CN100564929C - 用于动态冲击用途的缓冲元件 - Google Patents

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Abstract

用于动态冲击用途的缓冲垫包括在挤塑法、发泡珠粒法或反应性发泡法中制成的各向异性多孔聚合物。CE/CT、CV/CT和CH/CT代表各向异性，其中CE、CV和CH代表通过以0.08s-1的应变速率压缩25～50毫米厚的多孔聚合物样品至25%应变而测得的多孔聚合物分别在三个正交方向E、V和H上的压缩强度，CT代表CE、CV和CH的总和，且CE/CT、CV/CT和CH/CT中至少一项具有至少0.40至至多大约0.80的值。当用于顶篷设施用途时，多孔聚合物还优选具有1.75至2.35磅/立方英尺(28～35.2千克/立方米)的密度和在25%应变下在最大压缩强度方向上290～600kPa的压缩应力。缓冲垫可用在汽车用途中，例如汽车顶篷、门板、膝挡板、支柱、头枕、座椅靠背、行李箱地板或仪表板。

Description

用于动态冲击用途的缓冲元件
本申请要求2004年11月12日提交的美国临时专利申请60/627,278的权益。
技术领域
本发明涉及用于动态冲击用途的缓冲材料，例如用于汽车和其它车辆的吸能材料。
背景技术
聚合物泡沫广泛用于各种缓冲用途中。软聚氨酯泡沫通常用在枕头、座垫、床垫和类似用途中，其中柔软和舒适是支配性因素。如闭孔挤塑聚烯烃泡沫的热塑性泡沫在多种包装用途中盛行。
在绝大多数缓冲和包装用途中，泡沫材料通常被设计成承受低至中等压缩应力。泡沫被设计成在这些条件下，在泡沫中由正常使用过程中施加的压缩应力引起的应变在泡沫的所谓弹性极限内。在弹性极限内，引发的应变(即泡沫的压缩)与施加的压缩应力几乎成比例，这样，例如，应力加倍会引起应变的几乎加倍。此外，在其弹性极限内压缩的泡沫在压缩力撤除时会恢复到与压缩泡沫所需的几乎相同的能量。这允许泡沫吸收来自低至中等冲击的能量而不会使泡沫永久形变或不会明显降低其缓冲类似量级的进一步冲击的能力。对于许多常用的聚合包装泡沫，当超过原始泡沫厚度的大约3～10％的应变时，超出弹性极限。
在某些其它缓冲用途中，缓冲垫要耗散高得多的能量。这类用途特别包括吸能汽车元件，其用于预防或最大程度降低事故中对车辆乘客的伤害。许多汽车内部部件包括这类缓冲材料，包括膝挡板、仪表板、顶蓬、顶柱(roof pillar)和门。通常，这些吸能缓冲垫被设计成与其它能量管理部件结合使用，例如前气囊或侧帘式气囊。与座椅或绝大多数包装用途中所用的缓冲垫不同，这些用途中使用的缓冲垫被设计成在高应变速率下吸收高能量级。这类条件超出缓冲垫的弹性极限，使其永久变形以耗散能量并降低伤害。
汽车事故中人身伤害的严重性通常是乘客与汽车部件接触时经受的最大减速的结果。这种最大减速可以以两种方式降低。首先，其可以通过延长减速发生的时长来降低。其次，如果冲击的能量在该较长时间段内更均匀地耗散，可以降低最大减速。因此，缓冲泡沫合意地在其被压缩至其原始厚度的一部分时以大致恒定的速率持续吸收能量。
绝大多数多孔聚合物的性能使得引发应变所需的压缩应力大致线性地升至弹性极限，即原始泡沫厚度的大约3～10％的应变。在超出该弹性极限后，压缩应力趋于几乎保持恒定直至大约20或30％应变，然后在引起泡沫的更大应变时急剧提高。如果压缩应力几乎保持恒定至更高应变，例如40～60％应变或更高，则是更合意的。这会延长减速发生的时间(通过在将多孔聚合物压缩至更高应变所需的较长时间段内分布能量)并降低最大减速，因为在多孔聚合物被压缩时能量更均匀地被吸收。
各向异性形式的聚合泡沫，有时被称作聚结束泡沫(coalescedstrand foam)已经用在这些用途中。由The Dow Chemical Company以商品名
Figure C20058003892700061
出售的这种泡沫在挤出方向上表现出比正交方向上明显更高的压缩强度。这种各向异性被认为是部分由制造泡沫的特定方法引起的。可发泡树脂混合物的小直径“束”单独挤出，并将挤出物在冷却之前合在一起以形成由大量单独的束构成的更大复合材料。这种聚结束泡沫在动态冲击用途中表现良好，但是具有略微昂贵的缺点。已经用在动态冲击用途中的这类泡沫是较高密度材料，其进一步提高了成本。这些泡沫的另一问题在于最高压缩强度的方向是挤出方向。因为绝大多数吸能缓冲垫在预计冲击方向上相当薄，这意味着这些各向异性泡沫必须被切成小薄片以有效利用。这增加了制造成本并导致过度浪费。这还将吸能元件的横截面积限制为挤出时的泡沫横截面积，除非进一步花费成本将泡沫小件组装成较大横截面。
DE 44089298 A1描述了可用作头盔用途中的减震元件的高度各向异性聚醚砜泡沫。这种泡沫据说具有50千克/立方米或更高的密度，且在该密度下据说具有600kPa的压缩强度。该泡沫具有极大和细长的孔，它们具有大约10的长度/直径比和大约0.8毫米的直径(最小尺寸)。
因此，提供相对廉价并在动态冲击用途中表现良好的缓冲垫是合意的。
发明内容
本发明是用于车辆的缓冲元件，其中在使用过程中，缓冲元件预计吸收足以使缓冲元件永久变形的冲击力，该缓冲元件包括密度不超过40kg/m3且通过在挤出方向挤出可发泡树脂混合物的单一连续物体而形成的多孔聚合物，其中多孔聚合物表现出3～10％应变的弹性极限和由CE/CT、CV/CT和CH/CT所示的各向异性，其中CE/CT、CV/CT和CH/CT中至少一项具有0.40至0.80的值，其中CE、CV和CH分别代表在三个正交方向E、V和H上的泡沫压缩强度，且CT代表CE、CV和CH的总和。
