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Die vorliegende Erfindung betrifft Formgedächtnispolymere aufweisende Schutzmittel, insbesondere Handschuhe zur einmaligen Nutzung.
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Besondere Vorteile von Formgedächtnispolymeren bestehen in der Möglichkeit durch die Veränderung der Temperatur, die räumliche Form eines das Polymer aufweisenden Elements oder Artikels zu verändern.
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Als Formgedächtnispolymere werden im allgemeinen Kunststoffe bezeichnet, die sich nach einer Umformung an ihre frühere äußere Form scheinbar ”erinnern” können und insofern ein Formgedächtnis besitzen. Um die frühere Form abzurufen, muss das Formgedächtnispolymer einem Stimulus ausgesetzt werden. Dieser Stimulus kann beispielsweise über Wärmezufuhr, Bestrahlung mit Licht, Änderung des pH-Werts, elektrische oder magnetische Felder, insbesondere Wechselfelder oder hochfrequente Wechselfelder, eine Modifikation der chemischen Umgebung, des pH-Wertes oder Ähnliches gesetzt und die Formänderung ausgelöst werden.
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Ein derartiger Stimulus induziert berührungslos die Rückstellung der Gestalt des ein Formgedächtnispolymer aufweisenden Artikels aus einer temporären in eine ursprüngliche, primäre Ausgangsform.
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Bekannte Anwendungen von Formgedächtnispolymeren in Schutzmitteln oder Schutzartikeln stützen sich auf die Verwendung lediglich einzelner Form- oder Versteifungselemente aus Formgedächtnispolymer. Beispielsweise beschreibt
DE 11 2006 000 538 T5 einen Helm mit einem Innenteil das ein Formgedächtnispolymer umfasst. Die Druckschrift
US 2005/0 087 573 A1 beschreibt einen Schutzhandschuh der federnde Elemente aus Formgedächtnislegierungen oder anderen Materialien mit Formgedächtnis nutzt.
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Hingegen sind keine Schutzartikel, insbesondere Handschuhe, bekannt, die aus einem Material gefertigt sind, das über die vollständige Ausdehnung des Handschuhkörpers eine durchgehende Schicht eines Formgedächtnispolymers aufweist.
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Damit bleiben die besonders vorteilhaften Eigenschaften von Formgedächtnispolymeren für Schutzartikel wie beispielsweise Einmal-Handschuhe ungenutzt.
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Bislang kommen als Einmal-Handschuhe vorwiegend Handschuhe aus Naturlatex und den Kunststoffen Polyvinylchlorid (PVC) und Polyethylen-Copolymeren sowie aus synthetischem Latex (Neopren, Nitrilkautschuk und Tactylon) zum Einsatz. Praxisübliche Einmal-Handschuhe weisen dabei Perforationsraten teilweise im zweistelligen Prozentbereich auf. Latex- und Vinyl-Handschuhe können aufgrund der enthaltenen Stabilisatoren und Weichmacher Allergien auslösen. Hinzu kommt, dass es Nitril- wie PVC-Handschuhen an einer ausreichend hohen Elastizität im Bereich der Stulpe mangelt, wodurch die Handschuhe einen losen Sitz aufweisen können.
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Die Druckschrift
US 2009/0 320 177 A1 beschreibt Bekleidung mit sicherem Halt und Komfort, der durch einen Bereich erhöhter Reibung oder vorgegebener Form gewährleistet wird. Die Bekleidung besteht teilweise aus einem Formgedächtnispolymer.
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Die Druckschrift
DE 43 36 525 A1 beschreibt ein Herstellungsverfahren für dünnwandige elastische Gegenstände, wie chirurgische Handschuhe, durch Abdampfen des organischen Lösungsmittels aus einer auf Formkörper aufgebrachten Polymerlösung.
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Vor diesem Hintergrund wird ein Handschuh vorgeschlagen, umfassend zumindest eine durchgehende Schicht zumindest eines Formgedächtnispolymers, wobei sich die vollständig geschlossene Schicht über die gesamte als Barriere wirkende Oberfläche des Handschuhkörpers erstreckt. Gemäß Anspruch 1 umfasst der vorgeschlagene Handschuh einen schaltbaren Handschuhkörper, der in einem ersten Zustand ein im Wesentlichen handförmiges erstes Innenvolumen umgibt und in einem zweiten Zustand ein im Wesentlichen handförmiges zweites Innenvolumen umgibt, das kleiner als das erste Innenvolumen ist, wobei der Handschuhkörper aus einem Formgedächtnispolymer besteht, wobei in einem ersten Schaltzustand des Formgedächtnispolymers der Handschuhkörper den ersten Zustand einnimmt und in einem zweiten Schaltzustand des Formgedächtnispolymers der Handschuhkörper den zweiten Zustand einnimmt.
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Weiterhin wird ein Verfahren zur Herstellung eines Handschuhs vorgeschlagen, umfassend die Schritte: Beschichten einer Form mit einer Lösung zumindest eines Formgedächtnispolymers durch das Abdampfen des Lösungsmittels aus auf die Form aufgebrachter Lösung zumindest eines Formgedächtnispolymers und das abschließende Trennen der Form von der Formgedächtnispolymer-Abformung.
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Weiterhin wird eine Vorrichtung mit einer Halterung vorgeschlagen. Die Halterung ist so angepasst, dass zumindest ein Stapel ineinander steckender Handschuhe gemäß einem der Ansprüche 1 bis 8 gehalten wird. Die Halterung gestattet weiterhin die Einzelentnahme von Schutzhandschuhen aus einem Stapel zumindest teilweise ineinander steckender Handschuhe annähernd gleicher Größe und Form. Ein besonderer Vorteil dieser Vorrichtung mit der Halterung besteht darin, die staubfreie und/oder keimarme Lagerung von staubfrei und/oder keimfrei und/oder keimarm gemachten Handschuhe zu gestatten und weiterhin die Entnahme einzelner Handschuhe ohne die Kontamination der Außenseite des jeweils entnommenen Handschuhs zu erlauben.
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Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen, Einzelheiten und Merkmale der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen, der hier gegebenen Beschreibung, den angeführten Ausführungsbeispielen sowie den beigefügten Figuren.
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Passgenaue adaptive Einmalhandschuhe können zum Schutz des Trägers vor Kontamination oder Infektion, beispielsweise beim Umgang mit potentiell gefährlichem oder infektiösem Material, verwendet werden. Ebenso kann bei Verwendung entsprechender Handschuhe ein Produkt vor Verunreinigungen bei seiner Manipulation geschützt werden. Weiterhin können Handschuhe vor Verletzungen durch scharfe Kanten oder Grate oder allgemein vor Verunreinigungen schützen.
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Die jeweils erreichbare Schutzwirkung beruht auf den Barriere-Eigenschaften des verwendeten Materials das den direkten Hautkontakt mit der Außenwelt zumindest über eine gewisse Zeitdauer unterbindet.
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Mögliche Einsatzgebiete von Schutzhandschuhen betreffen daher entsprechend viele Bereiche, beispielsweise die Lebensmittelindustrie und -verarbeitung, die chemische Industrie, Feinmechanik- und Optik, Laboratorien in der Forschung und Produktion, insbesondere Rein- und Steril-Räume, Anwendungen in der Human- und Veterinärmedizin, im Haushalt, in Kosmetiksalons, bei Personenkontrollen oder im Katastrophenschutz, Anwendungen in der Landwirtschaft oder der Bauindustrie.
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Gemäß einer oder mehrerer Ausführungsformen kann ein adaptiver Einmalhandschuh aus einer durchgehenden Schicht eines Formgedächtnispolymersgefertigt sein. Damit ist zumindest eine Oberfläche, die Innen-Seite oder die Außen-Seite eines Schutzhandschuhs oder eines bis über den Ellenbogen reichenden Schutzhandschuhs – vollständig vom Formgedächtnispolymer bedeckt oder wird von diesem gebildet. Somit liegt das Formgedächtnispolymer in einer geschlossenen Schicht vor und kann so die Funktion einer Barriereschicht erfüllen.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform wird die vom Formgedächtnispolymer gebildete durchgängige Schicht partiell oder vollständig durch weitere Materialien verstärkt, wobei diese weiteren Materialien kein Formgedächtnis aufweisen müssen. Beispielsweise werden dazu Textilien wie Gespinste, Gewebe oder Vliese, sowie Folien oder Filme verwendet.
