, este tipo de estrutura feita de grânulos ou partículas tem o problema de ser muito espessa, que leva a limitações práticas, tal como o tamanho para efeito de transporte, e um alto volume que leva a problemas, tais como um tempo de evacuação longo para alcançar o nível de pressão negativa desejada.

A fim de resolver o problema de espessura e volume indesejados, o Elemento de encaixe de corpo com um fitness controlado divulgado no documento de patente WO 2011/07985 é confeccionado de um envelope impermeável ao gás envolvendo uma pluralidade de camadas e tendo válvula adaptada para evacuar o interior do envelope. Cada camada é confeccionada de um núcleo feito de um material com um elevado módulo de Young e flexibilidade revestido em ambos os lados com uma camada de cobertura feita de um material com um alto coeficiente de atrito. No entanto, este tipo de elemento de encaixe de corpo apresenta os seguintes problemas: - Uma vez que o vácuo é aplicado e o elemento de encaixe de corpo está em seu estado rígido, quando a válvula é aberta para ir para o estado flexível, o fato é que as camadas podem ficar presas entre si devido a pegajosidade delas, e o estado flexível não é assim recuperado apropriadamente. - No estado rígido, quando sob uma tensão de flexão, as camadas podem deslaminar-se (desconectar o revestimento a partir do núcleo). - O elemento de encaixe de corpo divulgado no documento WO 2011/07985 incluía algumas faixas confeccionadas de um material com um baixo coeficiente de atrito, a fim de recuperar apropriadamente o estado flexível sob pressão atmosférica. No entanto, estas faixas reduzem as superfícies de atrito efetivo, que reduz consequentemente a rigidez do elemento em estado rígido e assim afeta seu funcionamento apropriado.

Em resumo, um elemento com rigidez controlável é necessário, que resolve de uma forma eficiente ambos os problemas de pegajosidade e deslaminação, no cenário descrito acima.

DESCRIÇÃO DA INVENÇÃO

A presente invenção refere-se a um elemento com rigidez variável controlada por pressão negativa de acordo com a reivindicação 1. As modalidades preferidas do elemento estão definidas nas reivindicações dependentes.

É um objeto da presente invenção fornecer um elemento com rigidez variável controlável por pressão negativa que supera os problemas de pegajosidade e deslaminação dos elementos existentes com rigidez controlável. Para isso, o elemento com rigidez variável controlável por pressão negativa da presente invenção é totalmente reversível entre os estados flexível e rígido, ao mesmo tempo em que mantém ou mesmo melhorando a relação de rigidez entre o estado rígido e flexível comparado com a relação de rigidez de soluções atuais.

O elemento com rigidez variável controlada por pressão negativa da presente invenção compreende: - envelope impermeável a gás; - uma pluralidade de camadas flexíveis envelope, cada camada tendo uma primeira superfície e uma segunda superfície; e, - uma válvula adaptada para evacuar o interior do envelope.

De acordo com um primeiro aspecto da invenção as primeira e segunda superfícies de duas camadas adjacentes: - possuem um coeficiente de atrito entre elas que é mais elevado que 0.5; e - possuem propriedades de adesão, de tal modo que uma força normal por unidade de área de não mais que 0.07 N/mm2 é exigida para separá-las e/ou a energia por unidade de área exigida para separá-las em direção normal estando abaixo de 6.7 J/m2.

Assim, o elemento da presente invenção possui uma estrutura laminar compreendendo diversas camadas e possui as seguintes propriedades: - alto coeficiente de atrito entre camadas devido à seleção de materiais usados e o fato de que toda a superfície das camadas suporta atrito; e, - baixa adesão entre camadas, especialmente quando não existe força normal.

Deste modo as primeira e segunda superfícies são deslizáveis entre si sob pressão atmosférica.

Outra vantagem da presente invenção é que as camadas podem ser confeccionadas mais finas que as camadas dos elementos da técnica anterior (que incluía camadas de núcleo revestidas), devido ao fato de que as camadas podem ser confeccionadas de um material simples ou compósito com as propriedades necessárias de alto coeficiente de atrito e baixas propriedades de adesão, desse modo eliminando a necessidade tanto o revestimento camada e núcleo, e a camada adesiva correspondente entre elas.

Com a configuração de elemento específica da invenção a relação de rigidez do elemento entre seus estados flexíveis e rígidos é aprimorado: - primeiro, porque as camadas não são presas entre si em pressão atmosférica, o que torna o elemento mais flexível e mais fácil de conformar-se em seu estado mais macio; e - segundo, uma vez que não existe necessidade de faixas de baixo atrito ou costura, a superfície de atrito é aumentada, o que torna o elemento mais rígido em seu estado rígido.

