DE60026511T2

DE60026511T2 - Energie absorbierendes medium verwendendes intelligentes polstersystem und daraus herstellbare artikel

Info

Publication number: DE60026511T2
Application number: DE60026511T
Authority: DE
Inventors: J. Lawrence Pittsburgh RHOADES; M. John Irwin MATECHEN; J. Mark Greensburg ROSNER
Original assignee: ExOne Co
Current assignee: Impact Innovative Products LLC
Priority date: 1999-02-05
Filing date: 2000-01-21
Publication date: 2006-11-09
Anticipated expiration: 2020-01-22
Also published as: US6701529B1; WO2000046303B1; TW524828B; DE60026511D1; WO2000046303A1; WO2000046303A9; ATE319780T1

Description

GEBIET DER ERFINDUNG
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Energie absorbierendes Medium und insbesondere ein polymerbasiertes Material zur Absorbtion und Zerstreuung von Stoßenergie, das in Artikel geformt werden kann, die für den Schutz von belebten und unbelebten Objekten von Nutzen sind.
HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Es wurden Polstermaterialien und -konstruktionen entwickelt, um belebte Objekte, wie beispielsweise den menschlichen Körper, sowie unbelebte Objekte zu schützen, die anfällig für Verletzungen oder Beschädigungen sind, wenn sie Stößen, Vibrationen oder Belastungen ausgesetzt werden.
Die US-Patentschrift Nr. US-A-5,580,917 offenbart ein hydrostatisch dämpfendes, Stoß- und Vibrationsenergie absorbierendes, nicht vulkanisierbares Silikonelastomer. Die US-Patentschrift Nr. US-A-5,350,610 offenbart ein dämpfendes Material, das 3 bis 30 Gew.-% eines thermoplastischen Elastomers umfasst.
In einer Anzahl von Situationen benötigt der menschliche Körper Schutz vor externen Stößen und Vibrationen, der über den normalen Schutz hinausgeht, den die Struktur des Körpers selbst bietet. Beispielsweise sind Stoßbelastungen ein bedeutendes Anliegen bei Kontaktsportarten, wie beispielsweise American Football, Hockey und Fußball, bei denen der Teilnehmer regelmäßig oder konstant hohen Stoßbelastungen ausgesetzt ist. Prellungen, Brüche, Gelenkstoßtraumata, Osteoarthritis, Verstauchungsempfindlichkeit, Muskelkrämpfe, Tendinitis und Zerrungen, Ermüdung und Unbehagen sind Vorfälle, die darauf zurückzuführen sind, dass Stoßbelastungen auf den Körper des Teilnehmers ausgeübt werden.
Ein anderes Beispiel für die Dämpfung von hohen Stoßbelastungen stellen die absorbierenden Materialien von Sitzen, Lenkrädern und Konstruktionen, die den Fahrer eines Fahrzeugs umgeben, dar, die dafür ausgelegt sind, den Körper des Fahrers beim Motorsport zu polstern.
Für Personen, die an das Bett oder den Rollstuhl gebunden sind oder mit anderen medizinischen Vorrichtungen, die einen längeren Kontakt zwischen dem Körper und der Vorrichtung erfordern, in Körperkontakt sind, können die Schwierigkeiten von wesentlicher Bedeutung sein. Wie Fachleuten ersichtlich ist, entstehen aus dem Kontakt zwischen dem Körper und Artikeln, die einen längeren Kontakt mit dem Körper erfordern, wie beispielsweise medizinische Vorrichtungen, Prothesen und orthopädische Vorrichtungen, wie beispielsweise Gipsverbände, Stützbänder und dergleichen, Hilfsvorrichtungen für Behinderte, wie beispielsweise Rollstühle, Krücken und Betten für Bettlägerige, wesentliche Probleme. Durch längeren oder belastungsintensiven Kontakt werden die Benutzer derartiger Konstruktionen häufig von einer Vielzahl unerwünschter Konsequenzen geplagt. Die Probleme reichen von Eiterungen (Druckgeschwüren) zu Hautentzündungen, Blasen und einfacher Reizung und Unbehagen.
Die heute gebräuchlichen Polster für die Energiezerstreuung, Polsterung oder für Stoß absorbierende Anwendungen bestehen typischerweise aus ausgewählten Schaumstoffen, Urethanen und Kunststoff, Gummi und Metall. Die Materialien werden durch Nähen, Stanzen, Formen oder Scheren in Form gebracht. Vorgeformte Polster werden in verschiedenen Größen hergestellt, die sich an einen beschränkten Bereich von Anwendungen anpassen. Polster, die aus Schaumstoffen geformt werden, erzeugen ein festes, halbsteifes Stück. Obwohl geformte Polster individuell an ein Objekt oder ein Individuum angepasst werden können, sind sie für das Objekt oder den Benutzer nicht nachgiebig. Geformte Polster ändern ihre Form beispielsweise nicht, wenn sich die Anatomie des Benutzers während einer gegebenen Aktivität möglicherweise ändert. Beispielsweise ändert sich der Körper eines Düsenjägerpiloten unter Beschleunigungskräften und kann bei größeren Höhen anschwellen. Ein anderes Beispiel liegt im Motorsport vor, bei dem ein Rennwagenfahrer während eines Rennens mehr als zehn Pfund verlieren kann, wobei ein individuell geformter Sitz in diesem Fall zu locker wäre und nicht die geforderte Stützung bieten würde.