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Besagte Hilfsmaterialien umfassen Naturfasern wie beispielsweise Baumwolle, aber auch jegliche synthetischen Fasermaterialien. Nach einer weiteren Ausführungsform werden Mischungen loser Fasern, locker verknüpfte oder verklebte Fasern und Flocken als Hilfsmaterial verwendet.
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Gemäß einer oder weiterer Ausführungsformen werden lose Pulver und andere, allgemein als Füllstoffe bekannte Materialien verwendet. Beispielsweise werden mikroskalige und nanoskalige Partikeln aus organischen und/oder anorganischen und/oder Komposit-Materialien oder Gemische solcher als Hilfsmaterial dem Formgedächtnispolymer zugesetzt.
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Ein Vorteil des Einsatzes von Hilfsmaterialien geeigneter Form, Struktur und stofflicher Zusammensetzung besteht darin, die Eigenschaften des Formgedächtnispolymers gezielt einzustellen und an die jeweilige Anwendung anzupassen.
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Insbesondere mechanische Eigenschaften, wie beispielsweise die Elastizität, Riss- und Schnittfestigkeit; oder das Schaltverhalten, wie beispielsweise das Ansprechverhalten gegenüber äußeren elektromagnetischen Feldern, magnetischen Wechselfeldern, hochfrequenten Wechselfeldern, IR-Strahlung, UV-Strahlung oder Änderungen der Umgebungstemperatur, werden durch die gezielte Auswahl der verwendeten Hilfsmaterialien geändert, modifiziert, oder der jeweiligen. Anwendung angepasst.
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Neben der Art des Hilfsmaterials kann auch die gezielte Anordnung des Hilfsmaterials bzw. einer Schicht des Hilfsmaterials bezogen auf eine Oberfläche des jeweiligen Schutzartikels zur Steuerung der Eigenschaften des Schutzartikels mit Barriere-Wirkung genutzt werden.
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Gemäß einer oder mehrerer Ausführungsformen durchdringt die durchgängige Schicht des Formgedächtnispolymers die jeweiligen Hilfsmaterialien teilweise oder ganz oder wird von jenen höchstens teilweise durchdrungen. In jedem Falle bleibt eine vollständig geschlossene Barriereschicht des Formgedächtnispolymers über die gesamte Ausdehnung der Barriere-Fläche des Händschuhs erhalten, auch wenn andere Materialien oder Strukturen einseitig in die betreffende Oberfläche der Barriereschicht des Formgedächtnispolymeren hineinragen.
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Die Formgedächtnispolymer-Barriereschicht ist nicht geschäumt oder etwa nach Art eines Schwammes porös. Die Barriere-Eigenschaften der zur Barrierewirkung des Handschuhs beitragenden oder diese alleinig bestimmenden Formgedächtnispoylmerschicht würden durch eine offenporige oder einegeschlossenporige oder eine geschäumte Struktur beeinträchtigt.
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Nach einer weiteren Ausführungsform liegt die durchgängige Schicht des Formgedächtnispolymers einer Schicht des Hilfsmaterials zumindest auf einer Seite vollständig auf oder sie umhüllt das Hilfsmaterial oder dessen Schicht vollständig oder sie bildet ein Komposit mit dem Hilfsmaterial.
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Nach einer bevorzugten Ausführungsform ist das Formgedächtnispolymer vollständig am Hilfsmaterial verankert oder chemisch mit diesem verbunden. Für die Bindung zwischen Formgedächtnispolymer und Hilfsmaterial kommen sowohl kovalente chemische Bindungen als auch elektrostatische Wechselwirkungen in Betracht, ebenso aber auch andere oder deren Kombinationen.
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Der sich daraus ergebende Vorteil besteht in der Bereitstellung eines Schutzartikels, beispielsweise eines Handschuhs, der sich durch eine verbesserte Stabilität, beispielsweise Durchstichfestigkeit und Barriere-Wirkung durch die Barriere-Eigenschaften des Formgedächtnispolymers auszeichnet.
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Nach einer oder mehreren Ausführungsformen ist vorgesehen, das Formgedächtnispolymer in einer durchgängigen Barriereschicht anzuordnen, die in ihrem Inneren ein Hilfsmaterial enthält. Das Hilfsmaterial ist dabei – bezogen auf die Oberfläche der Formgedächtnispolymerschicht – gleichmäßig verteilt. Alternativ ist es nur in einzelnen Arealen der durchgängigen Schicht angeordnet.
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Nach einer weiteren Ausführungsform ist es vorgesehen, einen abgestuften oder allmählichen Verlauf des Gehalts an Hilfsstoff bezogen auf die Fläche der durchgängigen Schicht des Formgedächtnispolymers bereitzustellen.
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Vorteile einer abgestuften oder graduellen Verteilung des Hilfsmaterials bezogen auf die Fläche der das Formgedächtnispolymer aufweisenden Schicht bestehen beispielsweise in einem lokal veränderten Schaltverhalten des Formgedächtnispolymers.
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Beispielsweise können einzelne Bereiche eines Schutzhandschuhs ein beschleunigtes Rückstellverhalten in die primäre Form aufweisen. Das wird beispielsweise genutzt, um die Entnahme eines Handschuhs aus einem geordneten Stapel einer Vielzahl ineinander platzierter Handschuhe zu erleichtern, indem beispielsweise zunächst bevorzugt Bereiche der Fingerline schrumpfen. Der Handschuh wird dann durch Rückziehen der eingeführten Hand aus dem geordneten Stapel entnommen.
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Das weitere Rückstellen bzw. Schrumpfen des übrigen Teils des Schutzhandschuhs erfolgt dann im Wesentlichen über ein externes elektromagnetisches Feld das im Formgedächtnispolymeren Wärme erzeugt oder durch die direkte Wärmezufuhr von außen oder durch einen andersartigen Stimulus.
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Im Falle der Verwendung elektroaktiver Formgedächtnispolymere kann eine Formänderung durch zumindest kurzzeitigen Stromfluss induziert werden.
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Damit wird erreicht, dass der Handschuh, insbesondere an seiner Stulpe, dichtend am Handgelenk oder am Unterarm des Trägers anliegt. Daraus ergibt sich eine größere Zuverlässigkeit und gesteigerte Schutzwirkung des Handschuhs.
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Eine beidseitig geschlossene Formgedächtnispolymer-Schicht kann beispielsweise in ihrem Inneren eine Schicht des Hilfsmaterials in Gestalt eines lockeren Vlieses oder eines gleichmäßig verteilten Füllmaterials beinhalten. Das den jeweiligen Schutzartikel ausbildende Material, beispielsweise der Handschuhkörper, weist damit eine dreischichtige Struktur auf. Genauso aber kann das den Schutzartikel formende Material eine zweischichtige und/oder eine einschichtige Struktur und/oder mehr als drei Schichten aufweisen.
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Gemäß einem oder mehrerer Ausführungsbeispiele kann das Formgedächtnispolymer als Formgedächtnispolymer-Komposit ausgebildet sein. In diesem Zusammenhang wird darauf hingewiesen, dass die Begriffe Formgedächtnispolymer und Formgedächtnispolymer-Komposit hier austauschbar verwendet werden. Mit anderen Worten kann anstelle eines Formgedächtnispolymers auch ein entsprechend geeignetes Formgedächtnispolymer-Komposit oder umgekehrt verwendet werden. Als Formgedächtnispolymer-Komposite werden Materialien bezeichnet, bei denen ein oder mehrere Füllstoffe in die Formgedächtnispolymer-Matrix eingebettet sind.
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Bevorzugte Ausführungsformen der Schutzartikel weisen eine geschlossene Barriereschicht zumindest eines Formgedächtnispolymers auf. Zusätzlich kann diese Barriere mit einer weiteren Polymerschicht bedeckt sein. Bei entsprechender Wahl der chemischen Struktur sowie physikochemischen Charakteristika dieser zweiten Polymerschicht in Hinsicht auf Beständigkeit und Quellverhalten und ihrer Anordnung an der Innen- oder an der Außenseite der durchgängigen Schicht des Formgedächtnispolymers wird beispielsweise die Griffigkeit oder der Tragekomfort bzw. die chemische Beständigkeit des Schutzartikels vorteilhaft beeinflusst.
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Beispielsweise kann durch die chemische Verankerung einer quellfähigen Schicht Hautschweiss aufgenommen und so der Tragekomfort verbessert werden.
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Gemäß einer oder mehrerer Ausführungsformen erfüllt das Hilfsmaterial die Funktion einer mechanischen Verstärkung oder Versteifung.