Dependendo das aplicações do elemento, as camadas podem ser confeccionadas de um material simples, ou elas podem ser confeccionadas de uma pluralidade de fibras embutidas em uma matriz. Em ambos os casos, as camadas podem ser confeccionadas de uma folha contínua ou homogênea, ou a camada pode ser confeccionada de uma estrutura tecida de fitas ou cintas.

Onde as camadas são confeccionadas de uma matriz reforçada com fibras, as fibras podem ser unidirecionais, bidirecionais ou multidirecionais. Apenas os compósitos dotados de fibras unidirecionais são adequados para a estrutura tecida com fitas.

As fibras são selecionadas preferencialmente de fibra de vidro, carbono, aramida ou fibras de poliéster. E a matriz é preferencialmente confeccionada de um polímero termoestável ou um polímero termoplástico.

De acordo com outra modalidade preferida, camadas podem compreender uma camada de núcleo revestida por pelo menos um revestimento em um lado do núcleo. Preferencialmente, o núcleo é revestido por primeiro e segundo revestimentos respectivos, um revestimento em cada lado núcleo.

Estes revestimentos são preferencialmente confeccionados de um elastômero de poliuretano termoplástico.

As propriedades de adesão das camadas são preferencialmente medidas usando uma versão adaptada de um método normatizado, tal como o da norma ASTM D2979-01, "Método de ensaio normatizado para pegajosidade sensível a pressão de adesivos usando uma máquina de sonda invertida". Preferencialmente, as propriedades de adesão são medidas usando um ensaio de pegajosidade por sonda com uma pré-carga equivalente à pressão atmosférica e um tempo de pré-carga de espera de 100 s.

O coeficiente de atrito é preferencialmente medido usando um procedimento normatizado, tal como a norma ASTM D 1894 "Método de ensaio normatizado para coeficientes estáticos e cinéticos de atrito de película e lâminas de plástico".

No caso de camadas que são confeccionadas de fitas tecidas, as propriedades de adesão podem ser medidas usando o ensaio de pegajosidade por sonda adaptado em um número específico de fitas colocadas adjacentes entre si sore uma superfície flat, de tal modo que a largura resultante é mais alta que o valor mínimo definido pela norma.

As propriedades de adesão das camadas são medidas à medida que elas estão em suas condições de uso; ou seja, antes que qualquer medição seja realizada, para medição das propriedades de adesão das camadas do elemento na presente invenção as camadas não precisam ser limpas anteriormente; suas propriedades de adesão devem ser medidas nas mesmas condições que quando elas estão em uso dentro do elemento.

Outras vantagens e recursos adicionais da invenção tornar-se-ão aparentes a partir da descrição detalhada a seguir e que serão particularmente destacados nas reivindicações apensas.

BREVE DESCRIÇÃO DOS DESENHOS

Para completar a descrição e a fim de fornecer um melhor entendimento da invenção, um jogo de desenhos está fornecido. Ditos desenhos formam uma parte integral da descrição e ilustram uma modalidade da invenção, a qual não dever ser interpretada como restritivas do escopo da invenção, mas apenas como um exemplo de como a invenção pode ser realizada. Os desenhos compreendem as seguintes figuras: A fig. 1 mostra uma vista em corte de um elemento com rigidez variável de acordo com a invenção. A fig. 2 é uma vista em perspectiva de uma primeira modalidade das camadas dentro do elemento. As figs. 3, 4, 5, 6 e 7 mostram vistas em perspectiva de outras possíveis modalidades das camadas dentro do elemento. A fig. 8 é uma vista em perspectiva de uma seção de um elemento de acordo com a invenção pretendida para aplicações médicas. A fig. 9 é uma vista de topo de uma estrutura de tecido de cintas das camadas de acordo com outra modalidade do elemento. A fig. 10 mostra esquematicamente o método adaptado usado no presente caso para medir adesão das camadas.

DESCRIÇÃO DE UMA MODALIDADE PREFERIDA

A descrição a seguir não deve ser tomada em um sentido limitativo, e sim unicamente com o propósito de descrever os princípios gerais da invenção. As próximas modalidades da invenção serão descritas por intermédio de exemplo, com referência aos desenhos mencionados acima mostrando elementos e resultados de acordo com a invenção. A fig. 1 mostra uma modalidade preferida de um elemento 1 com rigidez variável de acordo com a invenção. O elemento 1 compreende de um envelope estirável hermético 10 envolvendo uma pluralidade de camadas flexíveis 30 e uma válvula 20 adaptada para evacuar o interior do envelope. O envelope impermeável a gás 10 é adequado para ser submetido a uma pressão controlada, e tem uma válvula 20 adaptada para evacuar o interior do envelope.