Metallpolster bieten Schutz gegen Stöße, weisen jedoch einen Mangel an Komfort auf, sind nicht leicht und bieten wenig oder keinen Vibrationsschutz. In manchen Fällen sind Metallpolster die Ursache für Verletzungen.
Polymergelpolster werden gegenwärtig bei Anwendungen verwendet, bei denen eine Polsterung erforderlich ist. Die Gele werden typischerweise aus Silikon- und Urethanelastomeren hergestellt, die zu spezifischen Geometrien vernetzt sind. Die Gelpolster sind extrem weich und können leicht zusammengedrückt werden, sie fließen jedoch nicht und könnten nicht als Fluid klassifiziert werden. Wenn Gewicht ausgeübt wird, ist das Gelpolster weich genug, um zusammengedrückt zu werden und das Gewicht zu stützen, jedoch nur in einer Dimension. Es ist allgemein anerkannt, dass ein Polymergelpolster keinen bedeutenden Stoßschutz, Schutz gegen Seite-zu-Seite-Bewegungen oder Beschleunigungsbelastungen bietet. Die Person oder das Objekt bewegt sich typischerweise in dem Polster, da es nicht schert. In vielen Fällen wird das zu schützende Objekt in dem Polster „gestaucht". Diese Polstermaterialen weisen typischerweise ein höheres spezifisches Gewicht auf als die vorliegende Erfindung, die Füllstoffe mit einem niedrigeren spezifischen Gewicht enthält.
Es wäre besonders vorteilhaft, eine Polsterzusammensetzung herzustellen, die die Beschränkungen gegenwärtiger Polster überwindet und ebenfalls die Fähigkeit aufweist, die physikalischen Eigenschaften des Polsters als Reaktion auf angelegte Belastungen oder Kräfte zu ändern.
Ein traditionelles Polster hält im Allgemeinen keinen engen Kontakt mit dem Teil des menschlichen Körpers aufrecht, der zu schützen ist. Damit der Körper vollständig von dem Polster gestützt wird, muss das Substratmaterial zusammengedrückt werden, um sich an die Konturen des Körpers anzupassen. Unter einer plötzlich angelegten Kraft bewegt sich ein menschlicher Körper oder ein unbelebtes Objekt oftmals in den Hohlräumen zwischen dem Polster und dem Benutzer oder dem Objekt.
Demgemäß ist es eine Hauptaufgabe der vorliegenden Erfindung, Zusammensetzungen, Konstruktionen und Polsterartikel, die daraus hergestellt sind, zu schaffen, die sich an die Oberfläche eines belebten oder unbelebten Objekts anpassen können und auf eine angelegte Kraft oder Belastung reagieren, indem die Übertragung einer derartigen Kraft oder Belastung auf das Objekt minimiert wird.
Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, Kontaktkonstruktionen für längere Zeiträume, für starke Stöße oder für Vibrationsbelastungen zu schaffen, die auf Stoßkräfte elastisch reagieren, die zwischen einem belebten oder einem unbelebten Objekt und der Konstruktion angelegt werden, um Spitzenstoßkräfte zu begrenzen, die an das Objekt angelegt werden.
Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, Polsterartikel zur Verwendung in Kontaktsportarten, wie beispielsweise American Football, Hockey, Fußball und Basketball, zu schaffen, die sich an den menschlichen Körper anpassen können und die Eigenschaft einer viskosen Flüssigkeit in Abwesenheit einer plötzlich angelegten Kraft zeigen und sich als Reaktion auf eine angelegte starke Kraft in einen nahezu festen Elastomer umwandeln, um die Übertragung der Kraft auf den menschlichen Körper zu minimieren.
Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, Polsterartikel zu schaffen, die auf zwischen einem Objekt und dem Artikel angelegte Vibrationen und Kräfte elastisch reagieren, um die Vibrationen und Kräfte, die an das Objekt angelegt werden, zu dämpfen.
Es ist eine andere Aufgabe der vorliegenden Erfindung, Artikel für einen Kontakt über längere Zeit oder mit starken Stößen oder Vibrationsbelastung zu schaffen, die sich an die Oberflächenkonfiguration des Objekts stark anpassen und diese stützen können.
Es ist eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung, Konstruktionen für einen Kontakt über längere Zeit oder mit starken Stößen oder Vibrationsbelastung zu schaffen, die auf Stoßkräfte, die zwischen einem Objekt und der Konstruktion angelegt werden, mit einer gesteuerten oder abgestimmten elastischen Hysterese flexibel reagieren.
