CN101678575A - 能量吸收部件 - Google Patents
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Abstract
一种改进的能量吸收部件，其包含与结构元件如金属护栏或车门接触的热塑性多孔聚合物，其中所述多孔聚合物的平均泡孔尺寸至少为约0.75mm，并且CE/CT、CV/CT和CH/CT中的至少一个为约0.25至约0.4，所述CE/CT、CV/CT和CH/CT中的一个的压缩效率在60％应变下至少为70％，CE、CV和CH是所述多孔聚合物在三个正交方向E、V和H中的每一个上的压缩强度，其中这些方向中的一个是所述泡沫中的最大压缩强度的方向，并且CT等于CE、CV与CH的总和。
Description
相关申请的交叉引用
本申请要求于2007年6月4日提交的美国临时专利申请60/933,054的权益。
发明领域
本发明涉及交通工具如汽车中的碰撞能量吸收聚合物泡沫。
发明背景
聚合物泡沫广泛用于各种缓冲应用中。泡沫通常用于柔软和舒适是支配因素的枕垫、座椅、床垫和类似的应用中。泡沫还用于缓冲包装体内的内容物。在包装中，泡沫典型地仅察觉由于包装体冲撞或掉落所造成的适度应变，并且因而典型地仅弹性变形(即，泡沫在变形之后弹回，这典型地小于约10％应变)。包装泡沫还几乎没有(即使有也没多少)关于泡沫尺寸的要求，而是仅仅必须缓冲内容物对抗低冲击。因此，非常普遍的是使用便宜的膨胀聚苯乙烯珠粒泡沫和膨胀纤维素基包装壳(peanut)，即使这些中的每一种容易受到分别归因于温度和湿度的显著变形。
近年来，汽车需要满足日益严格的减轻乘客在碰撞过程中受伤的要求。为了实现这点，汽车结合了用于正面冲撞的主动(active)系统如气囊。更近一些，对侧面碰撞和来自倾翻事故的头部受伤给予了越来越多的关注。这些采用了侧面气囊、可充气幕帘(SABIC公司)，并且还开始采用不仅通过弹性变形还通过非弹性变形(即，被粉碎)来吸收能量的泡沫。
绝大多数用于减轻汽车碰撞的泡沫是闭孔热固性泡沫，比如聚氨酯/聚脲和它们的衍生物。不幸地，这些难以再循环和实现碰撞效率，它们必须是脆的，从而导致它们可能随时间而劣化，例如，由于在汽车中的振动或风化而劣化。
已经采用的其它泡沫趋于是闭孔结晶或半结晶热塑性泡沫，比如膨胀聚丙烯珠粒和聚丙烯聚结泡沫线材，如由US 6,213,540所描述的。这些汽车能量吸收泡沫中的每一种趋于是昂贵的，并且具有比所需更大的对于所吸收的压缩能量的重量。为了碰撞能量的有效吸收，泡沫需要具有由各向异性泡孔造成各向异性强度，如在US 6,213,540和美国专利出版物2006/0148919中描述的。因为这样的取向，这些泡沫需要相对于在泡沫上的预期冲击方向适当地取向，以得到预期的碰撞吸收。
因此，希望提供这样的用于汽车的能量吸收泡沫，其便宜，具有低重量、良好的能量吸收性，并且具有在多个冲击方向上的均匀有效碰撞吸收。
发明概述
我们发现了一种热塑性泡沫，其可以在任意取向上使用，同时仍实现优异的压缩效率，该热塑性泡沫允许在一定的位移上消散更多的能量。在将泡沫的脆性最小化或基本上消除的同时实现了这样令人惊讶且适宜的结果。脆性的最小化或消除允许泡沫不由于例如振动或风化而随时间降解。
本发明是一种能量吸收部件，其包含与结构元件接触的热塑性多孔聚合物，其中所述多孔聚合物的平均泡孔尺寸至少为约0.75mm，并且CE/CT、CV/CT和CH/CT中的至少一个为约0.25至约0.4，所述CE/CT、CV/CT和CH/CT中的一个的压缩效率在60％应变下至少为70％，CE、CV和CH是多孔聚合物在三个正交方向E、V和H中的每一个上的压缩强度，其中这些方向中的一个是泡沫中的最大压缩强度的方向，并且CT等于CE、CV与CH的总和。
发明详述
能量吸收部件
本发明是包含与结构元件接触的热塑性多孔聚合物的能量吸收部件。所述能量吸收部件的结构元件是任何支撑或与多孔聚合物(本文中可互换地称为“泡沫”)一致作用以消散诸如汽车事故的冲击的能量的结构体。结构元件的实例是车门面板、梁、仪表板和顶板；头盔外壳；和护栏。优选地，结构元件是护栏或车道栅栏，包括跑道护栏或栅栏，汽车或卡车的门板、门梁、仪表板或顶板。应当理解，结构元件支撑多孔聚合物并且作为多孔聚合物的背衬，并且不意在暗示所述结构元件是必然是较大设备(例如汽车)的结构元件的组件，尽管它可以是。