De uma maneira conhecida, quando a pressão atmosférica está dentro do envelope 10, as camadas 30 são descomprimidas. Quando é aplicado vácuo, as camadas flexíveis 30 são comprimidas juntas aumentando o atrito entre elas, o que, por sua vez, aumenta a rigidez do elemento 1 como um todo. Deste modo, o elemento 1 possui possibilidades de estado variáveis, de um estado flexível e macio em pressão atmosférica para um estado rígido quando despressurizado.

A novidade do presente elemento 1 reside na estrutura especifica e no material das camadas 30, como mostrado na fig. 2; cada camada 30 é confeccionada de um material simples ou compósito e tem uma primeira superfície 31 em um lado e uma segunda superfície 32 no outro lado.

A fim de que o elemento 1 trabalhe apropriadamente e seu estado flexível ou macio esteja adequadamente recoberto uma vez que tenha sido aplicado vácuo e posteriormente liberado, é importante que as primeira e segunda superfícies 31, 32 das camadas sejam confeccionadas de tais materiais, espessura e acabamento de superfície que resulte tanto em um alto coeficiente de atrito como baixa conexão de adesão.

As camadas são tais que o eficiente de atrito entre a primeira superfície 31 e a segunda superfície 32 de duas camadas adjacentes 30 é mais elevado que aquele de materiais normalmente usados para lubrificação. O coeficiente de atrito entre as superfícies é acima de 0.6. Mais preferencialmente, o coeficiente de atrito é acima de 1.

A fim de medir o coeficiente de atrito um procedimento normatizado pode ser usado, tal como a norma ASTM D 1894 "Método de ensaio normatizado para coeficientes estáticos e cinéticos de atrito de película e lâminas de plástico".

Um requisito essencial das camadas é que elas tenham baixas propriedades de adesão. Por baixa adesão entende-se que a força de adesão tangencial entre as primeira e segunda superfícies 31, 32 de duas camadas adjacentes 30 é tal que as camadas 30 deslizam entre si onde não existe força normal. De fato, as primeira e segunda superfícies das camadas possuem baixas propriedades de adesão de tal modo que uma força normal por unidade de área abaixo de 0.07 N/mm2 é exigida para separá-las (ou seja, uma força normal compressiva de -0.07 N/mm2), e/ou a energia por unidade de área exigida para separá-las em direção normal estando abaixo de 6.7 J/m2.

Este é um recurso importante para impedir que as diferentes camadas permaneçam presas entre si uma vez que o vácuo não é mais aplicado e o elemento 1 recupera seu estado flexível.

Deve ser considerado que as propriedades de atrito e pegajosidade das camadas não são influenciadas apenas pelo material da camada, mas também pela espessura e pelo acabamento da superfície (rugosidade Ra) da camada. É por isto que, a fim de caracterizar a interface entre as primeira e segunda superfícies 31, 32 de duas camadas adjacentes 30 são feitos os ensaios de atrito e pegajosidade em duas camadas flexíveis 30 para levar em consideração o efeito dos processos de fabricação.

As propriedades de adesão foram medidas por intermédio de um ensaio de pegajosidade por sonda adaptado com uma pré-carga equivalente à pressão atmosférica e um tempo de espera de 100s, que é a escala de tempo máxima mencionada na norma para estabelecimento das propriedades adesivas.

Um método normatizado para medir a adesão de adesivos está descrita pela norma ASTM D2979-01, "Método de ensaio normatizado para pegajosidade sensível a pressão de adesivos usando uma máquina de sonda invertida". No presente caso, uma versão adaptada deste método foi usada. O método normatizado teve que ser modificado uma vez que a adesão entre camadas que não são adesivas está sendo medida; estas camadas possuem uma força de adesão menor, e onde a adesão depende do material, espessura e rugosidade das camadas. As camadas podem ser limpas com álcool (ou qualquer outros meios) antes da medição, como indicado na norma. Mas é possível efetuar as medições sem limpeza prévia da superfície das camadas, a fim de não alterar as propriedades de adesão das camadas em suas condições de uso.

O que é importante é que o método normatizado é repetido diversas vezes, de modo a ter um número de medições estatisticamente significantes, de tal modo que seja possível desconsiderar valores atípicos.