Es ist eine zusätzliche Aufgabe der vorliegenden Erfindung, Kontakt absorbierende, Polster- oder ähnliche Konstruktionen für einen Kontakt über längere Zeit oder mit starken Stößen oder Vibrationsbelastung zu schaffen, die eine bessere Toleranz des menschlichen Körpers hinsichtlich des Kontakts mit medizinischen Vorrichtungen und verwandten Konstruktionen und Artikeln, einschließlich Halskrausen, Rollstuhlkissen, Bettpolstern, absorbierenden Materialien für orthopädische Vorrichtungen, wie beispielsweise Stützbändern, Gipsverbänden und dergleichen, bereitstellen.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Gemäß Gesichtspunkten der vorliegenden Erfindung wird ein Medium nach Anspruch 1, ein Artikel nach Anspruch 7 und ein Verfahren nach Anspruch 14 geschaffen.
Im Allgemeinen schafft die vorliegende Erfindung ein absorbierendes Medium für starke Stoßenergie, das die Verwendung einer anpassungsfähigen flexiblen Komponente umfasst, die eine Hülle umfasst, die ein Polyborsiloxanelastomer enthält. Die Reaktion des Systems auf angelegte Kraft optimiert die Absorption von starken Stößen, Vibrationen und wiederholten Stößen. Das hohe Niveau der Anpassungsfähigkeit ist ein Hauptmerkmal zur Vermeidung nachteiliger Konsequenzen eines Kontakts über einen längeren Zeitraum.
Die Erfindung ist ein selbstanpassendes, nachgiebiges absorbierendes Medium für starke Stoßenergie, das sich kontinuierlich an die Umgebung anpasst, in der es verwendet wird. Im Ruhezustand wirkt das Medium als viskose Flüssigkeit und bietet eine anpassungsfähige Polsterung und Stütze für ein geschütztes Objekt. Wenn eine plötzliche oder starke Stoßkraft an das Medium angelegt wird, wird es dilatant und rheopektisch, was die Zusammensetzung (ein thermo-rheologisch komplexes Fluid), die in einer Hülle enthalten ist, die einen Polsterartikel definiert, bei zunehmender Verformungsrate veranlasst, steifer (oder viskoser) zu werden. Das Medium versteift sich und verteilt Energie gemäß der Kraftrate, die an den Artikel angelegt wird. Wenn die externe Kraft nicht vorhanden ist oder eine niedrige Stoßrate aufweist, kehrt das Medium zu einem niedrigeren Elastizitätsmodulzustand und seinem ursprünglichen Anpassungszustand zurück. Der Begriff „rheopektisch" definiert die Eigenschaft einer Zusammensetzung, bei der der Elastizitätsmodul mit der Zeit unter Scherbelastung oder einer plötzlich angelegten Kraft oder Belastung zunimmt.
Im weitesten Sinn schafft die vorliegende Erfindung einen Energie absorbierenden und Form anpassungsfähigen Artikel zur Polsterung belebter und unbelebter Objekte, der Folgendes umfasst: ein nachgiebiges, anpassungsfähiges Einschlussmittel, das die Form und Anordnung eines Energie absorbierenden Mediums enthält und steuert, sowie ein hoch anpassungsfähiges und Energie absorbierendes Medium, das in dem Einschlussmittel enthalten ist und eine viskoelastische weichgemachte rheologisch dilatante Polymerzusammensetzung umfasst. Das Polymer zeigt reformierbare chemische Opferbindungen, die unter starken Scherbedingungen vorzugsweise zerbrochen werden und sich dennoch unter niedrigen Belastungsbedingungen schnell reformieren.
Wie hierin verwendet, bezeichnet Viskoelastizität die Eigenschaft, über eine hochviskose Fluideigenschaft unter niedrigen Belastungsbedingungen zu verfügen und eine wesentliche Zunahme der scheinbaren Viskosität bei angelegter Belastung zu zeigen, so dass sich das Material unter derart hohen angelegten Belastungsbedingungen wie ein Feststoff verhält. In dem Kontext der vorliegenden Erfindung ist ein viskoelastisches Material ein Material, das sich unter starken Stoßkräften wie ein festes Elastomer und im Ruhezustand oder wenn es einer geringen angelegten Kraft ausgesetzt wird, wie eine hoch anpassungsfähige viskose Flüssigkeit verhält.
Durch Bereitstellen einer gesteuerten Hysterese kann die Energieabsorption durch elastische Kompression sorgfältig abgestimmt werden, um den Benutzungsanforderungen in einer stark schützenden und effizienten Weise zu dienen. In gleicher Weise ist es innerhalb von Grenzen möglich, den Anteil der durch einen elastischen Rückprall rückgeführten und übertragenen angelegten Energie sowie den Anteil, der in andere Energieformen, z.B. Wärme, dissipiert oder absorbiert und umgewandelt wurde, zu steuern.