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Weiterhin kann das Hilfsmaterial zur vollständigen oder lokalen, dauerhaften oder auch nur zeitlich begrenzten Modifikation des Schaltverhaltens der Formgedächtnispolymer-Schicht Verwendung finden.
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Als Füllstoffe zur Steuerung des Schaltverhaltens kommen beispielsweise in Betracht: magnetische Nanoteilchen, ferromagnetische Partikel, insbesondere NiZn-Partikel, Eisenoxidpartikel, Magnetitpartikel, einen Nanoclay umfassend Siliziumnitrid, Siliziumcarbid, Siliziumoxid, Zirkonoxid und/oder Aluminiumoxid, oligomere Silsesquioxane, Graphit-Partikel, Graphene, Kohlenstoffnanoröhrchen, Kunstfasern, insbesondere Kohlenstoffasern, Glasfasern oder Kevlarfasern, Metallpartikel, thermochrome Materialien, insbesondere Rutil, Zinkoxid, 9,9'-Bixanthyliden, 10,10'-Bianthronyliden oder Bis-diethylammonium-tetrachloro-cuprat(II), und Kombinationen der genannten Füllmaterialien.
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Genauso können auch Kombinationen solcher Füllmaterialien verwendet werden. Die Füllstoffe sind geeignet, um die mechanischen, elektrischen, magnetischen und/oder optischen Eigenschaften eines Formgedächtnispolymers einzustellen und dem jeweiligen Anwendungszweck des Schutzartikels anzupassen.
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Für den Einsatz für die beschriebenen Anwendungen eignen sich demnach neben dem beschriebenen thermo-sensitiven Formgedächtnispolymer auch lichtgeschaltete, insbesondere UV-geschaltete, magnetosensitive oder elektroaktive Formgedächtnispolymere. Optisch steuerbare Formgedächtnispolymere sind z. B. Butylacrylate, die an ihren Seitenketten über Zimtsäure-Gruppen unter UV-Licht einer bestimmten Wellenlänge vernetzen und die Bindung bei Bestrahlung mit einer anderen Wellenlänge wieder lösen.
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Magnetisch steuerbare Formgedächtnispolymere können durch Einarbeitung fein verteilter magnetischer Nanoteilchen aus z. B. Eisenoxid in den Kunststoff synthetisiert werden. Solche Materialien sind in der Lage, die Energie eines magnetischen Feldes in Wärme umzuwandeln, so dass der Formgedächtnis-Effekt in programmierten Formgedächtnispolymeren ausgelöst wird. Über den Anteil an Nanoteilchen und die Stärke des Magnetfeldes kann eine bei der gegebenen Exposition erreichte Temperatur im Polymer gezielt eingestellt werden.
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Als elektroaktive Polymere können z. B. Formgedächtnispolymer-Komposite mit Kohlenstoffnanoröhrchen eingesetzt werden.
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Somit ergeben sich über die Wahl der Hilfs- und Füllstoffe verschiedene Möglichkeiten, den Formgedächtniseffekt des Schutzartikels auszulösen.
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Gemäß besonders bevorzugten Ausführungsformen ist die durchgängige Schicht des Formgedächtnispolymers auf einer Seite der Oberfläche des Schutzartikels vollständig geschlossen und undurchlässig für Flüssigkeiten und/oder Gase. Daraus ergibt sich die zuverlässige Barriere-Wirkung der Hülle des den Schutzartikel ausbildenden Materials gegenüber hautreizenden, aggressiven, toxischen oder infektiösen Materialien und Medien.
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Unabhängig davon, kann zumindest eine Oberfläche der Formgedächtnispolymer-Schicht eine besonders gestaltete Feinstruktur aufweisen.
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Eine Formgedächtnispolymer-Schicht des hier beschriebenen Schutzartikels kann während des Gebrauchs unmittelbar in Kontakt kommen mit dem Träger, beispielsweise der Hand des Trägers, oder mit dem äußeren potentiell gefährlichem Medium und/oder Objekt und/oder Mikroorganismus und/oder Organismus.
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Ebenso kann Kontakt mit einem potentiell durch Kontamination seitens des Trägers gefährdeten Medium und/oder Objekt und/oder Organismus bestehen. In jedem Fall erfüllt die geschlossene Schicht des Formgedächtnispolymers die Funktion einer zuverlässigen Barriere zwischen dem Träger des Schutzartikels und äußeren Medien, Lösungen, Dispersionen, Objekten, lebenden oder toten Organismen, Mikroorganismen, oder Teilen und/oder Bestandteilen solcher.
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Zumindest eine Kontakt-Oberfläche des Formgedächtnispolymers kann Furchen und/oder Rippen und/oder Gräben und/oder Dellen und/oder Grübchen und/oder Noppen aufweisen.
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Nach einer oder mehreren bevorzugten Ausführungsformen weist die durchgängige Formgedächtnispolymer-Schicht beispielsweise einseitig Areale mit Furchen, Rippen, Gräben oder Grübchen auf. Das führt zur Vergrößerung der Innenoberfläche des Handschuhs.
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An der sich ergebenden Innenoberfläche kann sich der Handschweiß des Handschuhträgers sammeln. Die strukturierte Fläche sichert damit einen höheren Tragekomfort.
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Bevorzugt weist die äußere Seite des Handschuhs Strukturen auf, die ausgewählt sind unter: Furchen, Rippen, Wellen, Gräben, Dellen, Stollen, Grübchen, Noppen, Häkchen, Schlaufen, Borsten. Das verbessert die Griffsicherheit und erschließt Anwendungsmöglichkeiten in der mikrotechnischen und Reinraum-gebundenen Produktion.
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Nach einer oder mehreren Ausführungsformen ist es vorgesehen, die Materialstärke über die Oberfläche des Schutzartikels mit Barriere-Wirkung der jeweiligen Anwendung anzupassen.
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So kann beispielsweise ein Handschuh an bestimmten Arealen eine verringerte oder eine erhöhte Materialstärke aufweisen. Derartige Areale können beispielsweise der Position der Fingerkuppen der Hand des Trägers entsprechen.
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Schutzhandschuhe, die vor Infektion oder Ansteckung schützen oder Handschuhe die für Anwendungen in der mikrotechnischen Produktion bestimmt sind, ermöglichen durch eine verringerte Materialstärke über den Fingerkuppen des Trägen eine verbesserte Wahrnehmung taktiler Reize.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform wird durch eine lokale Verstärkung die mechanische Belastbarkeit am entsprechenden Abschnitt der Oberfläche verbessert.
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Anhand der beigefügten Zeichnungen werden nun beispielhafte Ausführungsbeispiele erläutert.
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Dabei zeigt:
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1 das zeitabhängige Rückstellverhalten einer Materialprobe eines Formgedächtnispolymeren aus Poly(ester urethan) der Bayer MaterialSciences AG;
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2 eine schematische Ansicht der gemäß der vorliegenden Erfindung genutzten permanenten und temporären Handschuhform;
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3 Tauchformen (Form 1) zur Fertigung eines Paars Schutzhandschuhe;
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4 das durch die insgesamt konische Form ermöglichte Ineinander-Stapeln programmierter Formgedächtnispolymer-Handschuhe.
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Die Verwendung von Formgedächtnispolymeren zur Ausbildung von Schutzartikeln erschließt die Vorteile bekannter Formgedächtnispolymere, die einen thermisch induzierten Formgedächtniseffekt aufweisen. Das bedeutet, dass bei Erwärmung programmierter Polymermaterialien über eine definierte Übergangstemperatur eine durch Entropieelastizität bedingte Rückverformung stattfindet.
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Formgedächtnispolymere sind Polymere, bei denen chemische (kovalente) oder physikalische (nicht kovalente) Vernetzungsstellen zwischen unterschiedlichen Abschnitten der Polymerketten die permanente oder primäre Ausgangsform bestimmen. Beispiele dafür sind Block-Copolymere, insbesondere sogenannte phasensegregierte, lineare Block-Copolymere, die aus ”Hart-” und ”Weich-”Segmenten aufgebaut sind.
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Das Rückstellverhalten eines bevorzugten Formgedächtnispolymers ist in
1 gezeigt. Dabei handelt es sich um ein Filament von Poly(ester urethan)-Entwicklungsprodukt der Bayer MaterialSciences AG (Basis Adipatester, MDI) wie in
EP 571830 beschrieben, das gemäß der Testvorschrift ISO 527-2 in einer Klemmvorrichtung auf einem Probeschlitten eingespannt ist. Aus der Analyse von Video-Einzelaufnahmen ergibt sich der Zeitpunkt der vollständigen Rückstellung auf die permanente Form bei Temperaturänderung (von Raumtemperatur auf 60°C im Wasserbad) nach Ablauf von 3,3 s.