O método de medição está mostrado esquematicamente na fig. 10, onde a força (F) está representada com respeito ao deslocamento (δ) entre as camadas. O método de medição de adesão é como a seguir: a-c) As superfícies das camadas são aproximadas a uma velocidade constante, e em algum ponto entram em contato entre si e são Fmáx seja alcançada. c-f) As superfícies das camadas são separadas a uma velocidade constante de 5 mm/s de acordo com a norma. Mais especificamente: a-b) As superfícies movem-se umas para as outras a velocidade constante, não existindo qualquer contato entre elas. b-c) Uma vez que existe contato entre as superfícies, uma força de compressão é desenvolvida pelo movimento, até que ela alcança seu valor de pico Fmáx. Depois o movimento entre as camadas cessa, e a força é mantida no nível constante Fmáx. c-d) As superfícies se afastam umas das outras a velocidade constante. Inicialmente, a força de compressão é removida, até um ponto em que uma força de adesão entre as camadas é desenvolvida até que um valor máximo Fade seja alcançado. Esta força de adesão tem uma direção oposta à força compressiva inicial. d-e) A força de adesão entre as camadas desaparece através da desconexão das superfícies. e-f) As superfícies são separadas umas das outras sem contato, a uma velocidade constante.

As adaptações específicas ao ensaio normatizado são: - Uma superfície de contato circular de 50 mm é usada, em vez da sonda de 5 mm da norma, devido às forças de adesão inferiores. No caso de uma modalidade compreendendo fitas, um grande número de fitas devem ser postas umas ao lado das outras, de modo que ao estarem alinhadas juntas elas cubram as superfícies circulares de 50 mm. - Uma máquina de sonda vertical normal é usada em vez de uma máquina de sonda invertida, devido às forças adesivas inferiores. - O ensaio de adesão é realizado entre as camadas reais d elemento, em vez de se realizar o ensaio entre uma sonda de aço inoxidável e o adesivo. - O movimento de aproximação a velocidade constante é interrompido quando o valor Fmáx é alcançado; neste ponto a máquina de sonda é programada para manter a carga estática constante em Fmáx. O valor de Fmáx usado é 200 N, que corresponde a uma carga compressiva na ordem de magnitude da pressão atmosférica na superfície. - A sonda é elevada verticalmente para cima desde uma superfície de repouso durante as etapas c-f. - A carga estática é mantida por 100 s (em vez de por 1 s). - Camadas reais são usadas no ensaio, em vez da espessura de camada de superfície adesiva especificada na norma. - Valores são ponderados ao longo de pelo menos cinco medições. - A adesão está caracterizada por: - por Fade/Asuperfície, onde Fade é a força máxima medida ao se desconectar as superfícies e Asuperfície é a área da superfície de contato, e - por Wade/Asuperfície, onde Made é a energia exigida para desconectar as duas camadas. A Tabela 1 a seguir mostra exemplos de camadas, cujas propriedades de adesão foram medidas com o ensaio de pegajosidade por sonda adaptado a pouco explicado. Tabela 1

Uma modalidade preferida do elemento 1 da invenção exemplo I, tendo as camadas flexíveis 30 da fig. 2 inclui trinta e sete camadas 30, cada camada tendo uma espessura de 80 μm. Cada camada é feita de poliuretano termoplástico, neste caso, de Epurex® 4201 AU (fornecido por Epurex Films GmbH). O elemento resultante permite a comutação entre um estado rígido com um módulo de Young de 167 MPa (obtido a uma pressão negativa de -0,86 bar) e um estado flexível com um módulo de Young de 22 MPa (medido a pressão atmosférica). O módulo de Young foi obtido para uma deformação de 0,2 %-0,4 %.

Para determinadas aplicações é necessário que o elemento da invenção tenha um determinado grau de rigidez. A fim de obter esta rigidez, as camadas do elemento podem ser aperfeiçoadas como mostrado em qualquer uma das figs. 3-7. A fig. 3 mostra outra modalidade possível da camada 30a. Neste caso, a camada 30a compreende um núcleo 40 revestido por um primeiro revestimento 41 em um lado e um segundo revestimento 42, ditos primeiro e segundo revestimentos se constituindo nas primeira e segunda superfícies da camada. Habitualmente, os primeiro e segundo revestimentos 41, 42 são grudados nos lados respectivos do núcleo 40.

O núcleo 40 é essencialmente uma folha contínua de um material flexível tendo um módulo de Young elevado. Ter um módulo de Young elevado significa que o módulo de Young do núcleo é mais elevado que o módulo de Young dos materiais usados, devido a elasticidade deles. (por exemplo, borrachas). Além disso, o módulo de Young do material constituindo o núcleo 40 é mais elevado que o módulo de Young do material dos revestimentos 41, 42. O material que forma o núcleo 40 preferencialmente tem um módulo de Young acima de 0,2 GPa, tal como LDPE, que fornece o elemento com rigidez válida para determinadas aplicações.