In statischen Situationen oder unter einer niedrigen angelegten Kraft oder Stoßkraft passt sich das Material durch viskosen Fluss an das Objekt an, mit dem es in Kontakt ist. Der viskose Fluss ist durch das Behältersystem begrenzt und eingeschränkt, so dass das Material nicht aus den zu schützenden Bereichen herausfließt. Während die Zusammensetzung der vorliegenden Erfindung auf Belastungen mit viskosem Fluss reagiert, ist die Wirkung größtenteils eine elastische Verformung und der Fluss ist auf die gewöhnliche Zeitspanne normaler Belastungen begrenzt. Bei mäßigen bis hohen Belastungen, wie beispielsweise das Ausüben eines plötzlichen Stoßes und folglich einer hohen Rate einer angelegten Kraft, verformt sich das Material und absorbiert oder zerstreut die angelegte Energie durch viskoelastische Verformung oder elastische Kompression. Sowohl die Rate der Energieabsorption, die aus der Verzögerung der Stoßkraft resultiert, als auch die Rate des elastischen Rückpralls werden durch Ermittlung der elastischen Hysterese gesteuert. Der Haupteffekt besteht in der Verteilung der Energieübertragung, die mit dem plötzlichen Stoß im Zusammenhang steht, über eine wesentlich größere Zeitspanne, so dass die Pegel der auftreffenden Spitzenkraft, die auf das Objekt übertragen werden, verringert werden.
Bei Aussetzung längerer oder plötzlicher Stoß- oder anderer Belastungen und insbesondere Belastungen, die über die viskoelastische Grenze hinaus angelegt werden, werden die Polymervernetzungsbindungen zerbrochen, wodurch Stoßenergie absorbiert und der Stoß "gedämpft" wird. Polymerkettenschnitte werden durch das bevorzugte Zerbrechen der Vernetzungsbindungen minimiert. Die Energie, die die chemischen Bindungen zerbricht, wird größtenteils in Wärme umgewandelt. Die zerbrochenen Vernetzungsbindungen werden reformiert, wodurch das Polymer eine äußerst lange Lebensdauer aufweist. Auf diese Weise kann ein sehr effektiver Schutz gegen Polymerdegradation für eine längere Lebensdauer von Artikeln bereitgestellt werden.
Die Artikel der vorliegenden Erfindung verwenden vorzugsweise ein Polyborsiloxanelastomer, das so formuliert werden kann, dass eine optimale Reaktion auf die angelegte dynamische Belastung bereitgestellt wird. Das stark Energie absorbierende Material umfasst eine Behälterhülle und eine Polyborsiloxanelastomerzusammensetzung, die darin enthalten ist. Die absorbierende Hülle kann zu einer Vielzahl von Formen und Dicken geformt werden. Die Zeit, die für die Wiederherstellung erforderlich ist, sowie die tatsächlichen Wiederherstellungskräfte basieren typischerweise auf der Dicke der Konstruktion und werden durch Folgendes definiert: die Behälterhülle und die zugehörigen Konstruktionen; die scheinbare Viskosität, den Rückprall, den plastischen Fluss und verwandte Eigenschaften des Polymers unter der angelegten Belastung; sowie die inhärente Zeit abhängige Reaktion, d.h. die Hysterese, der Polymerformulierung. Wenn eine dieser Eigenschaften verändert wird, wird ebenfalls die Wiederherstellungsrate des absorbierenden Artikels verändert.
Die Behälterhülle kann unter Verwendung jedes beliebigen flexiblen Materials gebildet werden, wie beispielsweise eines Films oder eines Bogens aus flexiblem Kunststoffmaterial oder eines relativ unporösen Stoffs, einer Folie, Leder oder dergleichen, solange dessen mechanische und chemische Integrität ausreichend sind, ein Silikonpolymer mit fluidartigem Verhalten zu halten.
Polyborsiloxane weisen einzigartige elastomere Eigenschaften auf. Unter einem plötzlichen Stoß oder einer Scherbelastung erhöht das Fluid seine scheinbare Viskosität drastisch und verhält sich nahezu wie ein Feststoff, wobei diese Eigenschaft in der Technik als Viskoelastizität bekannt ist. Diese Eigenschaft erhöht die laterale Stützung und die Stoßdämpfung. Unter niedrigen Raten angelegter Kraft oder Belastung fließen Polyborsiloxane leicht, unter einer hohen Rate angelegter Kraft oder Belastung zeigen sie jedoch eine Zunahme der scheinbaren Viskosität, einen hohen Kompressionsmodul und einen starken elastischen Rückprall. Diese Materialien sind ebenfalls extrem elastisch und zeigen eine geringfügige permanente Verformung nach einer wiederholten Belastung. Dies macht Polyborsiloxane als Energie absorbierendes Medium einzigartig. Darüber hinaus kann die Hysterese von Polyborsiloxanen geändert werden, um die Eigenschaften für spezifische Anwendungen und Umgebungen zu optimieren, indem Schmiermittel (Weichmacher oder Verdünner), Füllstoffe (Verdickungsmittel) und dergleichen hinzugefügt werden.