能量吸收部件还包含热塑性多孔聚合物。热塑性多孔聚合物可以是半结晶或非晶的。如在本领域通常理解的，非晶表示：(1)缺乏确定的晶体结构；和(2)显示出独特且明确的橡胶态区域。然而，可以存在某些非常小的有序结构，但是由于这样的有序的尺寸，检测这样有序的技术例如无法探测或不是显著不同于非晶材料。例如，有序微区可以具有如此小的尺寸，使得X-射线衍射产生这样的漫散射，从而如果这样的微区存在则它们将具有至多约50至100纳米的尺寸。即使聚合物是非晶的，一小部分也可能显示出某些局部有序，只要不存在良好界定的橡胶态区域即可。示例性地，X-射线衍射图案可能显示高于X-射线技术的噪声的可分辨的小峰。本文中半结晶表示具有确定的熔点且晶体结构大于以上对非晶聚合物所描述的，但是不具有在大于毫米量级的微区。合适的半结晶聚合物的实例包括聚烯烃聚合物如聚乙烯、聚丙烯和它们的共聚物。
聚合物应当理解为表示合成有机聚合物，并且可以是任何合适的热塑性聚合物。示例性的合适非晶聚合物包括聚苯乙烯系和聚苯乙烯系共聚物。聚苯乙烯系表示苯乙烯单体、苯乙烯单体的衍生物(例如取代的苯乙烯)或它们的组合的聚合物。取代的苯乙烯的实例是邻-甲基苯乙烯、间-甲基苯乙烯、对-甲基苯乙烯、2，4-二甲基苯乙烯、2，5-二甲基苯乙烯、对-叔丁基苯乙烯、对-氯苯乙烯。优选地，聚苯乙烯系聚合物是聚苯乙烯。
聚苯乙烯系共聚物表示上述苯乙烯系单体(苯乙烯和苯乙烯单体的衍生物)和不是苯乙烯系单体的共聚单体的共聚物。示例性共聚单体包括：丙烯腈、聚(2，6-二甲基-1，4-亚苯基醚)、丙烯酸甲酯、丙烯酸乙酯或丙烯酸丁酯、甲基丙烯腈、马来酰亚胺、丙烯酸、甲基丙烯酸、马来酸酐、衣康酸酐或它们的组合。共聚单体优选为丙烯腈、马来酸酐或它们的组合。更优选地，共聚单体为丙烯腈。
通常，苯乙烯系共聚物中苯乙烯系单体的量至少为共聚物的约50摩尔％。典型地，共聚单体的量为聚苯乙烯系共聚物的约1摩尔％至50摩尔％。优选地，共聚单体的量为聚苯乙烯系共聚物的至少5摩尔％，更优选至少约10摩尔％，还更优选至少约20摩尔％，并且最优选至少约25摩尔％。
优选的聚苯乙烯系共聚物是苯乙烯-丙烯腈共聚物(SAN)。SAN共聚物可以具有1重量％至50重量％的丙烯腈。优选地，丙烯腈存在的量为SAN共聚物的至少约5重量％，更优选至少10重量％，并且最优选至少约15重量％，至优选至多40重量％，更优选至多约35重量％，并且最优选至多约30重量％。
聚合物可以具有任意有用的重均分子量(Mw)。示例性地，聚苯乙烯系或聚苯乙烯系共聚物的Mw可以为10,000至1,000,000。聚苯乙烯系或聚苯乙烯系共聚物的Mw适宜地小于约200,000，这令人惊讶地提高效率还不对脆性产生有害影响。进一步优选，聚苯乙烯系或聚苯乙烯系共聚物的Mw小于约190,000、180,000、175,000、170,000、165,000、160,000、155,000、150,000、145,000、140,000、135,000、130,000、125,000、120,000、115,000、110,000、105,000、100,000、95,000和90,000。为了清晰，本文中的分子量(MW)以重均分子量的形式报告，除非另外清楚指出。MW可以通过任何如本领域已知的那些合适方法确定。
此外，聚合物还可以含有其它添加剂，只要其仍为热塑性聚合物即可。其它添加剂的实例包括少量的交联剂(例如，二乙烯基苯)、着色剂、UV-防护剂、抗氧化剂、填料、阻燃剂、抗静电剂、泡核作用控制剂等。
能量吸收部件中的聚合物是多孔状的。多孔(泡沫)具有本领域中通常所理解的含义，其中聚合物具有由闭孔或开孔组成的显著低的表观密度。闭孔表示所述泡孔中的气体被形成该泡孔的聚合物壁与另一个泡孔隔离。开孔表示该泡孔中的气体未被这样限制，而能够在不穿过任何聚合物泡壁的情况下流动到大气中。按照惯例，开孔泡沫具有30％以上的根据ASTM方法D6226-05的开孔率。根据相同方法，闭孔泡沫具有小于30％的开孔率。
多孔聚合物的特征在于其在至少一个方向上的令人惊讶的效率，其中CE/CT、CV/CT和CH/CT中的至少一个为0.25至0.4，所述CE/CT、CV/CT和CH/CT中的一个在60％应变下的压缩效率至少为70％，CE、CV和CH是多孔聚合物在三个正交方向E、V和H中的每一个上的压缩强度，其中这些方向中的一个是泡沫中最大压缩强度的方向，并且CT等于CE、CV与CH的总和。