Preferencialmente, o módulo de Young do material do núcleo 40 é mais elevado que 0,8 GPa.

O núcleo pode ser confeccionado de qualquer um dos materiais a seguir: - Termoplásticos, tais como ABS, PEEK, PP, PEHD ou PVC. - Metais, tais como alumínio, latão ou ferro. - madeira, papel.

É possível que os primeiro e segundo revestimentos 41, 42 em cada lado do núcleo 40 sejam confeccionados do mesmo material, incluindo espessura de camada específica e acabamento de superfície, resultando em alto coeficiente de atrito e baixas propriedades de adesão, como é o caso da camada mostrada na fig. 3. Também é possível que eles sejam confeccionados de materiais diferentes, incluindo espessura de camada específica e acabamento de superfície, de tal modo que cada uma das camadas tenha as propriedades de alto atrito e baixa adesão correspondentes quando estão em contato mútuo. A fig. 4 mostra outra camada possível 30b para o elemento da invenção. Neste caso, a camada 30b compreende um núcleo 40 e um primeiro revestimento 41 apenas em um lado do núcleo 40. O núcleo 40 é confeccionado de um material com um elevado módulo de Young, e o revestimento 41 é confeccionado de um material com um módulo de Young inferior. A espessura do núcleo 40 é mais elevado que a espessura do primeiro revestimento 41. Igualmente, a fim de atingir plenamente as propriedades de baixa adesão e elevado atrito entre as camadas 30b nesta modalidade, o revestimento 41 tem um acabamento de superfície liso enquanto que o acabamento de superfície do núcleo 40 é rugoso.

Adicionalmente, na modalidade da camada 30a mostrada na fig. 3, é importante que a força de adesão tangencial entre as camadas 30a, ou seja, a força de adesão tangencial entre os revestimentos 41, 42 de duas camadas adjacentes (que são as superfícies em contato), seja menor que a força de adesão tangencial máxima devido à colagem entre os revestimentos 41, 42 e o núcleo 40 em cada camada 30a. Isto também é uma característica importante uma vez que, do contrário, pode ocorrer deslaminação das camadas durante solicitação de flexão.

De modo semelhante, na modalidade da camada 30b da fig. 4, é importante que a força de adesão tangencial entre as camadas 30b, ou seja, a força de adesão tangencial entre o núcleo 40 e uma camada 30b e o revestimento 41 da camada adjacente 30b (que são as superfícies em contato), seja inferior que a força de adesão tangencial máxima devido á colagem entre o revestimento 41 e o núcleo 40 em cada camada 30b.

Materiais adequados para os revestimentos são: alguns poliuretanos termoplásticos, resina Acronal/Styrofan (40 % de Acronal® 12 DE com 60 % de Styrofan® D422, da BASF), resina de poliureia, silicone, borracha, borracha de silicone, látex.

Para melhorar mais as propriedades de rigidez do elemento 1 para aquelas aplicações que podem exigi-las(tal como os elementos de construção, as camadas podem compreender uma matriz reforçada com fibras.

Como mostrado na fig. 5, a camada 30c compreende uma pluralidade de fibras 301 integradas em uma matriz 302. A fig. 6 mostra outra camada 30d. Esta camada 30d é semelhante à camada 30c mostrada na fig. 5. A diferença é que a matriz 302 na camada 30d tem duas porções 303 que não têm quaisquer fibras de reforço; estas duas porções 303 são confeccionadas apenas do material da matriz.

O material da matriz no caso das figs. 5 e 6 tem as propriedades de alto atrito e baixa adesão correspondentes.

Uma modalidade preferida do elemento 1 da invenção, exemplo II, tendo as camadas flexíveis 30c ou 30d das figs. 5 ou 6 inclui seis camadas, cada camada tendo uma espessura de 250 μm. Cada camada é confeccionada de tecido de fibra de vidro (FG) de 204 g/mm2, integrada em uma matriz confeccionada de poliuretano termoplástico (de Epurex® 4201 AU). A relação de fibra é de 73 %. O elemento resultante permite comutação entre um estado rígido com um módulo de Young de 2876 MPa (obtido a uma pressão negativa de -0,86 bar) e um estado flexível com um módulo de Young de 84 MPa (medido a pressão atmosférica). O módulo de Young foi obtido para uma deformação de 0,2 %-0,4 %. A fig. 7 mostra ainda outra modalidade possível de camadas constituindo a estrutura laminar do elemento.