Wenn das oben beschriebene Energie absorbierende Medium in einem Artikel, wie beispielsweise einem Sportpolster oder einem Sporthandschuh, die für Körperkontakt konstruiert sind, installiert wird, bietet es dem Träger bei Betrieb eine schützende Stoßabsorption und Energiezerstreuung. Eine bedeutendes vorteilhaftes Merkmal eines derartigen Polsterartikels ist die Fähigkeit, die Hysterese und den plastischen Fluss einzustellen oder abzustimmen, wenn auf das Polymer eine Belastung ausgeübt wird.
Die Rückprallrate des Artikels kann so abgestimmt werden, dass dem Bedarf eines bestimmten Benutzers und/oder einer bestimmten Aktivität entsprochen wird. Diese Faktoren bestimmen in Kombination die dynamische Belastung, auf die die Wiederherstellungsrate des Artikels abgestimmt werden kann. Durch Abstimmung können die maximalen Stoßabsorptionsfähigkeiten für eine Vielzahl spezifischer Anwendungen erreicht werden.
Polyborsiloxanelastomere weisen einen weiten Bereich an Eigenschaften auf und können auf einfache Weise für eine spezifische Viskosität, eine zeitabhängige mechanische Reaktion (elastische Hysterese) und andere wünschenswerte Eigenschaften gezielt hergestellt werden. Polyborsiloxanpolymere können so polymerisiert oder formuliert werden, dass sie einen Bereich von Entspannungszeiten aufweisen, die bei Raumtemperatur mehrere Größenordnungen überspannen.
Ein hoher Einstellungsgrad kann durch Mischen unterschiedlicher Polyborsiloxane und durch Zusammenmischen des Polymers mit Schmiermitteln und Füllstoffen erreicht werden. Die Behälterhülle selbst kann abhängig von den Merkmalen der jeweiligen Anwendung unterschiedliche Formen, Abmessungen und Konfigurationseinzelheiten aufweisen.
Für das Zusammenmischen des Polymers und das Abstimmen der Hysterese und verwandter Eigenschaften können Schmiermittel, wie beispielsweise Silikonöle, Fettsäuren und Fettsäuresalze und -fette, verwendet werden. Es können feste Partikelfüllstoffe, wie beispielsweise feste Partikel- oder Faserfüllstoffe, wie beispielsweise Siliciumdioxid oder Mikrokügelchen aus Siliciumdioxid, Phenolharze oder Thermoplaste, verwendet werden.
Die oben beschriebenen neuartigen Materialzusammensetzungen zur Absorption hoher Stoßenergie weisen zahlreiche Verwendungen und Anwendungen auf. Im Folgenden werden repräsentative Polsterartikelanwendungen aufgeführt, die die Bandbreite der vorteilhaften Verwendungen für die neuartigen absorbierenden Materialzusammensetzungen veranschaulichen:

(1) Sportpolsterartikel, wie beispielsweise Schulterpolsterschichten, Rippenschutz, Schienbeinschutz sowie Hüft- und Oberschenkelpolster in athletischen Ausrüstungen. Die schützende Zusammensetzung zur Absorption hoher Stoßenergie kann ebenfalls in Form einer Binde, einer elastischen Manschette oder der Verwendung eines Wickelmaterials, wie beispielsweise Gaze, verwirklicht werden, um die Zusammensetzung zu befestigen und die Extremität eines menschlichen Körpers zusätzlich zur Verwendung eines Polsterartikels zu schützen;
(2) Handschutzpolsterartikel, einschließlich Handschuhe, zur Verwendung beim Sport und in der Industrie;
(3) Sitzpolsterartikel für Kraftfahrzeuge, wie beispielsweise absorbierende Rennwagenmaterialien in Sitzen, um starke Vibrationen, Seitenbelastungen durch Beschleunigungskräfte und Stöße zu zerstreuen. Das Absorptionsansprechverhalten auf hohe Stoßenergie des Sitzpolsterartikels entlastet Druckpunkte, die durch unebene, rauhe Straßenbeläge, harte Sitzflächen und Zusammenstöße erzeugt werden.