本发明还是用于动态冲击用途的缓冲元件，其中在使用过程中，缓冲元件预计吸收足以使缓冲元件永久变形的冲击力，该缓冲元件包括吸能多孔聚合物，其中多孔聚合物如下形成：(1)在挤出方向挤出可发泡树脂混合物的单一连续物体，(2)使可膨胀聚合物珠粒膨胀，或(3)在反应性发泡法中形成，且其中多孔聚合物表现出CE/CT、CV/CT和CH/CT所示的各向异性，其中CE、CV和CH代表通过以0.08s-1的应变速率在大于样品压缩表面的平面压板之间压缩25～50毫米厚的多孔聚合物样品至25％应变而测得的多孔聚合物分别在三个正交方向E、V和H上的压缩强度，CT代表CE、CV和CH的总和，且CE/CT、CV/CT和CH/CT中至少一项具有大约0.40至大约0.80的值。
本发明还是用于车辆的缓冲元件，其中在使用过程中，缓冲元件预计吸收足以使缓冲元件永久变形的冲击力，该缓冲元件包括如下形成的吸能多孔聚合物——将可发泡热塑性聚合物组合物通过单个孔口以挤出方向E挤出并形成所得挤出聚合物以将其制成所述专门几何结构，其中多孔聚合物的孔在与挤出方向正交的至少一个方向V上具有符合标准0.80≥DV/DT≥0.40的平均尺寸，其中DV代表孔在与挤出方向正交的所述方向上的平均尺寸，且DT＝DV+DE+DH，其中DE是孔在挤出方向E上的平均尺寸，DH是孔在与E和V均正交的方向H上的平均尺寸。
本发明的缓冲元件出乎意料地在动态冲击用途中表现良好。当缓冲元件如此取向以使多孔聚合物的最高压缩强度的方向与冲击方向对齐时，多孔聚合物在压缩至刚刚超过其弹性极限至40％或更高应变且在优选情况下至超过50％应变且甚至超过60％应变时表现出几乎恒定的压缩应力。这种特征使泡沫在高速动态冲击用途中非常有效。压缩应力是泡沫对用于使该泡沫形变的元件施加的力量的测量标准，并等于形变元件对泡沫施加的力量且彼此反向。在该应变范围内的恒定应力是指在该范围的任意部分内，递增压缩泡沫所需的力量几乎等于在该范围的另一部分内递增压缩泡沫所需的力量。
这些泡沫在各种政府、工业和保险试验中的性能证实了这种有效性。例如，头部冲击保护装置的重要试验是联邦汽车安全标准(FederalMotor Vehicle Safety Standard)(FMVSS)201U。下文更充分描述的该试验界定了“HIC(d)”值，其用于表明头部在车辆撞击中头部受伤的危险。根据FMVSS 201U，根据该试验的HIC(d)值必须低于1000，但制造商通常更喜欢850或更低的值以提供附加安全系数并适应部件与部件间的变动。本发明容易地提供表现出充分低于这些水平的HIC(d)值的头部冲击保护装置，且通常使用廉价的低密度聚合物泡沫获得它们。此外，当在下文更充分描述的条件下测试时，缓冲元件在高形变程度下表现出高压缩效率。
本发明的另一令人惊讶的方面是即使聚合物泡沫具有高开孔含量，也可以实现这些性能水平。这是出乎意料的，因为许多能量管理泡沫的缓冲性能明显取决于多数为含有夹带空气的闭孔。压缩这些闭孔提高了孔内压力并有助于泡沫的压缩强度。以主要开孔的多孔结构实现良好压缩性能是出乎意料的，因为孔内气压的贡献极大降低。
本发明的缓冲元件包括吸能多孔聚合物。在多数情况下，多孔聚合物具有一定的专门几何结构。“专门几何结构”简单地是指以某种特定方式调整多孔聚合物的外部尺寸和形状以符合其特定用途所需的特定设计和/或美观特征。这些调整可以包括，例如，将多孔聚合物适配到缓冲元件的另一部件或另一部分或组装件上所需的特定形状，式样和外观的考虑所需或所要求的特定形状，或提供所需缓冲性能所需或所要求的特定形状。在多数情况下，通过将多孔聚合物挤出或模制成所需形状或通过制造(即切割、研磨和/或钉板条)预先制成的泡沫，赋予多孔聚合物专门的几何结构。
多孔聚合物以其各向异性为特征。多孔聚合物的各向异性是由其在不同方向上经受压缩时的压缩强度建立的。或者，多孔聚合物的各向异性是通过如下所述使一个方向上的孔平均大于另两个正交方向上的孔来建立的。
当在三个正交方向E、V和H上评测泡沫的压缩强度时，建立各向异性压缩强度。这些测得的压缩强度CE、CV和CH分别与这些压缩强度的总和CT相关联，这样CE/CT、CV/CT和CH/CT中至少一项具有至少0.40，优选至少0.44，更优选至少0.45，再优选至少0.48，尤其是至少大约0.50，直至大约0.80(例如直至大约0.70，或直至大约0.65)的值。CE/CT、CV/CT和CH/CT的总和当然总是等于1。对于完全各向同性的多孔聚合物，CE/CT、CV/CT和CH/CT各自等于0.33。因此，如果CE/CT、CV/CT和CH/CT任一个超过0.33，另外两个中至少一个具有小于0.33的值。在优选的挤出多孔聚合物中，方向E是挤出方向，方向V是多孔聚合物离开挤出模头后的垂直膨胀方向，方向H是多孔聚合物离开挤出模头后的水平膨胀方向。方向E、V和H是相对于在其它方法中制成的多孔聚合物的任意标号。对于挤出的多孔聚合物，优选地，值CV/CT和CH/CT之一或两者为至少0.40，且CE/CT的值低于0.33，因为这可以降低制造成本并可以由单件多孔聚合物制成较大部件。