A camada 30e na fig. 7 é semelhante àquela das figs. 5 ou 6, mas neste caso a matriz 302 reforçada com uma pluralidade de fibras unidirecionais não tecidas 301 forma um núcleo, que é revestido ainda pelos revestimentos 41, 42 ambos feios de um mesmo material tendo elevado atrito e baixa adesão.

As fibras nas camadas das figs. 5-7 são fibras unidirecionais não tecidas. Mas também é possível que as fibras sejam multidirecionais ou fibras fazendo parte de uma tela tecida.

As fibras 301 nas modalidades mostradas nas figs. 5-7 pode ser qualquer uma das seguintes: fibras de vidro, fibras de carbono, fibras de aramida ou fibras de poliéster. O material da matriz 302 pode ser um polímero termoestável, tal como epóxi, poliéster, poliúria, vinil éster, fenólico, poliimida, resinas de poliamida, ou um polímero termoplástico, tais como ABS, PP, PEHD, PEEK, PVC, PU, etc.

Nos exemplos a seguir, o coeficiente de atrito entre as superfícies feitas de uma resina PUR (Poliol) com um endurecedor PUR (Isocianato) foi determinado com um trenó de bloco de metal de 60x54 mm, pesando 268 g, e uma pré-carga de 0.2 N. O restante das condições usadas durante o ensaio dos materiais são aquelas descritas na norma ASTM 1894: * Poliuréia (resina RAKU-TOOL® PC-3411 com isocianato RAKU-TOOL® PH-3911 da RAMPF®), reforçada com tecido de fibra de carbono bidirecional (200 g/m2). Seu coeficiente de atrito foi medido para ser de 2,25. * Poliuréia (resina RAKU-TOOL® PC-3411 com isocianato RAKU-TOOL® PH-3911 da RAMPF®), reforçada com tecido de fibra de vidro bidirecional (204 g/m2). Seu coeficiente de atrito foi medido para ser de 2,20.

Estes dois exemplos são usados para medir o coeficiente de atrito das poliuréias, na camada 30c onde as superfícies são confeccionadas com o mesmo material que a matriz 302 reforçada com fibras 301 (Fig. 5).

Quando o elemento 1 é usado como um dispositivo ortopédico, ele é capaz de se adaptar ao formato individual o membro do paciente. Em seu estado flexível o elemento 1 está adaptado para conformar-se ao membro, e quando é aplicado vácuo o elemento 1 fecha-se no seu estado rígido para proporcionar suporte e estabilização. Com esta finalidade, é importante ter uma elevada relação de rigidez entre os estados flexíveis e rígidos além de cada camada ser confeccionada preferencialmente de um material com um elevado módulo de Young. Em um caso ideal, as camadas 30, quando no estado rígido, ficam completamente presas entre si através da pressão negativa aplicada, a rigidez do elemento é n2 vezes mais elevada que no estado flexível sob condições atmosféricas, n sendo o número de camadas no elemento. No caso real este fator de aumento de rigidez de n2 é aproximado, dependendo do coeficiente real de atrito que poderá ainda permitir algum deslizamento entre as camadas. Por exemplo, um elemento empregando uma espessura de 2,4 mm confeccionado de camadas de 0,4 mm cada possui uma relação de rigidez entre os estados rígido e flexível de 36 ( = 6A2) . A relação de rigidez a ser atingida pelo elemento depende do tipo de aplicação. Por exemplo, uma relação de 4 não é suficiente no caso de colocação de órtese. Para colocação de órtese, um elemento com doze camadas finas e, assim, uma relação de 144 palavras. Mas também é possível dobrar a espessura das camadas, para incluir apenas seis camadas, e o elemento resultante ser suficientemente flexível e ser capaz de alcançar uma rigidez semelhante adequada para aplicações de órtese.

A fim de aplicar uma força homogênea durante a compressão das diferentes camadas, como mostrado na fig. 8, o elemento 10 compreende ainda uma camada permeável ao ar 50, tal como uma estrutura aninhada, inserida paralela com as camadas 30a dentro do envelope flexível 10. A camada permeável ao ar 50 permite que o vácuo seja uniformemente distribuído. Por exemplo, uma malha plástica feita de fira de 100 μm de diâmetro e células abertas de em torno de 3x3 mm, proporciona uma distribuição de pressão uniforme.

A válvula 20 é inserida no envelope 10 no lado próximo à camada permeável ao ar 50. Isto evita o bloqueio do fluxo de ar por uma camada 30a que fica presa no orifício da válvula. Adicionalmente a camada permeável ao ar 50 impede a camada externa de colar no envelope, o que poderia levar a perda de flexibilidade no estado flexível.