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Die Umsetzung des Prinzips der thermisch induzierten Rückstellung eines Formgedächtnispolymers einer temporären Form in eine Ausgangsform auf Handschuhe, insbesondere auf Einmalhandschuhe ist in 2 gezeigt. Der Übergang zwischen einer programmierten oder aufgeprägten temporären und einer dem Artikel ursprünglich verliehenen permanenten Form wird für die hier vorgeschlagenen adaptiven Eimnal-Handschuhe genutzt. Insbesondere zeigt 2 links die permanente, rechts die temporäre Form. Die permanente Form entspricht dem nach dem Schalten des Formgedächtnispolymers erreichten Zustand des Handschuhkörpers. Der temporäre Zustand des Handschuhkörpers (temporäre Form des Handschuhs) geht aus der Aufweitung einer permanenten Form hervor.
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Die temporäre Form ermöglicht ein leichtes Überstreifen des Handschuhs über die Hand des Trägers und die dann weitestgehend berührungslos erfolgende Anpassung durch den Formgedächtniseffekt an die Handform des Trägers. Der Handgelenksdurchmesser d1 des Handschuhkörpers wird durch die Programmierung so groß (d3), dass die breiteste Stelle der Hand (d2, permanente Form) durch den Handgelenksbereich der temporär fixierten, d. h. „programmierten”, Form passt (vgl. d3, temporäre Form).
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Gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel kann das verwendete Formgedächtnispolymer ein thermoplastisches Formgedächtnispolymer sein, insbesondere aus der Gruppe lineare Blockcopolymere, insbesondere Polyurethane und Polyurethane mit ionischen oder mesogenen Komponenten, Blockcopolymere aus Polyethylenterephthalat und Polyethylenoxid, Blockcopolymere aus Polystyrol und Poly(1,4-butadien), ABA Triblock-Copolymere aus Poly-(2-methyl-2-oxazolin) (A-Block) und Polytetrahydrofuran (B-Block), Multiblockcopolymere aus Polyurethanen mit Poly(ε-caprolacton) (PCL)-Schaltsegment, Polyurethansysteme, deren Hartsegmentbildende Phase aus Methylendiphenyldiisocyanat (MDI) oder Toluol-2,4-diisocyanat und einem Diol, insbesondere 1,4-Butandiol, oder einem Diamin und einem Schaltsegment auf der Basis eines Oligoethers, insbesondere Polytetrahydrofuran oder eines Oligoesters, insbesondere Polyethylenadipat, Polypropylenadipat, Polybutylenadipat, Polypentylenadipat oder Polyhexylenadipat besteht, Materialien mit einer Hartsegment-bildenden Phase aus Toluol-2,4-diisocyanat, MDI, Diisocyanaten, die insbesondere aus MDI oder Hexamethylendiisocyanat in Carbodiimid-modifizierter Form und aus Kettenverlängerern, insbesondere Ethylenglycol, Bis(2-hydroxyethyl)hydrochinon oder einer Kombination aus 2,2-Bis(4-hydroxyphenyl)propan und Ethylenoxid aufgebaut sind, deren Schaltsegmentbestimmende Blöcke aus Oligoethern, insbesondere Polyethylenoxid, Polypropylenoxid, Polytetrahydrofuran oder aus einer Kombination aus 2,2-Bis(4-hydroxyphenyl)propan und Propylenoxid, oder aus Oligoestern, insbesondere Polybutylenadipat, bestehen, Materialien aus Polynorbornen, Naturkautschuk (cis-1,4-Polyisopren), trans-1,4-Polyisopren, Graft-Copolymere aus Polyethylen/Nylon-6, Blockcopolymere mit polyedrischen oligomeren Silsesquioxanen (POSS), einschließlich den Kombinationen Polyurethan/POSS, Epoxid/POSS, Polysiloxan/POSS, Polymethylmethacrylat/POSS, silikonbasierte FGPe und Materialien aus Poly(cycloocten)ε-caprolacton, Mischungen verschiedener Formgedächtnispolymere (Blends), insbesondere aus high density Polyethylen (HDPE), Ethylen-1-Octen-Copolymeren und kurzkettigen verzweigten PE, Polyvinylchlorid, Ionomeren der Perfluorsulfonsäure, einschließlich Poly(tertafluorethylen)-basierter Polymere wie dem amorphen Thermoplast NAFION® (DuPont), Polyethylen-Polyvinylazetat-Copolymere, kovalent vernetzte Copolymersysteme aus Stearylacrylat und Ester der Methacrylsäure.
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Weiterhin können Formgedächtnispolymere ausgewählt sein aus der Gruppe bestehend aus: ein Poly(ester urethan), ein chemisch quervernetztes semi-kristallines trans-Polyoctenamer, ein Ethylenoxid-Ethylenterephthalat-Copolymer, ein Poly(ether urethan), Polynorbornen, ein Norbonyl-POSS-Hybrid-Copolymer, ein Copolymer aus Poly(ethylen terephthalat) und Poly(ethylen glykol), ein Polymer aus dem Monomer tert-Butylacrylat und dem Quervernetzer Diethylenglykol diacrylat, ein Copolymer, das aus den Monomeren Methylmethacrylat und Butylmethacrylat aufgebaut und durch Tetraethylen glykol dimethacrylat quervernetzt ist, ein Copolymer, das aus Methylmethacrylat und Poly(ethylen glykol)dimethacrylat aufgebaut ist, eine chemisch quervernetzte Verbindung auf Basis der Monomere Methacrylsäure, Methyl methacrylat und Poly(ethylen glykol), ein Copolymer aus Polyethylen oder isotaktischem Polypropylen und einem Cyclodiolefin, insbesondere Vinylcyclohexen, Cyclopentadien, 1,5-Cyclooctadiene, 2,5-Norbornadien, 5-Vinyl-2-norbornen, Dicyclopentadien oder 5-Ethyliden-2-norbornen, ein quervernetztes Poly(vinyl chlorid), ein quervernetztes Ethylen-vinyl azetat-Copolymer. Multiblockcopolymere basierend auf zwei kristallisierbaren Segmenten, insbesondere Poly(penta decalacton) (PPD) und PCL-Blöcken, und Diisocyanaten, insbesondere 1,6-Diisocyanat-2,2,4-trimethylhexan und 1,6-Diisocyanat-2,4,4-trimethylhexan.
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Gemäß einem Ausführungsbeispiel enthält das Formgedächtnispolymer zumindest ein Polymer, bevorzugt zwei Polymere. Geeignete Polymere umfassen, ohne darauf beschränkt zu sein, segmentierte Blockcopolymere umfassend ein oder mehrere harte Segmente und ein oder mehrere weiche Segmente; polyester-basierte thermoplastische Polyurethane; polyether-basierte Polyurethane; Polyethylenoxid; Poly(ether ester)-Blockcopolymere; Polyamide; Poly(amidester); Poly(etheramid)-Copolymere; Polyvinylalcohol (PVA); Polyvinylpyrolidon (PVP); Polyvinylpyridin; Polyacrylsäure; Polymethacrylsäure; Polyasparaginsäure; Maleinsäureanhydrid-Methylvinylether Copolymere verschiedener Hydrolysegrade; Polyvinylmethylether Copolymere von Polyacrylsäure und Polyacrylestern; und deren Gemische. Bevorzugt enthält die Formgedächtnispolymer-Matrix ein segmentiertes Blockcopolymer umfassend ein oder mehrere harte Segmente und ein oder mehrere weiche Segmente, wobei entweder das weiche Segment, das harte Segment, oder beide funktionelle Gruppen oder Rezeptorbindungsstellen aufweisen, die auf einen externen Stimulus reagieren.