通过在移动平板和静止平板(各自的尺寸大于样品的压缩表面积)之间在～23℃压缩25～50毫米厚的多孔聚合物样品，分别确定压缩强度值CE/CT、CV/CT和CH/CT。单独在各个正交方向E、V和H上以0.08s-1的应变速率压缩样品，在每种情况下在25％应变(即，将多孔聚合物压缩至其原始厚度的75％)计算多孔聚合物的压缩强度。材料试验系统或Instron压缩机适用于此目的。应变速率是指样品压缩速度(毫米/秒)除以样品的原始厚度(毫米)。为了获得0.08s-1的应变速率，必须与样品厚度相对地调节移动板的速度。通过将载荷传感器在25％应变下记录的瞬态力除以与压缩力垂直的样品的横截面积，计算CE、CV和CH的压缩强度值。CT是CE、CV和CH的总和。
使用标准孔度测量方法，例如ASTM D3576测定孔维度中的各向异性。在各个正交方向E、V和H中测量孔以测定这些方向中的平均尺寸(分别为DE、DV和DH)。计算DE、DV和DH的总和并标为DT。当DE/DT、DV/DT和DH/DT任一比率为至少0.40，优选至少0.44，更优选至少0.45，再优选至少大约0.48，尤其是至少大约0.50，直至大约0.80，优选直至大约0.70，尤其是直至大约0.65时，显示出各向异性。如前所述，在优选的挤出多孔聚合物中，方向E优选为挤出方向，方向V是泡沫挤出后的垂直膨胀方向，方向H是泡沫挤出后的水平膨胀方向。在优选的挤出泡沫中，DV/DT和DH/DT中至少一个的值为至少0.40，且DE/DT的值优选小于0.33。
一般而言，各向异性孔结构与各向异性压缩强度性能很好地相关联，其中最大孔度的方向严格符合最高压缩强度的方向。
表现出这种各向异性的多孔聚合物可以以数种方式制备。
热塑性聚合物可以使用挤出法形成多孔材料，该方法可以进行调整以产生所需各向异性特征。在这些挤出法中，形成熔体并通过模头挤出到具有较低压力的区域。模头合适地含有单个开口，例如狭缝、圆形孔口或狗骨头形开口。熔体通常包括聚合物、发泡剂和任选其它添加剂，例如成核剂、染料、表面活性剂、交联剂等。在离开模头后，熔体膨胀，通常在与挤出方向正交的垂直和平行方向上膨胀，，并冷却以形成多孔聚合物。
可以以至少两种方式赋予挤出的多孔聚合物各向异性特征。在一种方法中，挤出熔体的膨胀在至少一个方向上受限，同时使孔在至少一个正交方向上自由膨胀。这趋于产生细长孔和在孔的细长维度方向上具有其最高压缩强度的多孔聚合物。孔膨胀可以如下在任何特定方向上受限：加入防止熔体在该方向上充分膨胀的物理屏障，同时允许在正交方向上自由或几乎自由膨胀。通常，该方法适用于制造在垂直或水平方向(与挤出方向正交)上伸长的孔。最优选使用该方法制造在垂直方向上伸长的孔。
另一在挤出的多孔聚合物中引入各向异性特征的方法是允许挤出熔体不受限制地膨胀，随后拉伸或压缩所得多孔聚合物以在特定方向上拉长或缩短孔。在连续挤出生产线上，这可以通过在聚合物仍然略微柔软的同时以略高或略低于挤出速率的速度将泡沫拉出生产线来实现，从而分别产生在挤出方向上拉长或压缩的孔。这也可以通过在垂直或水平方向(即，与挤出方向正交)上机械压缩刚膨胀的泡沫来实现。优选制造在挤出方向上压缩的孔。
制造热塑性泡沫的挤出方法是非常公知的。在美国专利3,644,230、4,129,530、4,395,510、4,554,293、4,623,671、4,624,969、4,640,933、5,059,376、5,242,016、5,527,573、5,405,883、5,567,742、6,174,471和6,417,240中描述了具体的这类方法。例如，在GB 1,099,313、WO03/102064A2、US 4,510,268和DE 4408928A1中描述了制造带有细长孔的挤塑多孔聚合物的具体方法。
挤出的泡沫也可以在随后的加工步骤中通过将泡沫加热至其可以成型的温度并在一个方向上压缩和/或拉伸泡沫来进行处理以引入各向异性特征。
也可以在所谓的“珠粒泡沫”法中制造多孔聚合物，其中将含有发泡剂的粒状热塑性树脂粒子加热至使树脂软化并使发泡剂挥发，由此各个粒子膨胀并形成多孔体。在美国专利号3,066,382、3,188,264、3,251,728、4,839,396、4,866,098和4,912,140中描述了这类“珠粒泡沫”及其制造方法。通过在至少一个方向限制膨胀体，同时使其在至少一个正交方向自由或几乎自由膨胀，可以赋予所得多孔聚合物各向异性特征。聚乙烯、聚丙烯、聚苯乙烯和聚苯醚/聚苯乙烯掺合物是特别适合这类泡沫的聚合物。
也可以在反应性发泡法中制造多孔聚合物，其中前体材料在发泡剂存在下反应以形成多孔聚合物。这类聚合物最通常是聚氨酯和聚环氧化物，尤其是如美国专利号5,234,965和6,423,755中所述的结构聚氨酯泡沫。通过在至少一个方向上限制膨胀反应混合物，同时使其在至少一个正交方向上自由或几乎自由膨胀，再赋予这类泡沫各向异性特征。
注射成型法也可用于制造多孔聚合物。
多孔聚合物有利地具有数种使其特别可用于动态冲击用途的附加特征。当泡沫以0.08s-1的应变速率在尺寸大于样品压缩表面积的平板之间压缩时，多孔聚合物有利地表现出在大约10至至少40％应变的应变范围内几乎恒定的压缩应力值。在本文中，“几乎恒定”是指在该应变范围内，比率C/C25(其中C代表特定应变级下的压缩应力，C25代表25％应变下的压缩应力)总是在0.85至1.15的范围内。优选地，多孔聚合物在10至至少50％应变，更优选10至至少60％应变的范围内表现出几乎恒定的压缩应力值。
此外，以至少0.08s-1的应变速率压缩时，多孔聚合物有利地表现出3至10％应变的弹性极限。当压缩超出其弹性极限时，多孔聚合物永久形变，并在压缩力释放时不再能恢复用于压缩多孔聚合物的所有能量。这种弹性极限的存在是显著的，因为没有这种弹性极限的泡沫不会如上所述在宽应变范围内表现出所需应力-应变关系。