Como indicado acima, é desejável que as camadas sejam confeccionadas de material com um elevado módulo de Young para confeccionar um elemento com um elevado estado de rigidez; mas materiais tendo um elevado módulo de Young habitualmente têm baixa extensibilidade. Devido ao fato de que eles não são extensíveis eles não podem se ajustar a todo formato 3D. A fim de se ajustar a qualquer forma ou formato 3D, especialmente aqueles com superfícies irregulares, em outra possível modalidade da invenção (como mostrado na fig. 9), a camada 30f está fornecida na forma de cintas ou fitas tecidas que acrescentam graus de liberdade à camada. Para manter esta estrutura organizada após usos repetidos e evitar sobreposições e perda das cintas, as bordas de qualquer padrão 2D podem ser costuradas e cortadas, tomando-se cuidado para assegurar que ambas as extremidades de cada cinta no padrão foram costuradas.

A fim de confeccionar as fitas os fios da urdidura 60 e a trama 65 que formam a camada 30f, qualquer uma das camadas flexíveis 30, 30a, 30b, 30c, 30d ou 30e das modalidades anteriores são cortadas em fitas ou cintas da largura desejada que são então tecidas.

Nos casos onde a camada é um material compósito confeccionado de uma matriz de polímero reforçado com fibras, tais como as camadas 30c, 30d ou 30e, das figs. 5-7, também é possível confeccionar diretamente o compósito da largura especifica.

Fazer o tecido menor, ou seja, com as cintas de largura menor, permite uma melhor adaptação. Para adaptação ao corpo humano, tecido de sarja 3x1 confeccionado com uma fita ou cinta tendo uma largura de 4 mm e com uma folga de 1 mm entre as fitas/cintas gera um bom resultado. Mas qualquer largura de cinta pode ser usada dependendo da finalidade.

As fitas ou cintas podem ser confeccionadas com uma mecha de fibra de vidro de 600tex (da PPG) nivelada a uma largura de 4 mm. As mechas de fibra são depois impregnadas com poliuretano termoplástico (tal como Elastollan® 890 A10 da BASF), respeitando uma relação de volume de matriz/fibra de em torno de 30/70. Neste caso, a rugosidade de superfície deve ser em torno de 1,27 para atingir as propriedades corretas de atrito e pegajosidade das primeira e segunda superfícies.

Também é possível confeccionar um tecido menor usando uma mecha de fibra de vidro de 300tex (da PPG) nivelada a uma largura de 2,5 mm.

Uma modalidade preferida do elemento 1 da invenção, exemplo III, tendo as camadas flexíveis 30f mostradas na fig. 9 inclui seis camadas, cada camada tendo uma espessura total de 450 μm. Cada camada é confeccionada de cintas ou fitas, tendo uma espessura de 160 μm, tecida em uma sarja 3x1. As cintas são confeccionadas com mechas de fibra de vidro (FG) de 600tex que ficam integradas em uma matriz feita de poliuretano termoplástico de Epurex® 4201 AU (ou fibra de vidro reforçada TPU). A relação de fibra neste caso é de 60 %. O elemento resultante permite comutação entre um estado rígido com um módulo de Young de 546 MPa (obtido a uma pressão negativa de -0.86 bar) para um estado flexível com um módulo de Young de 24 MPa (medido a pressão atmosférica). O módulo de Young foi obtido para uma deformação de 0,2 %-0,4 %.

Com relação aos tecidos, muitas soluções são possíveis: normal, liso de cinco pontos, liso de 16 pontos, sarja 2x2 ou sarja 3x1.

O tecido de sarja tem a vantagem de ser mais flexível e com caimento que o tecido normal. O tecido liso também é uma boa opção com relação à capacidade de caimento.

Em todo caso, independentemente do tecido usado (normal, sarja, liso,..) na modalidade preferida existe uma folga de 1 mm aproximadamente entre cada cinta tanto na direção de urdidura como de trama, a fim de permitir algum grau de liberdade entre cintas separadas e desse modo obter suficiente caimento para encaixar no corpo humano. A tabela a seguir 2 sintetiza as características principais dos três exemplos I, II, III anteriormente dados para as camadas dentro do elemento, e suas propriedades. Nos três exemplos, as camadas do elemento estão envolvidas em uma bolsa estanque ao ar de PP/HDPE. O elemento contém ainda uma malha de náilon para a divisão do vácuo, acrescentando um total de 0.6 mm à espessura do elemento. Tabela 2

Neste contexto, o termo “compreende” e suas derivações (tais como “compreendendo”, etc.) não devem ser entendidos em um sentido excludente, ou seja, estes termos não devem ser interpretados como excluindo a possibilidade de que o que está descrito e definido possa incluir outros elementos, etapas, etc.