当在三个正交方向E、V和H上评价泡沫的压缩强度时确定压缩强度。这些测量的压缩强度，CE、CV和CH分别与这些压缩强度的总和CT有关，使得CE/CT、CV/CT和CH/CT中的至少一个具有0.25至0.4的值，优选至少两个具有0.25至0.4的值，并且最优选它们中的每一个具有0.25至0.4的值。CE/CT、CV/CT和CH/CT的总和当然总是等于1。对于理想的各向同性多孔聚合物，CE/CT、CV/CT和CH/CT中的每一个等于0.33。因此，如果CE/CT、CV/CT和CH/CT中的任一个超过0.33，则另外两个中的至少一个将具有小于0.33的值。在一个优选实施方案中，这些比率中的每一个具有0.30至0.37的值。
在一个优选实施方案中，泡沫是挤出多孔聚合物，其中方向E是挤出方向，方向V是多孔聚合物在其离开挤出模头之后的垂直膨胀方向，而方向H是多孔聚合物在其离开挤出模头之后的水平膨胀方向。方向E、V和H对于在其它工艺中制造的多孔聚合物是任意指定。当泡沫是挤出多孔聚合物时，将V方向视为具有最大压缩强度的一个方向。
为了实现本发明泡沫的令人惊讶的效率，泡沫具有通过标准方法如ASTM D3576确定的以直径计至少为约0.75mm的平均泡孔尺寸的泡孔。平均泡孔尺寸可以在正交方向E、V和H中的每一个上确定，以确定在这些方向中的每一个上的平均尺寸(分别为DE、DV和DH)。计算DE、DV和DH的总和并且指定DT泡孔(即，平均泡孔尺寸)。平均泡孔尺寸通常为约0.75至约10.0mm。平均泡孔尺寸可以是并且典型适宜地以上升的次序为至少1、1.1、1.2、1.3、1.4和1.5mm至以上升的次序为至多4、3.5、3、2.5和2mm。
以相同的方式，可以与压缩强度一样地确定在E、V和H方向上的直径的比率。同样，将应用于压缩强度比率的相同比率应用于本文中的直径，并且可以利用泡孔形状经由显微镜方法用于迅速确定最大压缩强度的方向。这就是具有与其平行的最大直径的方向，通常对应于具有最大压缩强度的方向。
能量吸收部件的泡沫适宜地是不脆的，并且令人惊讶地，本发明的泡沫可以具有小于25％重量损失的脆性。脆性可以小于20％、15％、10％、9％、8％、7％、6％、5％、4％、3％、2％、1.5％或甚至1％损失材料。脆性可以通过标准方法如ASTM C421-00确定。
泡沫可以完全由开孔组成，或完全由闭孔组成，或由之间的任何组合组成。例如，泡沫可以具有10％、20％、30％、40％、50％、60％、70％、80％和甚至90％开孔。
能量吸收部件中的泡沫还适宜地在提供充分能量吸收的同时具有尽可能低的密度，所述能量吸收典型地是预期的特定冲击的函数。在意在用于头部受伤缓冲应用如头部衬垫对策(headliner countermeasure)、头盔等的冲击吸收部件中，多孔聚合物还有利地显示出如在0.08s-1应变率下对25-50mm厚样品测量的，在25％应变下至少250kPa、优选至少290kPa，至多约700kPa，特别至多约600kPa的压缩强度。对于这些应用，多孔聚合物有利地具有不大于约3.5磅/立方英尺(56kg/m3)、优选不大于约2.5磅/立方英尺(40kg/m3)、更优选不大于约2.35磅/立方英尺(37.6kg/m3)的密度。优选地，密度至少为约1.5磅/立方英尺(24kg/m3)。特别优选的密度为约1.75至约2.2磅/立方英尺(28-35.2kg/m3)。已经发现具有这些压缩强度和密度的多孔聚合物趋于具有特别低的根据FMVSS 201(U)测量的HIC(d)值。当如上所述测试时，特别优选的用于头部受伤缓冲应用中的多孔聚合物具有在25％应变下290-600kPa的压缩强度、1.5至2.2磅/立方英尺(24-35.2kg/m3)的密度，和3-10％应变的弹性极限。
对于骨盆受伤保护缓冲应用，比如骨盆软垫(pelvic bolster)等，多孔聚合物还有利地显示出在0.08s-1应变率下对25-50mm厚样品测量的，在25％应变下至少250kPa、优选至少350kPa，至多约1000kPa、特别至多约900kPa的压缩强度。对于这些应用，多孔聚合物有利地具有不大于5磅/立方英尺(80kg/m3)，并且优选不大于4.5磅/立方英尺(72kg/m3)的密度。优选地，密度至少为2.0磅/立方英尺(32kg/m3)。特别优选的密度为约2.1至约4.0磅/立方英尺(34-64kg/m3)。这些较硬的多孔聚合物趋于在宽的应变范围中显示出所需的几乎恒定的压缩应力。当如上所述测试时，用于骨盆受伤保护应用中的特别优选的多孔聚合物具有在25％应变下300-900kPa的压缩强度、2.1至4.0磅/立方英尺(34-64kg/m3)的密度，和3-10％应变的弹性极限。