在用于头部损伤减缓用途的缓冲元件，例如顶蓬设施(countermeasures)、头盔等等中，如在25～50毫米厚样品上以0.08s-1的应变速率测得的那样，多孔聚合物还有利地在最大强度方向上表现出在25％应变下至少200kPa，优选至少250kPa，更优选至少290kPa直至大约700kPa，尤其是直至大约600kPa的压缩强度。通常选择多孔聚合物的密度以提供所需压缩强度性能。较高密度的多孔聚合物往往表现出较高压缩强度。对于头部损伤减缓用途，多孔聚合物有利地具有不超过2.5磅/立方英尺(40千克/立方米)，优选不超过2.35磅/立方英尺(37.6千克/立方米)的密度。优选地，密度为至少1.5磅/立方英尺(24千克/立方米)。尤其优选的密度为大约1.75至大约2.2磅/立方英尺(28～35.2千克/立方米)。已经发现，具有这些压缩强度和密度的多孔聚合物往往具有如下更充分描述的根据FMVSS 201(U)测得的特别低的HIC(d)值。特别优选用在头部损伤减缓用途中的多孔聚合物在如上所示测试时在最大压缩强度的方向上具有在25％应变下290～600kPa的压缩强度，1.5至2.2磅/立方英尺(24～35.2千克/立方米)的密度，和3～10％应变的弹性极限。
对于联邦汽车安全标准(FMVSS)214、横向冲击新车评定程序(LINCAP)和高速公路安全保险协会骨盆损伤保护减缓用途，例如骨盆垫等，多孔聚合物有利地在最大强度的方向上表现出在25～50毫米厚样品上以0.08s-1的应变速率测得的在25％应变下至少150kPa，优选至少250kPa，直至大约1000kPa，尤其直至大约900kPa的压缩强度。在这些用途中需要这种宽的性能范围以保护模拟第5名(5th)女性、第50名男性和第95名男性(按百等分排列)的宽范围拟人碰撞试验假人。对于这些用途，多孔聚合物有利地具有不超过5磅/立方英尺(80千克/立方米)和优选不超过4.5磅/立方英尺(72千克/立方米)的密度。优选地，密度为至少1.5磅/立方英尺(24千克/立方米)。尤其优选的密度为大约2.1至大约4.0磅/立方英尺(34～64千克/立方米)。这些较硬的多孔聚合物仍然趋于在宽应变范围内表现出如上所述的所需应力-应变曲线。特别优选用在骨盆损伤保护用途中的多孔聚合物在如上所述测试时在最大强度的方向上具有在25％应变下200～900kPa的压缩强度，2.1至4.0磅/立方英尺(34～64千克/立方米)的密度，和3～10％应变的弹性极限。
在胸损伤减缓用途，例如胸腔垫等中，多孔聚合物还有利地在最大强度的方向上表现出如前测得的在25％应变下至少100kPa，优选至少150kPa，直至大约700kPa，优选直至大约500kPa的压缩强度。对于这些用途，多孔聚合物有利地具有不超过3.0磅/立方英尺(48千克/立方米)，优选不超过2.0磅/立方英尺(32千克/立方米)的密度。优选地，密度为至少1.25磅/立方英尺(20千克/立方米)。尤其优选的密度为大约1.5至大约2.0磅/立方英尺(24～32千克/立方米)。这些挠性较高的多孔聚合物仍然趋于在宽应变范围内表现出所需几乎恒定的压缩应力。特别优选用在胸损伤保护用途中的多孔聚合物在如上所述测试时在最大强度的方向上具有在25％应变下150～500kPa的压缩强度，1.5至2.0磅/立方英尺(24～32千克/立方米)的密度，和3～10％应变的弹性极限。
多孔聚合物可以主要为开孔或闭孔的。开孔含量方便地根据ASTM D6226-98测量。具有1～35％，1～20％，1～10％或1～5％的开孔含量的主要闭孔的多孔聚合物是可用的。本发明的令人惊讶的方面在于，如果该材料具有如上所述的各向异性，具有高开孔含量，例如至少35％，40％或50％开孔的多孔聚合物在该用途中良好地发挥作用。这些多孔聚合物的开孔含量可以高至90％或100％。
多孔聚合物进一步有利地表现出在60％应变下测得的至少70％，优选至少80％的压缩效率，在65％应变下测得的至少60％，优选至少75％的压缩效率，在70％应变下测得的至少55％，优选至少70％的压缩效率，和/或在75％应变下测得的至少50％，优选至少65％的压缩效率。用本发明可以在60～65％应变下获得85％或更高的压缩效率。通过以上述方式以0.08s-1的应变速率压缩泡沫并记录瞬时载荷和横梁位移，计算压缩效率。通过将瞬时载荷除以与压缩方向垂直的泡沫样品的原始横截面积，计算瞬时应力。通过将厚度变化除以原始厚度，计算瞬时应变。然后使用下列关系计算压缩效率
Figure C20058003892700151
其中σ代表以mPa为单位的瞬时应力，ε代表以毫米/毫米为单位的s应变，σ最大代表以MPa为单位的所实现的最大应力。
多孔聚合物的孔可以具有大约0.05至大约5.0毫米，尤其是大约0.1至大约3.0毫米的通过ASTM 3756测得的平均尺寸(最大维度)。具有较大平均孔度(尤其是在最大维度上大约0.9至大约3.0毫米，或大约0.9至大约2.0毫米)的多孔聚合物特别有用。已经发现，具有上述范围内的较大孔度的多孔聚合物通常在高应变级下具有更好的压缩效率。这在一些情况下能够在中等取向水平(例如0.40至0.50)下实现优异性质。最小孔维度优选为大约0.03至大约0.75毫米。