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Weiterhin ist bevorzugt, dass das segmentierte Blockcopolymer ein Elastomer darstellt. Geeignete Formgedächtnispolymere sind verformbare Elastomere zur Anwendung für die vorliegende Erfindung und umfassen, ohne darauf beschränkt zu sein, Polyurethan-Elastomere, Polyether-Elastomere, Poly(ether amid)-Elastomere, Polyether Polyester Elastomere, Elastomere auf der Basis von Polyamid, thermoplastische Polyurethane, Poly(ether-amid)-Block-Copolymere, thermoplastische Kautschuke wie unvernetzte Polyolefine, Styrol-Butadien-Copolymere, Silikonkautschuke, synthetischen Kautschuk wie Nitril-Kautschuk, Butylkautschuk, Ethylen-vinylazetat-Copolymer, Styrolisopren-Ccopolymere, Styrol-ethylen-butylen-Copolymere und deren Mischungen. Einige nicht-elastomere Polymere können ebenso verwendet werden. Diese Polymere bieten einen gewissen Formgedächtniseffekt nachdem sie einem externen Stimulus ausgesetzt waren.
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Beispiele nicht-elastomerer Polymere die für die vorliegende Erfindung nützlich sind umfassen, ohne darauf beschränkt zu sein, Polyethylenoxid, Copolymere der Polymilchsäure, sowie Gemenge, Gemische und Mischungen derselben.
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In einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung enthält die Formgedächnispolymer-Matrix ein Polyurethan. Für die vorliegende Erfindung geeignete Polyurethane umfassen, ohne darauf beschränkt zu sein, aromatische Polyurethane auf der Basis von Polyestern, aliphatische Polyurethane auf der Basis von Polyester, aliphatische und aromatische Polyurethane auf der Basis von Polyethern, sowie Gemenge, Gemische und Mischungen dieser Polyurethane. Solche Polyurethanes können erhalten werden, beispielsweise von Huntsman Polyurethanes (Chicago, III.). Beispiele spezifischer Polyurethane, die gemäß vorliegender Erfindung verwendet werden können umfassen, ohne darauf beschränkt zu sein, MORTHANE® PS370-200, MORTHANE® PS79-200, MORTHANE® PN3429, und MORTHANE® PE90-100. Andere thermoplastische Polyurethane die für die beschriebenen Anwendungen verwendbar sind, können unter dem Handelsnamen ESTANE® Polyurethan von BF Goodrich Performance Materials bezogen werden.
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Gemäß einem weiteren Anwendungsbeispiel der beschriebenen Erfindung umfasst das Formgedächtnispolymer ein Poly(ether amid)-Elastomer. Poly(ether amid)-Elastomere, die für die vorliegende Erfindung verwendet werden können, sind beispielsweise von der Fa. Arkema, Inc. (Philadelphia, PA.) zu beziehen. Beispiele solcher Poly(ether amide)-Elastomere umfassen Elastomere der PEBAX®-Serien, welche, ohne darauf beschränkt zu sein, PEBAX® 2533, PEBAX® 3533, und PEBAX® 4033 umfassen.
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In Poly(ester urethanen) lassen sich Schaltsegmentblöcke u. a. aus Poly(ε-caprolacton)-diolen mit zahlenmittleren Molekulargewichten zwischen 1600 und 8000 aufbauen. Die Schalttemperatur für den Formgedächtniseffekt kann je nach Gewichtsanteil des Schaltsegments (Variation zwischen 50 und 90 Gewichts-%) und Molekulargewicht der Poly(ε-caprolacton)diole zwischen 44 und 55°C variieren. Die Kristallisationstemperaturen liegen zwischen 25 und 30°C.
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Gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel werden polyadipat-basierte Poly(ester urethane) verwendet. Diese Polymere sind gut charakterisiert.
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Sie eigenen sich für die beschriebene Anwendung besonders, da die Schalttemperatur ihrer Weichsegmente in der Nähe der Körpertemperatur (Handtemperatur, etwa 37°C) und die Kristallisationstemperatur deutlich unterhalb der Raumtemperatur << 10°C liegt. Hinzu kommt, dass das Material über ausreichende Formgedächtniseigenschaften (Formrückstellbarkeit, Fixierbarkeit) verfügt und langzeitstabil ist.
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Gemäß einem dritten Ausführungsbeispiel kann das Formgedächtnispolymer ein elastomeres Formgedächtnispolymer, insbesondere aus der Gruppe Polyvinylchlorid, Polyethylen-Polyvinylazetat-Copolymere, kovalent vernetzte Copolymersysteme aus Stearylacrylat und Ester der Methacrylsäure sein.
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Gemäß weiterer Ausführungsformen können zur Fertigung der hier beschriebenen adaptiven Einmalhandschuhe Blockcopolymere bestehend aus trans-Polyisopren und Urethanen verwendet werden. Derartige Formgedächtnispolymere zeigen einen ausgeprägten Formgedächtniseffekt. Ihre Rückstelltemperatur liegt bei 65°C, die Kristallisationstemperatur ist abhängig von der chemischen Zusammensetzung und kann zwischen 0 und 30°C eingestellt werden.
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Gemäß weiterer Ausführungsbeispiele wird die Glasübergangstemperatur (T
g) und damit die Elastizität des Formgedächtnispolymers bei Raumtemperatur über die molare Zusammensetzung der für die Formgedächtnispolymer-Matrix verwendeten Reaktionspartner (Rohmaterialien) eingestellt. Über das Formulierungsverhaltnis der zur Herstellung des jeweiligen Polyurethans verwendeten Polyole und Diisocyanate sowie der gewählten Kettenverlängerer kann ein der jeweiligen Anwendung angepasster Wert eingestellt werden. Beispielhaft sind vierzig Formulierungen für den Erhalt einer Formgedächtnispolymer-Matrix aus verschiedenen Komponenten (Rohmaterialien) in Anlehnung an
US 5,145,935 in der nachfolgenden Tabelle angeführt. Die generelle Formel der 40 synthetischen Polyurethan-Elastomere lautet: HOR''OCONH(RNHCOOR'OCONH')
nRNH-COOR''OCONH(RNHCOOR'OCONH)
mRNHCOOR''OH mit m = 1~16, n = 0~16.
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Weiterhin können durch den Einsatz von Ruß als Füllstoff die Formgedächtnis-Eigenschaften (u. a. die Rückstellrate, -geschwindigkeit und -temperatur) von trans-Polyisopren verändert werden.
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Die benannten Eigenschaften verleihen einem aus trans-Polyisopren und Urethanen gefertigten Handschuh die für adaptive Einmalhandschuhe bevorzugten Eigenschaften.
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Nachfolgend sollen bevorzugte Herstellungsverfahren für Handschuhe gemäß der hier beschriebenen Ausführungsformen beschrieben werden.
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Ein entsprechendes Verfahren umfasst allgemein die Schritte:
- (a) – Beschichten einer Form mit einer Lösung eines Formgedächtnispolymers,
- (b) – Abdampfen des Lösungsmittels aus der auf die Form aufgebrachten Lösung des Formgedächtnispolymers,
- (c) – Trennen von Formgedächtnispolymer-Abformung und Form (Vorlage).
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Das Verfahren der darauf folgenden Programmierung kann weiterhin mindestens drei der nachfolgenden Schritte umfassen:
- (d) – Temperierung eines gemäß der Schritte (a) bis (c) gefertigten Handschuhs auf eine Temperatur oberhalb der Schalttemperatur des Formgedächtnispolymers,
- (e) – Beaufschlagung des Inneren des Handschuhs mit einem Druck oberhalb des Umgebungsdruckes (beispielsweise mittels Druckluft), so das sich die Wandung des Handschuhs zumindest teilweise an die Wandung einer äußeren Form anschmiegt,
- (f) – Abkühlen des Handschuhs auf eine Temperatur unterhalb der Schalttemperatur des Formgedächtnispolymers,
- (g) – Trennen der äußeren Form vom so programmierten Handschuh,
- (h) – Verpackung des Handschuhs.
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In Hinsicht auf die zur Fertigung geeigneter adaptiver Handschuhe bevorzugt vorgenommenen Prozess-Schritte, umfasst ein geeignetes Fertigungsverfahren:
- (1) das Auftragen, beispielsweise durch Tauchen und/oder Sprühen, einer Lösung und/oder Schmelze eines Formgedächtnispolymers auf eine Form (Form 1/Vorlage),
- (2) das Abdampfen des Lösungsmittels der Lösung und/oder Erstarren der Schmelze, sowie
- (3) – gegebenenfalls eine Wiederholung der Schritte (1) und (2), bis die gewünschte Materialstärke erreicht ist. Hier können dann die obigen Schritte, beginnend mit (c) nach Bedarf angeschlossen werden.
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In 3 sind beispielhaft zur Erzeugung einer permanenten Form nutzbare Tauchformen zur Herstellung von paarigen Handschuhen dargestellt. Die Form ist in zwei Teile zerlegbar. Das erleichtert die Entformung. Die Formkörper sind so gestaltet, dass sie weitestgehend der natürlichen Anatomie folgen.