No contexto da presente invenção, o termo “aproximadamente” e os termos de sua família (tal como “aproximado”, etc.) devem ser compreendidos como valores indicativos muito próximos àqueles que acompanham o termo supramencionado. Isto quer dizer que um desvio dentro de limites razoáveis de um valor exato deve ser aceito, porque uma pessoa versada na técnica irá compreender que tais desvios dos valores indicados são inevitáveis devido a inexatidões de medição, etc. O mesmo se aplica aos termos

Claims (15)

1. Elemento (1) com rigidez variável controlada por pressão negativa, o elemento compreendendo: - envelope estanque a gás (10); - uma pluralidade de camadas flexíveis (30, 30a, 30b, 30c, 30d, 30e) no envelope, cada camada (30, 30a, 30b, 30c, 30d, 30e) tendo uma primeira superfície (31, 41) e uma segunda superfície (32, 42); e, - uma válvula (20) adaptada para evacuar o interior do envelope (10); caracterizado pelo fato de que: - as primeira e segunda superfícies (31, 41, 32, 42) de duas camadas adjacentes possuem um coeficiente de atrito entre elas que é mais alto que 0,5; - as primeira e segunda superfícies (31, 41, 32, 42) de duas camadas adjacentes possuem propriedades de adesão, de tal modo que uma força normal por unidade de área abaixo de 0,07 N/mm2 é exigida para separá-las e/ou a energia por unidade de área exigida para separá-las em direção normal é abaixo de 6,7 J/m2.

2. Elemento (1), de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que as camadas (30, 30f) são feitas de um único material.

3. Elemento (1), de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que as camadas (30c, 30d, 30e, 30f) são feitas de uma pluralidade de fibras (301) embutidas em uma matriz (302).

4. Elemento (1), de acordo com a reivindicação 3, caracterizado pelo fato de que as fibras (301) são unidirecionais.

5. Elemento (1), de acordo com a reivindicação 3, caracterizado pelo fato de que as fibras (301) são bidirecionais ou multidirecionais.

6. Elemento (1), de acordo com qualquer das reivindicações 3-5, caracterizado pelo fato de que as fibras (301) são selecionadas de fibra de vidro, de carbono, de aramida ou fibras de poliéster.

7. Elemento (1), de acordo com qualquer das reivindicações 3-6, caracterizado pelo fato de que a matriz (302) é feita de um polímero termoestável ou um polímero termoplástico.

8. Elemento (1), de acordo com qualquer das reivindicações 1-7, caracterizado pelo fato de que cada camada (30a, 30b, 30d) compreende ainda um núcleo (40) revestido por pelo menos um revestimento (41, 42) em um lado do núcleo (40).

9. Elemento (1), de acordo com qualquer das reivindicações 1-7, caracterizado pelo fato de que cada camada (30a, 30d) compreende ainda um núcleo (40) revestido por primeiro e segundo revestimentos respectivos (41, 42), um revestimento em cada lado do núcleo (40).

10. Elemento (1), de acordo com qualquer das reivindicações 8-9, caracterizado pelo fato de que os revestimentos (41, 42) são feitos de um elastômero de poliuretano termoplástico.

11. Elemento (1), de acordo com qualquer das reivindicações 1-10, caracterizado pelo fato de que as camadas (30a, 30b, 30c, 30d, 30e) são feitas de folha contínua.

12. Elemento (1), de acordo com qualquer das reivindicações 1-4 e 6-10 quando dependente da reivindicação 4, caracterizado pelo fato de que a camada (30f) é feita de uma estrutura de fitas tecidas (60, 65).

13. Elemento (1), de acordo com qualquer reivindicação anterior, caracterizado pelo fato de que as propriedades de adesão das camadas são medidas usando um teste de adesividade por sonda adaptado com uma pré-carga equivalente à pressão atmosférica e um tempo de pré-carga de espera de 100 s.

14. Elemento (1), de acordo com a reivindicação 12, caracterizado pelo fato de que as propriedades de adesão das camadas são medidas usando um teste de adesividade por sonda adaptado com uma pré-carga equivalente à pressão atmosférica e um tempo de pré-carga de espera de 100 s, estas medições sendo realizadas em um número determinado de fitas (60, 65) colocadas adjacentes entre si sobre uma superfície lisa.

15. Elemento (1), de acordo com qualquer reivindicação anterior, caracterizado pelo fato de que as propriedades de adesão das camadas são medidas em camadas à medida que elas estão sendo usadas.

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