(4) Medizinische Polsterartikel zur Verwendung als „Blöcke", um Patienten während Prozeduren, wie beispielsweise Röntgen, zu stützen, als Halskrausen oder als anpassungsfähiges absorbierendes Material und Polster, um das Körpergewicht von Personen mit beschränkten oder gar keinen motorischen Fähigkeiten, wie beispielsweise eines Querschnittsgelähmten, gleichförmig zu stützen. Derartige Polsterartikel können zum Stützen des Körpergewichts verwendet werden, ohne dass Druckpunkte entstehen, das Material „gestaucht" wird oder das Material eine „einmalige Einstellung" für eine bestimmte Form annimmt, wie es bei vielen traditionellen Polstermaterialien der Fall ist. Das absorbierende Medium kann zum Stützen einer Person in einer sitzenden Position (d.h. in einem Rollstuhl) oder in einer flach liegenden Position (d.h. in einem Krankenhausbett) verwendet werden. Das Medium passt sich vollständig an den Benutzer an, ohne Hohlräume zwischen unebenen Flächen und der Anatomie des Patienten zu erzeugen;
(5) Polsterartikel für den Schutz vor extremen Traumata zur Verwendung in Kombination mit anderen Schutzausrüstungen. Eine kugelsichere Weste mit dem neuartigen Medium als Stützmaterial ergibt eine Weste, die die Energie, die nach einem Aufprall einer Kugel durch die Weste übertragen wird, zerstreut;
(6) unter einer Oberfläche vorgesehene Polsterartikel zur Verwendung beispielsweise unter einer künstlichen Oberfläche eines Sportfeldes zur Bereitstellung einer Polsterung und Energiezerstreuung, um Komfort zu bieten und Verletzungen zu verringern. Der Polsterartikel für ein Sportfeld kann aus einer Anzahl separater "Zellen" bestehen, die unterschiedliche Stoßansprecheigenschaften zeigen. Beispielsweise könnte der Innenfeldbereich eines Baseballfeldes "weicher" gemacht werden als der Außenfeldbereich;
(7) Artikel zum Polstern von Industrie- und Militärausrüstung, um Stoß- und Vibrationszerstreuung in Anwendungen, wie beispielsweise Motoraufhängungen und Aufhängungen für Waffen an Bord von Seeschiffen, bereitzustellen;
(8) Verpackungspolsterartikel zum Schutz von Objekten, wie beispielsweise elektronischen Geräten, während des Versands; und
(9) In-situ-Polsterartikel, die im Feld gebildet werden können, um einen verletzten Bereich einer Person vor weiteren Verletzungen zu schützen, indem das anpassungsfähige absorbierende Medium mit dem verletzten Bereich in Kontakt gebracht wird und ein herkömmlicher Wickel über dem Medium angebracht wird, um es zu befestigen.

Es hat sich herausgestellt, dass die Anforderungen für den Schutz eines Objekts, einschließlich des menschlichen Körpers, gegen Stöße, Vibrationen, wiederholte Belastungen und Kontaktbelastungen über einen längeren Zeitraum durch Artikel oder Konstruktionen verbessert werden können, die die neuartige Zusammensetzung enthalten und mehrere spezifische Eigenschaften bieten.

• Die zu verwendenden Konstruktionen sollten die maximale Kontaktfläche bereitstellen, die der erforderlichen Konfiguration der Konstruktion, des Artikels oder der Vorrichtung, von der bzw. dem sie Teil ist, entspricht;
• Die Konstruktionen müssen sich stark an die Körperoberflächenkonfiguration anpassen können;
• Die Konstruktionen müssen die Anpassung bei Änderungen der Position oder der Haltung des Körpers frei ändern können, um die hohe Anpassungsfähigkeit an die Körperoberflächenkonfiguration beizubehalten;
• Die Konstruktion sollte auf starke angelegte Stoßkräfte zwischen dem Körper oder dem Objekt und der Konstruktion elastisch reagieren; und
• Die Konstruktion sollte die normalen Körperfunktionen normalerweise nicht beeinträchtigen oder behindern, wie es beispielsweise bei einer Einschränkung des Bewegungsbereichs oder dergleichen der Fall ist.

Es hat sich herausgestellt, dass die Anforderungen für den Schutz des Körpers vor Stoßbelastungen mit hoher kinetischer Energie durch Konstruktionen verbessert werden können, die mehrere zusätzliche spezifische Eigenschaften bieten;

• Die Dämpfung ist zum Teil eine Funktion sowohl der elastischen als auch der plastischen oder Fluidverformung. Stoßenergie sollte in seitlichen Richtungen in Winkeln zur Achse der Stoßbewegung durch das Medium übertragen werden, d.h. die Stoßenergie sollte über einen möglichst großen Bereich verteilt werden;
• Die Dämpfung ist ebenfalls zum Teil eine Funktion der Zeit für die Übertragung der Belastung auf den Körper. Eine Stoßkraft ändert sich im Quadrat zur Geschwindigkeit;
• Ein wichtiger zusätzlicher Faktor ist die Rate und Größe des elastischen Rückpralls.

Den Anforderungen dieser beiden Hauptkategorien des Kontakts und des Schutzes eines Objekts ist eine wesentliche Anzahl gemeinsamer Erwägungen und Forderungen gemein, die im Allgemeinen gleich sind, außer, dass der Schutz vor starken Stößen zusätzliche Kriterien aufweist, die für einen Kontakt über längere Zeit mit geringer Belastung nicht erforderlich sind.
Den Forderungen eines Schutzes vor wiederholten Bewegungsbelastungen und Vibrationen sind die Anforderungen sowohl des längeren Körperkontakts als auch der starken Stoßbelastung gemein, und sie weisen zusätzliche Anforderungen und Eigenschaften auf.