构成泡沫的聚合物相的树脂可以是可形成具有上述各向异性的泡沫的任何树脂。对于头部损伤保护、骨盆损伤保护和胸损伤保护用途，该聚合物优选为能够形成具有上述压缩强度、密度和弹性极限特征的泡沫的聚合物。
合适的塑料树脂的例子包含热塑性和热固性树脂。合适的热塑性树脂包括低密度聚乙烯、高密度聚乙烯、线型低密度聚乙烯、基本线型低密度聚乙烯、聚丙烯、乙烯或丙烯与其它可共聚单体(例如丙烯酸、乙酸乙烯酯、甲基丙烯酸、丙烯酸酯或其它α-烯烃)的各种共聚物、聚(链烯基芳族化合物)树脂、一种或多种链烯基芳族单体与烯键式不饱和腈的共聚物、丙烯腈-苯乙烯-丁二烯聚合物、除乙烯和丙烯外的α-烯烃的聚合物、聚酯，例如聚对苯二甲酸乙二酯、聚对苯二甲酸丁二酯等、聚氯乙稀、聚碳酸酯、以及其它热塑性树脂。优选树脂是热塑性树脂，包括极低密度聚乙烯、聚丙烯和聚(链烯基芳族化合物)树脂，例如聚苯乙烯、苯乙烯类共聚物，例如聚苯乙烯-丙烯腈(SAN)树脂等。特别重要的是聚苯乙烯，和苯乙烯与丙烯腈的嵌段或无规共聚物，其含有大约0.1～40wt％，尤其是10～35wt％，更优选15～33wt％的丙烯腈，并具有70,000至大约200,000，尤其是大约80,000至大约190,000的重均分子量。这类的合适苯乙烯-丙烯腈树脂包括含有大约25wt％丙烯腈且Mw为大约150,000，含有大约31wt％丙烯腈且Mw为大约96,000，含有大约28％丙烯腈且Mw为大约100,000，含有大约30wt％丙烯腈且Mw为大约168,000，或含有大约20wt％丙烯腈且Mw为大约173,000的树脂。
合适的热塑性树脂具有使其可以与发泡剂一起熔体加工以形成多孔泡沫结构的分子量。优选的热塑性树脂可以在大约100℃至大约310℃的温度下熔体加工以形成多孔聚合物。优选的热塑性树脂具有高于100℃但低于220℃，尤其是低于160℃的熔化温度。使用关于下列实施例14和15所述的升温老化试验，优选热塑性树脂形成对高达80℃，尤其是高达大约90℃，优选高达大约100℃的温度尺寸稳定的多孔聚合物。
合适的热固性树脂包括聚氨酯、聚环氧化物、聚氨酯-聚异氰脲酸酯、酚醛树脂等。
可以使用两种或两种以上前述材料的掺合物。该树脂可以被冲击改性。
该聚合物可以含有不会不合意地干扰所得泡沫的发泡过程或性质的添加剂。抗氧化剂、色料、填料、染料、滑爽剂、阻燃剂等是常用添加剂。
多孔聚合物通常使用发泡剂形成。合适的发泡剂包括物理和化学发泡剂。物理发泡剂包括气体和在发泡过程的条件下挥发的液体，而化学发泡剂在发泡过程的条件下通过一定的化学方式，通常分解，产生气体。
合适的物理发泡剂包括二氧化碳、氮气、氩气、水等。特别合适的物理发泡剂包括含有1至4个碳原子的卤代烃，例如甲基氯、乙基氯、正丙基氯、异丙基氯、和反式-二氯乙烯；氢氟烃，例如甲基氟、二氟甲烷(HFC-32)、全氟甲烷、乙基氟(HFC-161)、1，1-二氟乙烷(HFC-152a)、1，1，1-三氟乙烷(HFC-143a)、1，1，2，2-四氟乙烷(HFC-134)、1，1，1，2-四氟乙烷(HFC-134a)、五氟乙烷(HFC-125)、全氟乙烷、2，2-二氟丙烷(HFC-272fb)、1，1，1-三氟丙烷(HFC-263fb)、和1，1，1，2，3，3，3-七氟丙烷(HFC-227ea)、1，1，1，3，3-五氟丙烷(HFC-245fa)、和1，1，1，3，3-五氟丁烷(HFC-365mfc)。同样合适的是含有1至9个碳的不饱和或饱和脂族和环状烃，例如甲烷、乙烷、丙烷、正丁烷、异丁烷、正戊烷、异戊烷、环戊烷、己烷、环己烷、庚烷、辛烷、丙烯、1-丁烯、1-戊烯、异戊烷、和2，2-二甲基丁烷；含有1至5个碳的脂族醇，例如甲醇、乙醇、正丙醇和异丙醇；含羰基的化合物，例如丙酮、2-丁酮、和乙醛；含醚的化合物，例如二甲醚、二乙醚、和甲基乙基醚。水有时与其它发泡剂结合使用。
合适的化学发泡剂包括偶氮二酰胺、偶氮二异丁腈、二亚硝基五亚甲基四胺、苯磺酰肼、4，4-羟苯磺酰基氨基脲、对甲苯磺酰基氨基脲、甲苯磺酰基酰肼、偶氮二羧酸钡、N，N’-二甲基-N，N’-二亚硝基对苯二甲酰胺、三肼基三嗪、碳酸氢钠和柠檬酸。
可以使用这些物理和化学发泡剂的混合物。
可以使用成核剂(或孔控制剂)以助于控制孔的尺寸。孔控制剂包括细粒状固体，例如滑石，以及碳酸氢钠与柠檬酸或柠檬酸钠的混合物。
多孔聚合物可以含有或不含阻燃剂套装，这取决于聚合物的性质和用途要求。合适的阻燃剂是脂族或芳族卤化阻燃剂、磷阻燃剂或含氮阻燃剂。可以使用纯净形式或化合物形式的单一阻燃剂或两种或两种以上阻燃剂的组合。阻燃剂也可以与一种或多种阻燃剂增效剂结合使用。
合适的卤化阻燃剂是本领域中公知的，并包括但不限于，六溴环十二烷、三(2，3-二溴丙基)磷酸酯、四溴环辛烷、二溴乙基二溴环己烷、五溴氯环己烷、1，2-二溴-4-(1，2-二溴乙基)环己烷、六溴-2-丁烯、1，1，1，3-四溴壬烷、三(2，3-二溴异丙基)异氰脲酸酯、二溴新戊二醇、三溴新戊醇、四溴化季戊四醇、2，4，6-三溴苯基芳醚、四溴双酚-A(TBBA)、四溴双酚A双(2，3-二溴丙醚)、四溴双酚A-二烯丙基醚、十溴双苯基乙烷、溴化三甲基苯基茚满、六溴二苯醚、八溴二苯醚、十溴二苯醚、十溴二苯基乙烷、1，2-双(三溴苯氧基)乙烷、1，2-双(五溴苯氧基)乙烷、四溴邻苯二甲酸双-2-乙基己基酯、溴化三甲基苯基茚满、三(三溴新戊基)磷酸酯、亚乙基(N，N’)-双-四溴邻苯二甲酰亚胺、四溴邻苯二甲酸酐、六溴苯、溴化茚满、溴化磷酸酯、溴化聚苯乙烯、溴化环氧树脂、和溴化双酚-A与表氯醇的聚合物、和它们的混合物、或具有类似动力的卤化阻燃剂。