在胸部缓冲应用如胸部软垫(thorax bolster)等中，多孔聚合物还有利地显示出在0.08s-1应变率下对25-50mm厚样品测量的，在预期冲击方向上在25％应变下至少为150kPa、优选至少200kPa，至多约700kPa、特别至多约500kPa的压缩强度。对于这些应用，多孔聚合物有利地具有不大于3.0磅/立方英尺(48kg/m3)、优选不大于2.0磅/立方英尺(32kg/m3)的密度。优选地，密度至少为1.25磅/立方英尺(20kg/m3)。特别优选的密度为约1.5至约2.0磅/立方英尺(24-32kg/m3)。这些更柔性的多孔聚合物仍趋于在宽的应变范围中显示出所需的几乎恒定的压缩应力。当如上所述测试时，用于胸部受伤保护应用中的特别优选的多孔聚合物具有在25％应变下150-400kPa的压缩强度、1.5至2.0磅/立方英尺(24-32kg/m3)的密度，和3-10％应变的弹性极限。
多孔聚合物具有在至少一个方向V、E或H上，在60％应变下至少为70％、优选至少75％、更优选至少78％，并且优选至少80％的压缩效率，其中CV、CE或CE/CT为0.25至0.4。同样，优选所述方向具有在65％应变下至少为60％、更优选至少65％、还更优选至少70％和最优选至少75％的压缩效率。85％以上的压缩效率可以用本发明在60-65％应变下得到。优选地，至少两个方向具有上述效率和比率，并且最优选所有三个方向具有上述效率和比率。
压缩效率通过以前述方法在0.08s-1的应变率下压缩泡沫并且记录瞬时负荷和十字头位移来计算。瞬间工程应力通过将瞬时负荷除以泡沫样品垂直于压缩方向的初始横截面积计算。瞬间工程应变通过将厚度的改变除以初始厚度计算。然后使用以下关系计算压缩效率：
其中σ表示瞬时工程应力，典型地以MPa计，ε表示工程应变，并且σmax表示以与瞬时工程应力相同的单位得到的最大工程应力。示例性地，当观看应力在垂直(即y)轴上的工程应力-工程应变曲线时，100％效率曲线表现为矩形而50％效率曲线表现为直角三角形，其中应力线性地建立。这样的矩形曲线由美国专利出版物2006/0148919的图1的曲线1显示。
多孔聚合物的泡孔可以具有约0.75至约10.0mm的平均尺寸，如通过ASTM D-3576-98测量的。泡孔尺寸通常可以以上升的次序至少为0.8、0.9、1、1.1、1.2、1.3、1.4和1.5mm至以上升的次序至多4、3.5、3、2.5和2mm。
与天然热塑性聚合物的玻璃化转变温度相对，泡沫的有效玻璃化温度是能量吸收部件中泡沫的玻璃化转变温度，并且有效玻璃化温度用于考虑例如发泡剂可能对泡沫的聚合物的玻璃化转变温度具有的增塑效应。本发明对于泡沫有效玻璃化转变温度为约75℃至约140℃的热塑性聚合物特别有用。本发明特别有用，因为其允许泡沫具有低玻璃化转变温度，所述泡沫在其它情况下可能在加热时肿胀或膨胀以在较高温度下尺寸稳定。优选地，有效玻璃化转变温度至少为约80℃，更优选至少约85℃，还更优选至少约90℃，并且最优选至少约95℃至优选至多约135℃，更优选至多约130℃，还更优选至多约125℃，并且最优选至多约120℃。
泡沫的有效玻璃化温度可以用方法ASTM D4065-01动态力学性质测定来确定。泡沫的弹性模量和损耗模量用动态热力学分析仪器如由Rheometric Scientific Inc，TA Instruments Group，New Castle，DE制造的Rheometric Scientific RDA III动态力学分析仪或Rheometrix DynamicMechanical Thermal Analyser RSA II来测量。这些模量是温度的函数，并且在特定温度范围快速变化。快速模量变化的区域通常称为转变区域，并且按照标准确定Tg。
能量吸收部件的泡沫总是使用发泡剂形成，并且因而典型地含有一些在泡孔中或溶解于聚合物自身中的残余发泡剂。泡沫可以具有任意合适的发泡剂，比如挥发性脂族烃、氯化烃、氟化烃、氯氟化烃、存在于大气中的气体(例如，氧气、氮气、二氧化碳、氢气、水汽、氦气等)或它们的组合。
挥发性烃的实例包括：乙烷、乙烯、丙烷、丙烯、丁烷、丁烯、异丁烯、戊烷、环戊烷、异戊烷、己烷、庚烷，或它们的混合物。氯化烃、氟化烃和氯氟化烃的实例包括：氯代甲烷、二氯二氟甲烷、八氟环丁烷、氯二氟甲烷、1，2-二氯四氟乙烷、1，1-二氯四氟乙烷、五氟乙烷、2-氯-1，1-二氟乙烷、2-氯-1，1，1-三氟乙烷、1，1，1，2-四氟乙烷、1，1，1-三氟乙烷、1，1，1-三氟丙烷、三氯三氟乙烷、二氟甲烷、2-氯-1，1，1，2-四氟乙烷、2，2-二氟丙烷、乙基氯或它们的混合物。