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Durch die Verwendung verschiedener, beispielsweise individuelle Besonderheiten der Durchschnittspopulation berücksichtigender, Größen, können passgenaue adaptive Handschuhe bereitgestellt werden. Die gewählten Größen entsprechen beispielsweise der DIN EN 420. Es können jedoch auch in Bezug zur Handgröße des Trägers Handschuhe in unter- oder überdimensionierten Handformen (Form 1) als Vorlagen genutzt werden oder für die rechte und linke Hand identische Formen verwendet werden.
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Die vorstehend unter den Verfahrensschritten (d), (e), (f), (g), (h) beschriebene Programmierung eines Handschuhs zu einer temporären Form (Gestalt) kann selbstredend auch auf jegliche andere, mittels anderer Verfahren als den unter den Verfahrensschritten (a), (b), (c) benannten Schritte folgen.
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Das Verfahren ist geeignet, auch anderweitig oder sogar kommerziell erhältliche Handschuhe, deren Handschuhkörper ein Formgedächtnispolymer aufweist, zu programmieren und aus deren permanenter Form in eine davon abweichende temporäre Form zu versetzen, die bei Exposition gegenüber dem entsprechenden Stimulus (z. B. Temperatursteigerung), ein Rückstellen und die Adaption an die jeweilige Größe der Hand des Trägers erlaubt.
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In Hinsicht auf die gemäß der bevorzugten Ausführungsformen verwendeten Formgedächtnispolymere konnte für das beschriebene Poly(ester urethan) eine leichte Verarbeitbarkeit festgestellt werden. Das vollständige Lösen in geeigneten Lösungsmitteln wie Tetrahydrofuran und das anschließende Abdampfen des Lösungsmittels von der Oberfläche einer der beabsichtigten Anwendung angepassten kann durch den geringen Dampfdruck des Lösemittels, gegebenenfalls auch durch Abdampfen bei Unterdruck erleichtert werden.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform wurden in 5 ml Tetrahydrofuran 250 mg Poly(ester urethan) gelöst. Die nach dem Abdampfen des Lösungsmittels erhaltenen Filme verfügen gegenüber dem ungelösten (bulk-)Polymermaterial über nahezu unveränderte Formgedächtnis-Eigenschaften.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform wurde eine Probe des Poly(ester urethans) direkt in einem kontrolliert beheizten Raum (Vakuumtrockenschrank) verflüssigt. Die Temperatur der Schmelze betrug 220°C. Zur Vermeidung von Lufteinschlüssen wurde die Polymerschmelze bei einem verminderten Druck von 20 mbar bereitet. Die erhaltene Schmelze wurde dann in eine Gießform (Schablone) gegossen und abgekühlt. Die so erhaltenen Proben weisen gegenüber dem Ausgangsmaterial ebenfalls nahezu unveränderte Formgedächtnis-Eigenschaften auf.
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Darüber hinaus konnte nachgewiesen werden, dass bei der Formrückstellung (während des Auslösens des Formgedächtnis-Effektes) in etwa 75% der ursprünglich zur Verstreckung aufgebrachten Spannung wieder bereitgestellt wird.
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Ein kommerziell verfügbares Formgedächtnispolymer ist Morthane PS 455-203 (Norton International Inc., USA). Hier liegt die Schalt-Weichsegmentschmelztemperatur etwas höher (Tm = 48°C), als beim zuvor verwendeten Poly(ester urethan). Vorteilhaft an Morthane PS 455-203 ist die durch den Zusatz von Kohlenstoff-Nanoröhrchen erreichbare Modifizierung der Formgedächtnis-Eigenschaften.
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Nach Herstellung des Handschuhs mit Hilfe der Vorlage (Form 1) liegt der Handschuh in seiner permanenten Form vor. In einem unmittelbar oder später anschließenden Programmierungsvorgang wird dieser Handschuh in eine temporäre Form überführt. Der Handschuh kann dann verpackt werden.
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Der zur Stulpe des Handschuhs ausgeformte Teil des Handschuhkörpers bildet in der temporären Form der durchgängigen Schicht des Formgedächtnispolymers eine einlagige Struktur. Die Stulpe ist nicht zurückgerollt, so dass sie sich in Richtung der Fingerlinge zumindest teilweise verjüngt und das Ineinanderstecken eines Handschuhs in einen anderen Handschuh etwa gleicher Größe, Form und Ausrichtung gestattet. Auf diese Art und Weise kann ein Stapel ineinandersteckender Handschuhe bereitgestellt werden.
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4 zeigt beispielhaft die durch eine insgesamt konische Gestalt des Handschuhs in temporärer Form ermöglichte Stapelung mehrerer Handschuhe ineinander. Insbesondere können programmierte Handschuhe gleicher Größe und etwa gleicher Wandstärke platzsparend nach der Art ineinander gestapelter Plastikbecher gelagert werden.
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Dabei ist es besonders vorteilhaft, dass die Handschuhe im Bereich ihrer Stulpe einen vorwiegend gestreckten Abschnitt aufweisen, in dem jeweils nur eine Lage des die Stulpe ausbildenden Materials vorhanden ist, umfassend eine durchgängige Schicht eines Formgedächtnispolymers. Durch die jeweils vorwiegend gestreckten, keine mehrlagigen Strukturen ausbildenden Abschnitte und die überwiegend konische Form der Stulpen, wird das Ineinanderstapeln der Handschuhe erleichtert. Ebenso wird die Entnahme einzelner Handschuhe aus einem Stapel mehrerer gleich geformter Handschuhe erleichtert.
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Gemäß der vorliegenden Erfindung wird der Formgedächtniseffekt nach dem Überstreifen des Handschuhs in seiner temporären Form ausgelöst. Durch ein geeignetes äußeres Signal, beispielsweise die gegenüber der Umgebungstemperatur höhere Körpertemperatur des Trägers, die im Vergleich zur Umgebungstemperatur höhere Temperatur eines anströmenden oder umgebenden Mediums (Heißluft, Heizstrahler, IR-Strahlung, Exposition, temperiertes Wasser, temperierte Desinfektionslösung), wird das Material in seine permanente Form zurückstellt. Dabei passt sich der Handschuh der individuellen Handform bzw. Teilen der Hand des Trägers an.
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Eine bevorzugte Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass insbesondere der dem Handwurzelbereich entsprechende Teil des Handschuhs und/oder der Bereich der Stulpe in der temporären Form gegenüber der permanenten Form geweitet ist. Das gestattet es dem Träger, sich den Handschuh überzustreifen, ohne die Außenseite des Handschuhs berührt und gegebenenfalls mit Haut-Partikeln oder Schweiß kontaminiert wird. Das bietet Vorteile für den Einsatz der Handschuhe im Bereich mikrotechnischer und Reinraum-Produktion.
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Das Auslösen des Formgedächtniseffektes ist ebenso durch Exposition des lose übergestreiften Handschuhs durch eine IR-Quelle oder einer eine anderen Strahlungsquelle möglich. Derartige Anwendungen bieten Vorteile für den bereits eingehend beschriebenen Einsatz unter sterilen oder unter keimarmen Bedingungen.
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In Hinsicht auf verwendbare Materialien können auch konventionelle Handschuhmaterialien eingesetzt werden, die über Formgedächtnis-Eigenschaften verfügen, bzw. es können konventionelle Handschuhe, die aus Formgedächtnispolymer-Materialien bestehen gemäß des beschriebenen Verfahrens „programmiert” werden.
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Geeignet sind alle Blockcopolymere, die idealerweise eine Schmelztemperatur oberhalb der Körpertemperatur und eine Kristallisationstemperatur unterhalb der Raumtemperatur haben. Hinzu kommen die Materialien, die eine Glasübergangstemperatur in dem Bereich zwischen –80 bis 180°C, insbesondere zwischen Raumtemperatur und Körpertemperatur aufweisen.
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Um die Vorteile von Formgedächtnispolymeren nutzen zu können, wird zunächst die Primärform des gewünschten Artikels hergestellt. Daran schließt sich der Schritt der Programmierung an. Ergebnis der Programmierung ist der Erhalt des Artikels in der Form 2, hier auch als temporäre Form bezeichnet.