磷化合物的例子包括，但不限于，1)磷酸酯，选自磷酸三苯酯、磷酸三丁酯、磷酸三乙酯、磷酸三甲酯、磷酸三丙酯、磷酸三辛酯、甲基磷酸二苯酯、三(2-乙基己基)磷酸酯、二苯基磷酸异癸酯、二苯基磷酸异辛酯、二苯基磷酸双苯酯、间苯二酚二甲苯基磷酸酯、磷酸三二甲苯酯、或三异丙基苯基苯基磷酸酯；2)膦酸酯；3)亚膦酸酯；4)氧化膦；5)膦；6)聚磷酸铵；或7)式R4PX的鏻盐，其中各个R独立地选自取代或未取代、饱和或不饱和、支化或直链脂族部分，或取代或未取代的芳族部分，且X是合适的抗衡离子。
阻燃剂增效剂是增强阻燃剂效力的无机或有机化合物，尤其是卤化阻燃剂。无机阻燃剂增效剂的例子包括，但不限于，金属氧化物(例如氧化铁、氧化锡、氧化锌、三氧化铝、氧化铝、三氧化锑和五氧化锑、氧化铋、三氧化钼、和三氧化钨)、金属氢氧化物(例如三水合铝、氢氧化镁)、石墨和膨胀石墨、硼酸锌、硅酸锑、锡酸锌、羟基锡酸锌、二茂铁和它们的混合物。有机阻燃剂增效剂的例子包括，但不限于二甲基二苯基丁烷(或二枯基)、3，4-二甲基-3，4-二苯基己烷、聚-1，4-二-异丙基苯(或聚枯基)、异氰脲酸、卤化石蜡、磷化合物、和它们的混合物。
方便地制成本发明的缓冲元件的市售聚苯乙烯泡沫包括，例如，
Figure C20058003892700181
FREEZERMATETM聚苯乙烯泡沫；
Figure C20058003892700182
FLOORMATETM聚苯乙烯泡沫、
Figure C20058003892700183
Highload 40、Highload60和Highload 100聚苯乙烯泡沫，均可获自The Dow ChemicalCompany；可获自Owens Corning的FOAMULARTM 250、400、600和1000聚苯乙烯泡沫，可获自Pactiv的GreenGuardTM CM聚苯乙烯泡沫，和可获自BASF Aktiengesellschaft的STYRODURTM 2800C、3035CS、4000CS和5000CS聚苯乙烯泡沫。
本发明的缓冲元件可以使用单段多孔聚合物构成，或由两段或两段以上多孔聚合物的组合件构成。当使用两段或两段以上多孔聚合物时，各段可以具有相同或不同的多孔材料，只要它们符合上述各向异性的标准。优选的缓冲元件是单层多孔材料。本发明的缓冲元件可以包括附加组件，例如刚性支架，或“反应性表面”，泡沫在冲击过程中被压到其上。缓冲元件还可以包括装饰性仪表板或其它美观性或功能性组件。
根据在动态冲击领域中的用途调节本发明的缓冲元件，在该用途中，该元件预计要暴露在会将其压缩至超过其弹性极限的冲击条件下，由此在使元件永久变形的同时耗散能量。这种类型的许多用途是例如汽车、卡车、货车、火车、飞机、直升机、摩托雪橇的交通工具的各种安全管理部件和组装件，其中在碰撞情况下的乘客安全具有利害关系。具体车辆用途包括车辆乘客伤害对策，例如在车辆内部(车厢)中使用的那些。这些用途包括，例如，顶蓬设施、门板及其组件，例如骨盆垫、扶手和胸腔垫、膝挡板、支柱、头枕、座椅靠背、行李箱地板和仪表板。
在许多这些前述用途中，元件被设计成耗散来自某一方向的能量。在这种情况下，多孔聚合物合意地在元件内取向以使其最大压缩强度的方向与预计冲击的方向略微对齐。压缩强度的方向与预计冲击的方向合意地在彼此的45°内，优选在彼此的20°内，更优选在彼此的15°内。
当用在头部损伤减缓用途中时，在作为大约25毫米厚样品，对照带有在不存在任何被动吸能对策的情况下表现出大约1430的HIC(d)值的3”×16”(7.5×41厘米)原型金属片部件(白车身(BIW))的金属片固定装置进行测试时，本发明的缓冲元件合适地表现出根据FMVSS 201U计算出的不大于1000，优选不大于850，更优选不大于800，尤其是不大于750的HIC(d)值。在一些情况下，获得低于700的HIC(d)值。根据FMVSS 201U，对着实验side rail白车身固定装置对该部件进行部件级头部冲击试验。以大约24千米/小时的冲击速度对着元件发动安装在笛卡儿座标体系中的配有三个压阻加速度计的Hybrid III自由运动头模。在加速过程中连续由各个加速度计的读数计算在头模重力中心的加速。根据实验计算HIC(d)
HIC(d)＝0.75446*HIC+166.4
其中HIC是
HIC = [ 1 t 2 - t 1 &CenterDot; &Integral; t 1 t 2 &alpha; R &CenterDot; dt ] 2.5 &CenterDot; ( t 2 - t 1 )
其中aR是在头模的重力中心的所得加速量度，以克为单位，t2和t1是冲击事件中间隔不超过36毫秒的任何两个时间点。
提供下列实施例以阐述本发明但不是用于限制其范围。除非另行指明，所有份数和百分比均按重量计。除非另行指出，用25毫米厚度的标称泡沫和3’×16’(7.5×41厘米)反应表面进行所有头部冲击试验。
具体实施方式
实施例1和2
由密度大约29.5千克/平米的被称作
Figure C20058003892700202
FreezermateTM的市售聚苯乙烯泡沫制备多孔聚合物实施例1。通过从单个模头中挤出可发泡物体，制备该产品。其具有小于5％开孔含量。设计该产品以使其压缩强度在垂直方向(泡沫挤出时膨胀的方向)上最大。对于该产品，CE/CT、CV/CT和CH/CT分别测定为0.198、0.568和0.234，其中E、V和H分别是挤出、垂直和水平方向。