示例性地，聚苯乙烯系和聚苯乙烯系共聚物典型地采用含氯氟烃作为气体发泡剂。这些趋于增塑聚合物，从而产生较低有效玻璃化转变温度，其可能导致泡沫不能尺寸稳定。这些还趋于由于它们的缓慢扩散速率而形成即使将泡沫长时间陈化之后平均气体压力仍大于1大气压的泡沫。因此，优选的是，至少一种发泡剂或发泡剂混合物中的一种组分具有比空气显著更快的扩散通过泡沫的扩散速率，以促进具有前述平均气体压力的泡沫的形成。在此上下文中，显著更快表示发泡剂的扩散速率比空气的扩散速率快至少约2倍。空气的扩散视为由各自在空气中的存在权重的氧气和氮气的平均扩散速率。优选地，发泡剂的扩散速率比空气的扩散速率快至少约3倍，更优选至少4倍，还更优选至少5倍，并且最优选至少10倍。
因为例如环境担忧，本发明的特别适宜的实施方案是非晶热塑性聚合物为聚苯乙烯系或聚苯乙烯系共聚物并且发泡剂由二氧化碳、水或它们的组合组成。优选地，对于此实施方案，第一发泡剂是二氧化碳。
形成能量吸收部件
能量吸收部件可以通过任何合适的方法如以下那些制备。将热塑性聚合物和发泡剂一起混合。可以使用任何混合聚合物和发泡剂的合适方法，比如本领域中已知的那些。例如，可以将发泡剂注入已在挤出机内被加热的聚合物中，比如在美国专利3,231,524；3,482,006、4,420,448和5,340,844中描述的，或可以典型地在压力下将发泡剂加入聚合物珠粒中，如由美国专利4,485,193和本专利第3列第6-13行引用的美国专利中每一个所描述的。
在将聚合物和发泡剂混合之后，将聚合物和发泡剂成型为某一形状，其可以是最终形状或中间形状，并且可以通过任何合适方法如本领域中已知的那些(例如，挤出膨胀板材和膨胀珠粒泡沫)来完成。例如，当使用挤出时，可以形成泡沫的板材，稍后将其钢丝切割成更复杂的最终形状，或可以将板切割成有用的形状，然后热成型为更需要的最终形状。
这样的本领域中众所周知且例如由美国专利2,899,708；3,334,169；3,484,510；3923,948和4,359,160描述的热成型可以在成型为一定形状的泡沫之后的任何时间完成，但是优选在成型的泡沫实现特定气体压力之后完成。在热成型过程中，闭孔的平均气体压力可以为任何有用压力，但是有利地为较低压力，因为在热成型过程中泡沫的压实可能升高该压力。示例性地，泡沫的气体压力通常适宜地为至多约1个大气压，优选至多约0.95个大气压0.9，更优选至多约0.85并且最优选至多约0.8至至少约0.5。
在一个优选方法中，将挤出的泡沫板材成型，然后将其平面化(planed)以在挤出泡沫板材的表面处建立开孔和/或打孔。优选将泡沫板材的至少顶部和底部均平面化(即，板材的大表面，或例如4’x8’x1”板材的4’x8’表面)。当将板材打孔时，孔眼可以穿过板材的厚度延伸或形成盲孔。可以以与美国专利5,424,016中描述的用于从泡沫板材中释放截留的可燃烃气体(例如，异丁烷和戊烷)相同的方式制造孔眼。
此外，如果需要，可以在高于环境的温度处理泡沫，以实现对于形成部件有用的泡孔气体压力，但是低于泡沫可能变形的温度，这可根据所使用的具体聚合物容易地确定。还可以使泡沫暴露于不同的气氛，例如当将水用作发泡剂时气氛可以是干燥空气。围绕成型泡沫的气氛的压力还可以低于大气压(真空)或在高压下，只要真空或高压不大到使泡沫变形即可。优选地，为了方便，压力为环境压力并且气氛为空气。
泡沫还可以具有附着于泡沫的一部分表面或整个表面的装饰内衬或密封膜。密封膜可以是限制或停止气体进入或离开泡沫的迁移的任何材料。这样的膜可以通过任何合适方法如本领域中已知的那些(例如，溅射、化学蒸气沉积、粘附箔、使用粘合剂或热熔合的膜或片材)涂覆。密封膜的实例包括：金属箔(例如，银、铝、铁基箔如钢箔)和塑料膜如聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)膜、聚酰胺膜或它们的组合。
最后，为了制备能量吸收部件，将泡沫附着于结构部件。当在头盔外壳中或在门板中使用例如可发珠粒泡沫时，可以将经处理的成型泡沫直接发泡，例如进入结构部件的空腔中。空腔可以设计到结构元件中，以促进泡沫的附着。泡沫还可以通过任何合适方法如本领域中已知的那些附着于结构元件，所述方法包括例如机械地(例如紧固件(fastners))或化学地(例如，粘合剂，和当泡沫与结构元件发生接触时将结构部件加热至足以使得泡沫与结构部件熔合的温度，以及通过将溶剂涂覆于泡沫的表面并且使其与结构部件接触而融合)。