Die vorliegende Erfindung stellt ein polsterndes und Energie absorbierendes Medium sowie daraus hergestellte Artikel bereit, die diese Kriterien sowohl für einen statischen und längeren Kontakt mit geringer Belastung als auch für einen Kontakt mit einer hohen Stoßrate in äußerst effektiver Weise erfüllen, um verglichen mit den Polster- und Polsterungsmaterialien des Stands der Technik eine bessere Leistung bereitzustellen.
Weitere Vorteile der vorliegenden Erfindung werden bei der Lektüre der folgenden ausführlichen Beschreibung gegenwärtig bevorzugter Ausführungsformen der Erfindung zusammen mit den beigefügten Zeichnungen ersichtlich.
KURZE ZUSAMMENFASSUNG DER ZEICHNUNGEN
1 ist ein Ternärdiagramm, das die Mengen der Polymer-, Schmiermittel- und Füllstoffkomponenten der vorliegenden Erfindung mit der Viskosität oder dem Elastizitätsmodul und der Ansprechzeit des absorbierenden Mediums in Beziehung setzt.
2(a), 2(b) und 2(c) sind grafische Veranschaulichungen der Leistung zweier traditioneller Polster und eines Polsterartikels, der gemäß der vorliegenden Erfindung hergestellt wurde;
3(a) und 3(b) sind Veranschaulichungen eines Polsterartikels, der gemäß der vorliegenden Erfindung hergestellt wurde;
4(a) und 4(b) sind Veranschaulichungen einer Anwendung der neuartigen Polsterzusammensetzung in einem Sporthandschuh;
5 ist eine Veranschaulichung einer Anwendung der neuartigen Polsterzusammensetzung in dem Sitz eines Rennwagens;
6(a) und 6(b) veranschaulichen die Anwendung der neuartigen Polsterzusammensetzung auf ein Sportspielfeld; und
7(a), 7(b) und 7(c) sind bildliche Veranschaulichungen verschiedener Polsterkonfigurationen, die das neuartige Medium der vorliegenden Erfindung umfassen.
AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG
Die vorliegende Erfindung schafft ein Energie absorbierendes Medium und ein Verfahren, um daraus unter Verwendung polymerbasierter Materialien Formulierungen und Artikel zur Absorption hoher Stoßenergie herzustellen und ein „intelligentes" Polstersystem zu erzeugen, das für spezifische Anwendungen individuell angepasst werden kann. Im Ruhezustand oder als Reaktion auf eine geringe angelegte Kraft bietet das absorbierende Material eine anpassungsfähige Polsterung und Stütze mit der Fähigkeit sich selbst einzustellen und sich gemäß der Anatomie des Objekts oder des Benutzers umzuformen. Bei einem plötzlichen Stoß oder einer starken angelegten Kraft reagiert das absorbierende Material auf die Scherkräfte oder die Beschleunigungsbelastung und versteift sich schnell, um Energie, Stöße und Vibrationen zu dissipieren.
Die neuartige Polymerzusammensetzung ist ein komplexes Fluid, das ein Polymer umfasst, das mit einem Schmiermittel und einem Füllstoff in einem Verhältnis gemischt ist, das eine Reaktion eines Energie absorbierenden Materials erzeugt, die für eine gegebene Anwendung angemessen ist. Die Polymerzusammensetzung ist ein kittartiges Material, das bei Raumtemperatur keinen Fluss zeigt, außer wenn eine Kraft angelegt wird. Dieses Merkmal der Zusammensetzung trägt zur gewünschten anpassungsfähigen Eigenschaft des absorbierenden Mediums bei.
Das Schmiermittel (das ein flüssiges oder pastenartiges Schmiermittel sein kann) und der Füllstoff (der typischerweise ein fein zerteilter fester Füllstoff ist) werden mit Hilfe eines mechanischen Mittels in dem Polymer dispergiert. Das Schmiermittel zeigt entweder flüssige oder pastenartige Qualitäten, was inhärent eine geringe oder gar keine Stützung oder Energieabsorption bietet.
Ein geeignetes Polymer ist ein Polymer, das eine Wasserstoffbindung aufweist. Diese Wasserstoffbindungen sind das Ergebnis einer Dipol-Wechselwirkung zwischen Polymerketten. Die gebildeten Wasserstoffbindungen sind keine permanenten kovalenten Bindungen, sondern labile oder reformierbare Bindungen, die das dilatante Verhaltensmerkmal von Polyborsiloxanen bereitstellen. Polymere, die eine Wasserstoffbindung aufweisen, umfassen zusätzlich zu Polyborsiloxanen Xanthan, Guaran, Polyvinylalkohol-Natriumtetraborat sowie andere Polymerzusammensetzungen mit Wasserstoffbindung. Polyborsiloxane zeigen in der reinen Form eine sehr hohe Elastizität oder Energierückführungseigenschaft.