在该产品以0.08s-1的应变速率压缩至60～70％应变时测量压缩应力。在挤出、水平和垂直方向各重复这一操作。结果图示在图1中，数据在每种情况下均通过除以25％应变下的瞬时应力来正规化。参考号1表示在垂直方向(即最高压缩强度的方向)的压缩应力响应。如图1中所示，该方向的压缩应力急剧升高直至大约5％应变的弹性极限，然后保持几乎恒定直至达到60％或更大应变。这对于动态冲击用途是非常合意的响应。在水平和挤出取向(分别用参考号2和3表示)上，压缩应力再急剧升至弹性极限，但随后在样品进一步变形时继续升高。该数据表明，如果垂直方向与预计冲击方向对齐，则这种泡沫在高动态冲击用途中表现良好。
在上述方法中测定多孔聚合物实施例1的压缩效率为在60％应变下大约91％，在65％应变下大约85％，在70％应变下大约77％，和在75％应变下大约67％。
当其垂直方向朝向冲击方向时，多孔聚合物实施例1的样品对照在不存在任何被动吸能对策的情况下表现出1,430的BIW HIC(d)值的原型固定装置，表现出724的HIC(d)值。
多孔聚合物实施例2是由可作为
Figure C20058003892700211
1-1/2”Blue Board购得的聚苯乙烯泡沫boardstock制成的。通过从单个模头中挤出可发泡物体，制备这种产品。其密度为大约25.3千克/平方米。其含有少于5％的开孔。其最高压缩强度位于垂直方向，CV/CT为0.443。
按照与对实施例1所述相同的方式，在以0.08s-1的应变速率压缩至60～70％应变的同时测量多孔聚合物实施例2的压缩应力。结果图示在图1中，数据通过除以25％应变下的压缩应力来正规化。参考号4表示在垂直方向(即最高压缩强度方向)的压缩应力响应。在这种情况下，压缩应力急剧升高直至达到大约5％应变的弹性极限，然后保持几乎恒定直至达到40％应变。在水平取向(由参考号5表示)，压缩应力再急剧升至弹性极限，但随后在样品进一步变形时继续升高。
当其垂直方向朝向冲击方向时，多孔聚合物实施例2的样品对照在不存在任何被动吸能对策的情况下表现出1,430的白车身(BIW)HIC(d)值的原型固定装置，表现出大约753的HIC(d)值。
实施例3
多孔聚合物实施例3是由作为
Figure C20058003892700212
40HL出售的市售聚苯乙烯泡沫制成的。通过从单个模头中挤出可发泡物体，制备这种产品。多孔聚合物实施例3具有大约30.4千克/平方米的密度和小于5％的开孔含量。对于该产品，CE/CT、CV/CT和CH/CT分别测定为0.278、0.447和0.271，其中E、V和H分别是挤出、垂直和水平方向。该产品因此比多孔聚合物实施例1略少取向。其具有比多孔聚合物实施例1或2略大的孔。
如实施例1中所述测量压缩该产品所需的压缩应力。结果图示在图2中，数据在这种情况下不正规化。参考号11表示在垂直方向的压缩应力响应。如图1中所示，该方向上的压缩应力急剧升高直至大约4％应变的弹性极限，然后保持几乎恒定直至达到大约45％应变。在挤出和水平取向(分别由参考号12和13表示)中，压缩应力再急剧升至弹性极限，但随后在样品进一步变形时继续升高。该数据表明，如果垂直方向与预计冲击方向对齐，则该泡沫在动态冲击用途中表现良好。
当该泡沫的垂直方向朝向冲击方向并对照在不存在任何被动吸能对策的情况下表现出1,430的BIW HIC(d)值的原型固定装置测试时，多孔聚合物实施例3的样品表现出720的HIC(d)值。
实施例4-19
由如下表所述的各种取向泡沫制备多孔聚合物实施例4-19和对比例A、B和C。多孔聚合物实施例4-19是通过从单个孔口挤出可发泡物体而制成的全聚苯乙烯泡沫。在三个正交方向(挤出、垂直和水平)评测所有实施例和对比样品的压缩强度，这些值中的最高值与取向一起显示在表中。还如实施例1那样测定密度和HIC(d)，并列在表中，其中HIC(d)值对照在不存在任何被动吸能对策的情况下表现出1,430的BIW HIC(d)值的原型固定装置测量。
Figure C20058003892700221
Figure C20058003892700231
*对比例。1E、V、H分别是指挤出、垂直和水平方向。％是指CE/CT、CV/CT和CH/CT的最大值。
实施例5和对比例A显示了取向的影响。实施例5是适度取向的，具有与对比例A类似的密度和最大压缩强度。但是，其HIC(d)值为839，对比例A为867，这表明尽管具有适度的取向和略低的最大压缩强度，但仍有～3％的改进。
上表中的数据表明最大压缩强度为大约250～700Kpa，尤其是290～600Kpa的多孔聚合物提供最佳HIC(d)值。如实施例17所示，随着最大压缩强度变大，多孔聚合物变得硬得多，且HIC(d)值趋于提高。如实施例4和18所示，以及略微如实施例5所示，较低的最大压缩强度多孔聚合物趋于表现出较低的HIC(d)值。取向被认为使聚合物能够以低密度实现这些最大压缩强度，这从成本和重量的角度看是合意的。密度合意地低于2.5磅/立方英尺(40千克/立方米)，尤其是大约1.75～2.2磅/立方英尺(28～35.2千克/立方米)。如实施例7、8、12和13所示，在多孔聚合物取向至50～65％时，在低多孔聚合物密度下可以实现低HIC(d)值、高的最大压缩强度值。至少50％的取向往往产生非常好的结果。