以下权利要求，尽管它们可能并不明确地彼此引用，但是本发明预期任何一个权利要求的一个或多个实施方案与任意一个或多个权利要求结合的任意组合。
测试方法
密度：泡沫密度由重量和几何体积确定。
泡孔尺寸：泡沫的泡孔尺寸通过如ASTM D3576-98描述的截线法(lineintercept method)在正交方向E、V和H中的每一个上确定，并且由其确定平均泡孔尺寸。
脆性：脆性使用ASTM C421-00确定。
压缩强度：压缩强度使用配置有50kN载荷传感器和线性可变差动传感器(LVDT)、使用0.08s-1的应变率运行的Materials Test System AllianceRT-50确定矩形泡沫样品。独立为三个正交方向确定压缩强度，其中“E”方向对应于用于通过挤出制造泡沫的挤出方向，“V”对应于泡沫离开挤出模头之后的上升方向(平行于重力)，并且“H”对应于泡沫在其离开挤出模头之后的水平膨胀。根据定义，压缩强度是1)屈服应力或2)在10％应变下的应力中的最大值。
实施例
实施例1
得到为了测试目的以与美国专利5,244,928实施例3中描述的相同方法制备的10”x20”x109”的可商购自陶氏化学公司的STYROFOAM挤出泡沫聚苯乙烯管材锭料。泡沫使用HCFC 142B(1-氯-1，1-二氟乙烷)作为发泡剂制备。采用的烯基芳族聚合物是通过尺寸排除色谱法测量的重均分子量为168,000的聚苯乙烯。如上所述对泡沫进行分析和测试。泡沫的特性和测试结果显示于表1中。
实施例2
得到10.375”x24”x108.125”的可商购自陶氏化学公司的挤出聚苯乙烯花状(floral)和工艺(craft)泡沫锭料。泡沫使用HCFC 142B(1-氯-1，1-二氟乙烷)作为发泡剂并且以与美国专利5,244,928实施例1中描述的相同方法制备。采用的烯基芳族聚合物是通过尺寸排除色谱法测量的重均分子量为168,000的聚苯乙烯。如上所述对泡沫进行分析和测试。泡沫的特性和测试结果显示于表1中。
比较例1
从明尼苏达州米德兰的Lowe’s Home Center，Inc.购买由CellofoamNorth America Incorporated生产的R-7.8 CELLOFOAMTM膨胀聚苯乙烯(EPS)珠粒泡沫的2”X48”X96”板材(商品号15357)。泡沫因为是珠粒泡沫而具有双峰泡孔尺寸，其与通过膨胀而熔合到一起的泡沫的珠粒之间的孔与珠粒自身内的泡孔相关。泡沫中泡孔的泡孔尺寸与此泡沫的其它特性一起报告于表1中。泡沫用戊烷(CAS No.109-66-0)发泡，如在材料安全数据表格(Material Safety Data Sheet)(MSDS)第2部分中所报告的。
比较例2
从明尼苏达州米德兰的Lowe’s Home Center，Inc.购买由明尼苏达州米德兰的陶氏化学公司生产的R-10 STYROFOAM SCOREBOARDTM挤出聚苯乙烯(XPS)护套泡沫(sheathing foam)的2”X48”X96”板材(商品号14541)，并且如上所述进行测试，结果显示于表1中。此泡沫由MW为约168,000的聚苯乙烯制备，并且使用HCFC 142B(1-氯-1，1-二氟乙烷)发泡。
比较例3
如上所述对可得自明尼苏达州米德兰的陶氏化学公司的ETHAFOAMTM 220进行测试，结果显示于表1中。此泡沫是挤出聚苯乙烯泡沫。聚苯乙烯的MW为约137,000，并且使用异丁烷发泡。
比较例4
如上所述对可得自明尼苏达州米德兰的陶氏化学公司的IMPAXXTM300进行测试，结果显示于表1中。此泡沫是挤出聚苯乙烯泡沫。聚苯乙烯的MW为约146,000，并且使用二氧化碳发泡。
比较例5
如上所述对可得自明尼苏达州米德兰的陶氏化学公司的STYROFOAMTM FB-X进行测试，结果显示于表1中。此泡沫是挤出聚苯乙烯泡沫。聚苯乙烯的MW为约146,000，并且使用HFC 134A(1，1，1，2-四氟乙烷)发泡。
比较例6
从在Ford Freestyle的2006型汽车中采用的骨盆减震器(pelvic absorbercountermeasure)得到脆性聚氨酯(PU)泡沫样品。该复杂的3-D成型部件的原始尺寸为约250mm长、200mm宽和60-75mm厚。使用普通带锯从完整部件上准备简化的50mm立方体样品。标注样品以反映合适的取向(即，vert.＝厚度，hor.＝宽度，并且ext.＝长度)，并且如上所述进行测试，平均结果显示在表1中。