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Im Fall der hier beispielhaft beschriebenen adaptiven Einweghandschuhe, ist wie in den 2 und 3 dargestellt, das erhaltene Produkt leichter aufzunehmen und durch die allgemein konische Form nach Art von ineinander steckenden Plastiktrinkbechern, ineinander gestapelten Eimern oder spitzen Waffeltüten für Speiseeis platzsparend stapelbar.
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Das bietet den besonderen Vorteil der kontaminationsfreien Entnahme eines jeweils zuvor unbenutzten Handschuhs von der Stulpen-Seite des Stapels aus. Entsprechende Entnahmevorrichtungen sind besonders für sterile und keimarme Anwendungen und Anwendungen unter Reinraum-Bedingungen geeignet, da der entnommene Handschuh jeweils nur von der Nutzer-Seite, bzw. von dessen Innenseite aus, mit der Hautoberfläche des Trägers in Kontakt kommt.
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Für die Herstellung der Primärform eines Formgedächtnispolymer-Handschuhs sind mehrere Verfahren geeignet. Beispielhaft werden nachfolgend Tauchbeschichtung, Sprühbeschichtung und Spritzguss beschrieben.
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Die Tauchbeschichtung mit Formgedächtnispolymeren erfolgt analog zur Herstellung von Latex-Handschuhen. Die Dimensionen der Tauchformen (Form 1) werden entsprechend den in DIN EN 420 vorgegebenen Größen gefertigt. Es können jedoch auch in Bezug zur Handgröße des Trägers Handschuhe in unter- oder überdimensionierten Handformen (Form 1) als Vorlagen bzw. Vorlage genutzt werden. Eine solche in zwei Teile zerlegbare Vorlage (Form 1) ist beispielhaft in 2 dargestellt. Nach einer bevorzugten Ausführungsform ist die Oberfläche von Form 1 glatt. Nach einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist die Oberfläche strukturiert. Das führt zu einer Vergrößerung der Innenoberfläche des Handschuhs. An der sich ergebenden Innenoberfläche kann sich der Handschweiß des Handschuhträgers sammeln und so einen höheren Tragekomfort sicherstellen. Auch die für Sprühbeschichtung und Spritzguss vorgesehenen Formen können oberflächlich teilweise oder ganz strukturiert sein. Gemäß dem Verfahren der Tauchbeschichtung wird die Form 1 in eine Formgedächtnispolymer-Lösung, bestehend aus Formgedächtnispolymer und Lösungsmittel, sowie optional enthaltenen Füllmaterialien getaucht. Danach wird die Form aus der Lösung entnommen. Bei der darauffolgenden Trocknung an der Luft durch gleichmäßiges Abdampfen des Lösungsmittels entstehen nahezu nahtfreie Handschuhe.
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Nach erfolgter Trocknung kann der Beschichtungsvorgang durch erneutes Tauchen in dieselbe oder eine anders zusammengesetzte Lösung des Formgedächnispolymeren wiederholt werden. Abschließend wird das ”Unterarmstück” der Form entfernt und der Handschuh wird von der Form (Vorlage) getrennt.
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Bei der Sprühbeschichtungstechnik zur Herstellung der permanenten Form eines Handschuhs wird die handförmige Sprühform (Form 1) mit der Lösung eines Formgedächtnispolymer besprüht und anschließend an der Luft durch Abdampfen des Lösungsmittels getrocknet. Wie bei der Tauchbeschichtung ist ein mehrfaches Sprühbeschichten zwecks Erhöhung der Wanddicke des Handschuhs möglich. Beide vorgenannten Verfahren können miteinander kombiniert werden, insbesondere um verschieden starke Schichten und/oder verschiedene Zusammensetzungen der Schicht des Formgedächtnispolymers zu erreichen. Ebenso können Hilfsstoffe durch Bestäuben, Besprühen oder Tauchen entsprechend der jeweils beabsichtigten Eigenschaften des Produkts mit Barrierewirkung aufgebracht werden.
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Zur Herstellung größerer Stückzahlen bietet sich der Einsatz des Spritzgießens an. Dazu wird mit einer Spritzgießmaschine das thermoplastisch verarbeitbare Formgedächtnispolymer in einer Spritzeinheit plastifiziert und in ein Spritzgießwerkzeug eingespritzt.
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Dieses setzt sich aus wenigstens zwei Teilen zusammen, bestehend aus einer inneren Form (Vergleichbar zu Form 1 gemäß der vorausgehend genannten Verfahren) und einer äußeren abnehmbaren Form, die so konzipiert ist, dass sie in mehrere Teile zerlegbar ist. Der Hohlraum zwischen Form 1 und der äußeren Formen bestimmt die permanente Form des spritzgegossenen Artikels. Insbesondere die Wanddicke und die beidseitige Oberflächenstruktur (innen wie außen) des Formgedächtnispolymer-Handschuhs.
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Um den für die Programmierung nötigen Ausgangszustand zu erreichen, wird nach erfolgtem Spritzguss und Aushärten (Abkühlen) die äußere Form entfernt.
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Die genannten drei Verfahren sind zur Herstellung der Primärform des Handschuhs geeignet, ungeachtet der jeweils möglichen Ausführungsform als rechter Handschuh, linker Handschuh oder als universeller Handschuh mit identischer Gestalt für die rechte wie für die linke Hand.
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Bevorzugt können mit den Verfahren Wanddicken des die Barriere darstellenden Materials im Bereich zwischen 0,05 mm bis 10 mm, besonders bevorzugt im Bereich zwischen 0,1 mm und 0,5 mm erhalten werden. Dabei werden Handschuhe geringerer Materialstärken im Bereich von 0,05 bis 2 mm bevorzugt mittels Tauch- und Sprühverfahren erzielt.
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Nach erfolgter Herstellung liegt das Formgedächtnispolymer in seiner permanenten Form vor. Die Überführung des Artikels in die temporäre Form 2 und damit die Programmierung, erfolgt bevorzugt so, dass die Dimensionen des dabei erhaltenen Artikels (Form 2) jene der Primärform (Form 1) zumindest teilweise so übertreffen, dass sich insgesamt eine im Wesentlichen konische Gestalt der Form 2 ergibt.
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Dazu wird eine äußere Überform bereitgestellt, deren innere Oberfläche der Gestalt eines Handschuhs der Form 2 entspricht. Die Dimensionen des von dieser Form umschlossenen Innenraumes sind so gestaltet, dass sich insbesondere von den Finger in Richtung des Handgelenks, bzw. vom Handgelenk in Richtung Ellenbogen eine geringfügig größere Handform, bzw. Handschuhform, bzw. Stulpenform ergibt, als die der Primärform des Handschuhs. Das ist in 2 gezeigt (Vgl. permanente Form/temporäre Form in 2, rechts).
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Besagte äußere Überform wird über den Formgedächtnispolymer-Artikel in dessen permanenter Form gestülpt. Anschließend wird, beispielsweise durch die Beaufschlagung des Innenraumes des an seinem offenen Ende geeignet abgedichteten Artikels mit einem Fluid höherer Temperatur, der Artikel geweitet und gegen die Innenseite der Überform gepresst.
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Dazu wird beispielsweise ein Fluid verwendet, dessen Temperatur über der zur Fertigung der Primärform verwendeten liegt. Bevorzugt dient dazu Druckluft oder ein anderes Gas oder Gasgemisch mit einem eingestellten Druck. Die äußere Überform kann beispielsweise auf einer Temperatur gehalten werden, die zum Erstarren des aufgeblähten Handschuhs und damit dessen „Programmierung” in der temporären Form führt.
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Ebenso ist es möglich, den Handschuh ohne eine zusätzliche Überform durch einfache Beaufschlagung mit einem Fluid eines bestimmten Druckes aufzuweiten.
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Insbesondere wird (1.) der Handschuh in seiner Primärform zunächst auf eine Temperatur oberhalb der Schalttemperatur des Formgedächtnispolymers erwärmt und dadurch das Formgedächtnispolymer in den nicht fixierten, leicht deformierbaren Zustand überführt. Das Unterarmende des Formwerkzeuges wird entfernt (2) und der untere Teil der Stulpe des Handschuhs über den Druckluftanschluss einer Druckluftzufuhr gestülpt und luftdicht fixiert. Dann wird mit Druckluft ein Handschuh-innendruck von 0.1 bis 20 bar am offenen Handschuhende aufgebracht, woraufhin sich der Handschuh ausdehnt.
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Was die spätere temporäre Form des Handschuhs anbelangt, gibt es die Möglichkeiten, dass sich diese in Abhängigkeit des angelegten Drucks frei einstellt oder dass der Handschuh gegen die Innenseite der erwähnten Überform (Form 2) gedrückt wird.