实施例6和7是显著的，因为这些多孔聚合物在最长方向上具有平均尺寸为大约1毫米的孔。如实施例6中所示，较大孔度似乎在HIC(d)值方面提供益处，即使多孔聚合物仅适度取向。如实施例7中所示，当大约1～2毫米孔度与高于50％的取向结合时，获得极好的HIC(d)值。
实施例14和15令人惊讶地表明，使用具有高开孔比例的多孔聚合物可以获得非常好的HIC(d)值。开孔泡沫的使用在尺寸稳定性方面具有进一步优点。通过将单独的样品加热至85℃和至90℃大约72小时，测试与多孔聚合物实施例15类似的多孔聚合物的尺寸稳定性。通过测量加热之前和之后的高度、宽度和长度，测定尺寸稳定性。这种多孔聚合物表现出在85℃大约1.5％和在90℃大约7.5～9.5％的尺寸变化。具有类似密度的闭孔多孔聚合物通常表现出在85℃下5～10％范围和在90℃下20～30％的尺寸变化。
实施例20
由下列配方制备聚氨酯-聚异氰脲酸酯泡沫：
270-OH#聚醚多元醇    91.9重量份
催化剂               1.0重量份
三聚催化剂           2.5重量份
有机硅氧烷表面活性剂 2.0重量份
水                   2.6重量份
134当量，3.2官能聚合MDI  至209异氰酸酯指数
将聚异氰酸酯以外的所有成分混合，然后加入聚异氰酸酯并混合。将混合物倒入具有3英寸(7.6毫米)内径和12英寸(30.4毫米)长度的垂直取向聚氯乙稀管。该管在内表面上具有蜡脱模涂层。在泡沫固化时使泡沫在管内自由向上升高。在泡沫在室温固化直至其手触干燥之后，将其在60℃炉中固化2小时，冷却并脱模。所得泡沫(多孔聚合物实施例20)具有略微细长的孔，但在性能上相当各向异性，该泡沫的CV/CT为大约0.45。
再测试同样的泡沫样品，这次是在与其表现出最大压缩强度的方向正交的方向上取向。
当泡沫的垂直方向朝向冲击方向并对照在不存在任何被动吸能对策的情况下表现出1,400的BIW HIC(d)值的原型固定装置进行测试时，多孔聚合物实施例20表现出706的HIC(d)值。再使用不同的取向测试时，其在这些条件下表现出仅762的HIC(d)值。
实施例21-23
多孔聚合物实施例21是大约85wt％苯乙烯与15wt％丙烯腈的无规共聚物的挤出泡沫。选择挤出条件以主要制造闭孔，它们在与挤出方向正交的方向伸长。挤出方向上的平均孔度为0.27毫米。多孔聚合物实施例21具有25.0千克/立方米的芯密度。该泡沫的CV/CT为大约77.4。
多孔聚合物实施例22-23是具有如下表所列特征的类似泡沫。在多孔聚合物实施例22-23的25毫米厚样品上测量HIC(d)值，并对照在不存在任何被动吸能对策的情况下表现出1,414的BIW HIC(d)值的原型固定装置进行测试。泡沫在最大压缩强度方向与冲击方向对齐的情况下取向。结果列在下表中。
实施例NO. 密度kg/m<sup>3</sup> 最大压缩强度，kPa 取向％ 最大孔度，毫米 HIC(d)
 21  2.50  481  77.4  0.27  681
 22  25.2  496  76.5  0.22  707
 23  24.9  442  68.8  0.28  708

Claims (14)

1.一种用于车辆的缓冲元件，其中在使用过程中，缓冲元件吸收足以使缓冲元件永久变形的冲击力，该缓冲元件包括密度不超过40kg/m3且通过在挤出方向挤出可发泡树脂混合物的单一连续物体而形成的吸能多孔聚合物，其中多孔聚合物表现出3～10％应变的弹性极限和由CE/CT、CV/CT和CH/CT所示的各向异性，其中CE/CT、CV/CT和CH/CT中至少一项具有0.40至0.80的值，其中CE、CV和CH分别代表在三个正交方向E、V和H上的泡沫压缩强度，且CT代表CE、CV和CH的总和。
2.根据权利要求1所述的缓冲元件，其中CE/CT、CV/CT和CH/CT中至少一项具有至少0.50的值。
3.根据权利要求1所述的缓冲元件，其中方向E代表挤出方向，且CV/CT和CH/CT中至少一项大于CE/CT。
4.根据权利要求3所述的缓冲元件，其中V代表多孔聚合物挤出之后的垂直膨胀方向，且CV/CT为至少0.50。
5.根据权利要求1所述的缓冲元件，其中多孔聚合物具有至少10％的开孔含量。
6.根据权利要求1所述的缓冲元件，其中多孔聚合物具有在最大维度上的平均孔度为0.9～3毫米的孔。
7.根据权利要求2所述的缓冲元件，其中多孔聚合物是聚苯乙烯或者苯乙烯与丙烯腈的共聚物。
8.根据权利要求1所述的缓冲元件，其中多孔聚合物在60％应变下表现出至少80％的压缩效率。
9.根据权利要求1所述的缓冲元件，其中使多孔聚合物取向以使最高压缩强度的方向朝向预计冲击方向。
10.根据权利要求1所述的缓冲元件，其用于汽车顶蓬、门板、膝挡板、支柱、头枕、座椅靠背、行李箱地板或仪表板。
11.根据权利要求1所述的缓冲元件，其是汽车顶蓬设施且其中在25％应变下CE、CV和CH的最大值具有290～600kPa的值。
12.根据权利要求11所述的缓冲元件，其中当根据FMVSS 201U对照在不存在任何被动吸能对策的情况下表现出大约1,430的白车身HIC(d)值的金属片固定装置计算时，多孔聚合物在25毫米标称厚度下表现出小于800的HIC(d)值。
13.根据权利要求1所述的缓冲元件，其是骨盆垫且其中在25％应变下CE、CV和CH的最大值具有150～900kPa的值。
14.根据权利要求1所述的缓冲元件，其用于胸腔垫。
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