表1
检查表1，比较例1，尽管其显示了良好的各向同性压缩强度(R值接近0.33)，其在所有V、E和H方向上的压缩效率均显著小于实施例1，实施例1的两个R值为0.3至0.4，具有在60％应变下大于70％的压缩效率。据信这样改善的各向同性R值的效率主要归因于较大的泡孔尺寸。泡孔尺寸的效果还通过随着泡孔尺寸从实施例1至实施例2增加而提高的效率显示(效率从约75％提高至85％)。还以类似的方式，通过与实施例1和2相同的方法制备的比较例2和4(挤出聚苯乙烯泡沫)具有显著更小的泡孔尺寸，并且没有显示出相同的在多个方向上的适宜压缩效率。
接着检查比较例3，此泡沫虽然具有较大的泡孔尺寸，但是在所有情况下显示低压缩效率，即使当R值超过0.4时。据信这是由于其为半结晶热塑性聚合物。
关于比较例5，尽管此泡沫是挤出聚苯乙烯泡沫并且非常类似于实施例1，但是其没有在0.25至0.4的R值下显示出所需的压缩效率。据信这归因于不同的发泡剂和比较例5的较大各向异性。换言之，似乎当使用氟化烃发泡剂和聚苯乙烯系或聚苯乙烯系共聚物时，与氢-氟-碳(HFC)相比，通常可能适宜使用氢-氟-氯-碳(HCFC)发泡剂。
为了进一步示出本发明，在保持制备的泡沫的密度的同时，制备挤出聚苯乙烯和聚苯乙烯共聚物。
实施例3
根据本发明的方法使用9.5pph(每100重量份的份数)HCFC 142B(1-氯-1，1-二氟乙烷)作为第一发泡剂和3.5pph HCFC 22作为第二发泡剂制备挤出聚苯乙烯泡沫样品。聚苯乙烯使用串联的2 1/2英寸(64mm)单螺杆挤出机、混合机、冷却器和模头，在91kg/h苯乙烯于约128℃的发泡温度挤出。采用的烯基芳族聚合物是通过尺寸排阻色谱法测量的重均分子量为168,000的聚苯乙烯。添加剂为0.8pph的六溴环十二烷(HBCD)、0.05pph的硬脂酸钡、0.05pph的焦磷酸四钠，和0.20pph的线型低密度聚乙烯(LLDPE)。如上所述对泡沫进行分析和测试。泡沫的特性和各个方向上的压缩效率显示于表2中。
实施例4
根据本发明的方法使用2.0pph二氧化碳(CO2)作为第一发泡剂和1.7pph水(H2O)作为第二发泡剂制备挤出聚苯乙烯泡沫样品。使用与实施例3相同的挤出机，但是在102kg/h和约139℃的发泡温度。采用的烯基芳族聚合物是与10重量份的MW为17,250的苯乙烯-丙烯酸(SAA)共聚物共混的90重量份的MW为168,000的聚苯乙烯。SAA共聚物含有分别为约73重量％的苯乙烯和27重量％的丙烯酸。添加剂为0.8pph的六溴环十二烷(HBCD)、0.05pph的硬脂酸钙、0.05pph的焦磷酸四钠，和0.20pph的线型低密度聚乙烯(LLDPE)。如上所述对泡沫进行分析和测试。泡沫的特性和各个方向上的压缩效率显示于表2中。
实施例5
除了将80重量份的聚苯乙烯和20重量份的SAA共聚物共混以外，将与对实施例4描述的相同的程序用于制备此泡沫。特性和各个方向上的压缩效率显示于表2中。
实施例6
根据本发明的方法使用2.0pph二氧化碳(CO2)作为第一发泡剂和1.7pph水(H2O)作为第二发泡剂制备挤出聚苯乙烯泡沫样品。制备的泡沫结构具有所需的大平均泡孔尺寸。使用与实施例3中所述相同的挤出机，而产量为91kg/hr聚苯乙烯且发泡温度为123℃。采用的烯基芳族聚合物是MW为84,100的85重量％苯乙烯-15重量％丙烯腈“SAN”共聚物。添加剂为1.1pph的六溴环十二烷(HBCD)、0.016pph的硬脂酸钡、0.10pph的焦磷酸四钠，和0.20pph的线型低密度聚乙烯(LLDPE)。如上所述对泡沫进行分析和测试。泡沫的特性和各个方向上的压缩效率显示于表2中。
实施例7-11
除了如表2中所示改变SAN共聚物的MW和/或发泡剂以外，使用如对实施例6所述的相同的程序。特性和各个方向上的压缩效率显示于表2中。它们各个的发泡温度为约135℃至139℃。
从表2中，似乎在形成可用于本发明的泡沫时适宜的是具有较低MW聚合物(参见，例如，实施例6、8和10或7、9和11)。使用共聚物的实施例还说明即使在70％应变下在所有方向上的压缩效率也可以大于70％或甚至80％。
以下权利要求，尽管它们可能并不明确地彼此引用，但是本发明预期任何一个权利要求的一个或多个实施方案与任意一个或多个权利要求结合的任意组合。