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Infolge des aufgebauten Drucks wird das Formgedächtnispolymer dabei so verformt, dass es direkt die Oberflächenkontur der inneren Oberfläche von Form 2 annimmt. Die neue, temporäre Form wird dann durch Abkühlen des Formgedächtnispolymers unter Aufrechterhalten des Drucks auf eine Temperatur unterhalb der Formfixierungstemperatur (Glasübergangs- oder Kristallisationstemperatur) fixiert. Nun können zuerst die äußere Form entfernt und dann der formfixierte Handschuh entnommen werden.
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Als Alternative dazu bietet sich (2.) das Kaltverformen des Formgedächtnispolymer-Handschuhs an. Hier wird ähnlich vorgegangen wie vorstehend beschrieben; allerdings wird von einem Formgedächtnispolymer ausgegangen, das sich bei einer Temperatur unterhalb seiner Schalttemperatur in einem schwerer zu verformenden Zustand befindet.
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Dementsprechend ist ein höherer Luftdruck (0.5 bis 50 bar) als beim Verformen in der Wärme (oberhalb der Schalttemperatur) erforderlich. Um eine gute Fixierung der temporären Form des Handschuhs sicherzustellen, wird die Umgebungstemperatur nach dem Kaltverformen unter Aufrechterhalten des Drucks auf eine Temperatur abgesenkt, die unterhalb der Formfixierungstemperatur liegt.
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Die Wanddicken der so erhaltenen Handschuhe hängt je nach Herstellungsmethode von der Konzentration des Formgedächtnispolymers in der Lösung bzw. den gewählten Formen beim Spritzgießen ab. Am Ende eines Zyklus steht die Tauch- oder Sprühform bzw. das Spritzgießwerkzeug (Form 1) für die nächste Beschichtung mit einem Formgedächtnispolymer bereit.
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Die Handschuhe werden in ihrer temporären Form verpackt. Bei ausreichend geringer Wanddicke können die Handschuhe direkt übereinander gelegt werden. Gegebenenfalls kann es bei der Verpackung zu Materialverformungen kommen, die sich jedoch leicht durch den Träger beim späteren Anziehen rückgängig machen lassen.
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Nach einer bevorzugten Ausgestaltungsform erfolgt eine Stapelung der Formgedächtnispolymer-Handschuhe unter Berücksichtigung der jeweiligen Handform so, wie sie von der Stapelung von Eimern, Plastikbechern, oder spitzen Eiswaffeln her bekannt ist. Nach einer bevorzugten Ausführungsform werden Formgedächtnispolymer-Handschuhe mit größeren Wanddicken als derartige Stapel gelagert.
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Dabei ist zu beachten, dass die Dimensionierung der Handschuhe im verformten Zustand so gewählt wird, dass der Handbereich kleiner als die entsprechende Öffnung des angrenzenden Handschuhnachbarn ist, dass also der Handschuh insgesamt eine konische Form und nahezu eine Parallelausrichtung von Fingern und Daumen aufweist (4).
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Sowohl die Auslieferung als auch die Lagerung der Handschuhe erfolgt bei Temperaturen unterhalb der Schalttemperatur und oberhalb der Formfixierungstemperatur.
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Zusätzlich wird durch eine geeignete Umverpackung sichergestellt, dass die Formgedächtnispolymer-Handschuhe in einem trockenen Milieu aufbewahrt werden, da sonst die Gefahr besteht, dass der Formgedächtnis-Effekt sequentiell über einen längeren Zeitraum aufgrund von aufgenommenem Wasser (Weichmachereffekt des Wassers) ausgelöst wird.
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Zur Anwendung wird der programmierte Handschuh über die Hand gezogen. Die Stulpe ist wahlweise oval oder kreisförmig, ihr Durchmesser entspricht vor dem Auslösen des Formgedächtniseffektes mindestens der breitesten Stelle der Hand (vgl. 2: d3 > d2).
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Anschließend wird der Formgedächtniseffekt durch Erwärmen auf eine Temperatur, die oberhalb der Schalttemperatur des Formgedächtnispolymers liegt, ausgelöst. Dabei wird mit der Erwärmung vorteilhafterweise an den Fingerkuppen des Formgedächtnispolymer-Handschuhs begonnen und in Richtung Unterarm fortgesetzt.
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Das Erwärmen kann auf verschiedene Art und Weise geschehen. Möglichkeiten hierfür sind das Waschen der Hände mit warmem Wasser, der kurzzeitige Einsatz eines Infrarot-Strahlers, eines Warmluft-Händetrockners oder Föns, die Exposition gegen einen Heizstrahler. Bei Schalttemperaturen, die der Körpertemperatur entsprechen oder leicht darunter liegen, lässt sich der Formgedächtniseffekt allein durch die Körperwärme des Trägers induzieren. Die Schalttemperatur des Formgedächtnispolymers liegt bevorzugt in der Nähe der Körpertemperatur, sie kann diese aber auch um bis zu 25°C überschreiten. Es kommt zum Auslösen des Formgedächtniseffekts und der damit verbundenen Formänderung des Formgedächtnispolymer-Handschuhs. Alternativ dazu kann durch Anlegen eines elektrischen oder magnetischen Feldes die Materialerwärmung herbeigeführt und so die Formanpassung vollzogen werden. Versuche zur Bestimmung der Rückstellgeschwindigkeit von Adipat-basiertem Formgedächtnispolymer in heißem Wasser haben gezeigt, dass bei einer Wassertemperatur von 60°C die Formrückstellung eines um ein 100% verstreckten Zugstabes innerhalb von 3.3 s abgeschlossen ist (1).
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Formgedächtnispolymer-Handschuhe können auch entsprechend einem Doppelbehandschuhungskonzept eingesetzt werden, wobei sie in Kombination mit anderen Handschuhen entweder als Unter- oder als Oberhandschuh dienen.
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Ein Beispiel dafür ist die Kombination eines Baumwoll-Unterhandschuhs mit einem. Formgedächtnispolymer-Oberhandschuh. Ein anderes Beispiel ist die Kombination eines Formgedächtnispolymer-Unterhandschuhs mit einem Nitril-Oberhandschuh.
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Besondere Vorteile der vorgeschlagenen Schutzartikel oder Handschuhe bestehen für besondere Fälle steriler oder keimarmer oder staub- und/oder partikelfreier Anwendungen darin, dass sie ohne Assistenz einer zweiten Person zweckmäßig angezogen werden können. Die Kontamination der äußeren Seite der Handschuhe durch den Nutzer beim Überstreifen der Handschuhe wird vermieden, da ein erleichtertes Hineinschlüpfen durch dessen im ersten Zustand zunächst größere lichte Weite unterstützt wird. Die vorgeschlagene Vorrichtung mit einer Halterung für gestapelte Handschuhe in deren erster (temporärer) Form erleichtert das Überstreifen der Handschuhe für Anwendungen, die Sterilität und/oder Reinraum-Bedingungen erfordern.
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Gegenüber Handschuhen oder anderen Schutzartikeln, die lediglich einzelne Elemente eines Formgedächtnispolymers aufweisen, ergeben sich vor allem aus der von Nähten oder Fügestellen freien Ausführung der hier vorgeschlagenen Schutzartikel oder Handschuhe eine verbesserte mechanische Belastbarkeit und damit eine erhöhte Zuverlässigkeit und Schutzwirkung.
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Ein weiterer Vorteil besteht darin, dass größere Handschuh-Wanddicken den Einsatz in medizinischen Gebieten in Aussicht stellen, da von einer geringeren Perforationswahrscheinlichkeit ausgegangen werden kann. Dadurch kann die im medizinischen Einsatz häufig praktizierte Doppelbehandschuhung ersetzt werden.
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Ein weiterer Vorteil wird darin gesehen, dass sich die Vielzahl der dem Anwender bereitgestellten Handschuhgrößen auf ein Minimum reduzieren lässt, indem ausgehend von einer Größe des Handschuhs in dessen temporärer (programmierter) Form nun beliebig abgestuft kleinere Größen des Handschuhs – jeweils angepasst an die jeweilige Größe des Trägers und ausgehend von der jeweils vorliegenden Ausgangsgröße – bereitgestellt werden können. Dadurch wird der gegenwärtig erforderliche Fertigungsaufwand zur Bereitstellung eines Größen-Sortiments von Schutzhandschuhen erheblich reduziert oder gar überflüssig.