Claims (33)
1.一种能量吸收部件，其包含与结构元件接触的热塑性多孔聚合物，其中所述多孔聚合物的平均泡孔尺寸至少为约0.75mm，并且CE/CT、CV/CT和CH/CT中的至少一个为约0.25至约0.4，所述CE/CT、CV/CT和CH/CT中的一个具有在60％应变下至少为70％的压缩效率，CE、CV和CH是所述多孔聚合物在三个正交方向E、V和H中的每一个上的压缩强度，其中这些方向中的一个是所述泡沫中的最大压缩强度的方向，并且CT等于CE、CV与CH的总和。
2.根据权利要求1所述的能量吸收部件，其中所述结构元件是头盔外壳、汽车门板、汽车门梁、汽车顶板、汽车仪表板、车道护栏或跑道复合墙。
3.根据权利要求2所述的能量吸收部件，其中所述结构元件是汽车门板、汽车门梁、车道护栏或跑道墙。
4.根据权利要求1所述的能量吸收部件，其中所述热塑性多孔聚合物是聚苯乙烯系聚合物或聚苯乙烯系共聚物。
5.根据权利要求4所述的能量吸收部件，其中所述热塑性多孔聚合物是聚苯乙烯系聚合物。
6.根据权利要求5所述的能量吸收部件，其中所述聚苯乙烯系聚合物是聚苯乙烯。
7.根据权利要求4所述的能量吸收部件，其中所述热塑性多孔聚合物是聚苯乙烯系共聚物。
8.根据权利要求7所述的能量吸收部件，其中所述聚苯乙烯系共聚物是苯乙烯系单体与共聚单体的共聚物，所述共聚单体选自：丙烯腈、聚(2，6-二甲基-1，4-亚苯基醚)、丙烯酸甲酯、甲基丙烯腈、马来酰亚胺、丙烯酸、甲基丙烯酸、马来酸酐、衣康酸酐或它们的组合。
9.根据权利要求8所述的能量吸收部件，其中所述共聚单体是丙烯腈。
10.根据权利要求9所述的能量吸收部件，其中所述丙烯腈以按所述热塑性多孔聚合物的重量计约1％至约35％的量存在。
11.根据权利要求10所述的能量吸收部件，其中所述丙烯腈以至多约20％的量存在。
12.根据权利要求11所述的能量吸收部件，其中所述丙烯腈以至多约15％的量存在。
13.根据权利要求1所述的能量吸收部件，其中所述热塑性多孔聚合物是非晶的，并且含有发泡剂的残留物。
14.根据权利要求13所述的能量吸收部件，其中所述发泡剂是挥发性脂族烃、二氧化碳、水或它们的组合。
15.根据权利要求14所述的能量吸收部件，其中所述发泡剂是乙烷、乙烯、丙烷、丙烯、丁烷、丁烯、异丁烯、戊烷、新戊烷、异戊烷、己烷、庚烷、二氧化碳、水或它们的组合。
16.根据权利要求15所述的能量吸收部件，其中所述发泡剂包含：二氧化碳、水或它们的组合。
17.根据权利要求1所述的能量吸收部件，其中CE/CT、CV/CT和CH/CT中的每一个为0.3至0.4。
18.根据权利要求17所述的能量吸收部件，其中各个CE/CT、CV/CT和CH/CT具有在60％应变下至少为70％的压缩效率。
19.根据权利要求13所述的能量吸收部件，其中所述发泡剂为二氧化碳、水或它们的组合。
20.根据权利要求17所述的能量吸收部件，其中各个具有在60％应变下至少为70％的压缩效率。
21.根据权利要求1所述的能量吸收部件，其中所述压缩效率至少为75％。
22.根据权利要求21所述的能量吸收部件，其中所述压缩效率至少为80％。
23.根据权利要求1所述的能量吸收部件，其中所述热塑性多孔聚合物的所述泡孔的至少约70％是闭孔。
24.根据权利要求23所述的能量吸收部件，其中所述热塑性多孔聚合物的所述泡孔的至少约90％是闭孔。
25.根据权利要求20所述的能量吸收部件，其中所述压缩效率至少为75％。
26.根据权利要求1所述的能量吸收部件，其中CE/CT、CV/CT和CH/CT中的至少两个具有在60％应变下至少为70％的压缩效率。
27.根据权利要求26所述的能量吸收部件，其中所述压缩效率在60％应变下至少为75％。
28.根据权利要求1所述的能量吸收部件，其中所述多孔聚合物的脆性具有至多约10重量％损失物质的脆性。
29.根据权利要求28所述的能量吸收部件，其中所述脆性为至多5重量％损失物质。
30.根据权利要求1所述的能量吸收部件，其中所述热塑性多孔聚合物是非晶热塑性聚合物。
31.根据权利要求1所述的能量吸收部件，其中所述热塑性多孔聚合物是半结晶热塑性聚合物。
32.根据权利要求31所述的能量吸收部件，其中所述半结晶热塑性聚合物是聚烯烃聚合物。
33.根据权利要求32所述的能量吸收部件，其中所述聚烯烃聚合物是聚乙烯、聚丙烯或它们的共聚物。
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