Geeignete Füllstoffe sind typischerweise inerte Materialien, die von freifließenden bis zu zusammenbackenden Pulvern, Mikrokügelchen, Zellstoff, Fasern, mikrozellulären Schaumstoffen, Schaumstoffen mit geschlossenen Zellen und anderen Materialien reichen.
Während keine der Zusammensetzungskomponenten selbst die erforderlichen Eigenschaften zur Erreichung der gewünschten Stoß absorbierenden Zerstreuung und Energiezerstreuung aufweist, erzeugt ihre Mischung ein nicht absackendes Fluid, das die abhängigen Merkmale mit der gewünschten Rate zeigt.
Die neuartigen Materialzusammensetzungen zur Absorption hoher Stoßenergie, die auf dieser Erfindung basieren, zeigen eine zeit- oder ratenabhängige Reaktion auf eine angelegte Kraft oder Verformung, wodurch die individuelle Anpassung der Reaktion dieser Materialformulierungen an unterschiedliche Typen von Belastungs- und Verformungssituationen ermöglicht wird. Die Materialformulierung kann durch die Hinzufügung eines inkompatiblen Schmiermittels, das die Entfernung zwischen Polymerketten effektiv vergrößert, gezielt hergestellt werden. Dies hat die Wirkung einer Verringerung der Stärke und der Menge der Wasserstoffbindungen. Sowohl die Änderung der Dipol-Wechselwirkung zwischen den Polymerketten als auch die Abnahme der Anzahl von Dipol-Wechselwirkungen haben eine Änderung des zeitabhängigen und ratenabhängigen Verhaltens der Materialformulierung zur Folge.
Ein Material zur Absorption hoher Stoßenergie, das gemäß dieser Erfindung hergestellt ist, verhält sich mal wie ein vernetztes Elastomer und mal wie ein viskoses Fluid. Dieses thermo-rheologisch komplexe Verhalten hat das einzigartige Verhalten und die daraus folgende Leistung der Materialzusammensetzungen zur Absorption hoher Stoßenergie zur Folge. Während die Reaktion der Zusammensetzung auf plötzliche Stoßkräfte hinsichtlich der Energieabsorption aus Gründen der Angemessenheit im Allgemeinen beschrieben wurde, absorbieren diese Zusammensetzungen tatsächlich wenig Energie. Stattdessen ermöglicht die zeitabhängige oder ratenabhängige Reaktion der Materialzusammensetzung auf einen plötzlichen Stoß die Verteilung einer lokalisierten Belastung oder eines lokalisierten Stoßes auf einen größeren Oberflächenbereich und über eine längere Zeitperiode, was zur Folge hat, dass niedrigere Spitzenbelastungen auf das geschützte belebte oder unbelebte Objekt übertragen werden. Die Energieabsorption durch plastische oder viskose Verformung ist minimal. Dies kann demonstriert werden, indem die neuartige absorbierende Materialzusammensetzung zyklisch belastet wird und beobachtet wird, dass die resultierende Wärmezunahme minimal ist.
Die verwendeten Füllstoffe werden vorzugsweise hinzugefügt, um eine Mischung zu stabilisieren, die andernfalls oftmals eine thermodynamisch instabile Mischung ist, und um die Viskosität auf den Punkt einer nicht absackenden kittartigen Materialzusammensetzung zu erhöhen. Durch Verwendung eines Füllmaterials, wie beispielsweise Zellstoff oder Fasern, wird die Reißfestigkeit der Zusammensetzung erhöht und die Energiezerstreuung bereitgestellt.
Ein Beispiel eines Energie absorbierenden Mediums, das gemäß dieser Erfindung hergestellt ist, ist eine Zusammensetzung aus 100 pph (Teile pro Hundert) Polyborsiloxanpolymer, 60 pph eines gelierten Metallseifeparaffmschmiermittels und 20 pph Kunststoffmikrokügelchen. Dies entspricht einer Zusammensetzung von jeweils 60%, 30% und 10%.
Das Verhältnis der Zusammensetzungskomponenten wird durch die gewünschte Absorptionsleistung für eine gegebene Anwendung bestimmt.
Unter Bezugnahme auf das Ternärdiagramm aus 1 weisen die Zusammensetzungen des Mediums, die mehr Füllstoff aufweisen, höhere Viskositäten oder einen höheren Elastizitätsmodul auf und sind weniger anpassungsfähig. Zusammensetzungen des Mediums mit mehr Polymer weisen eine kürzere Ansprechzeit auf und jene mit mehr Schmiermittel sind weniger viskos und weisen eine längere Ansprechzeit auf. Zusammensetzungen des Mediums mit höheren Viskositäten weisen kürzere Scheransprechzeiten auf als Zusammensetzungen mit niedrigerer Viskosität.
Die Zusammensetzung des absorbierenden Mediums umfasst typischerweise ein Wasserstoff gebundenes Polymer, dessen zeitabhängige (Hysterese-) Eigenschaften durch die Hinzufügung eines Schmiermittels und eines Füllstoffs modifiziert sind, um die Zusammensetzung bei Raumtemperatur stark viskos zu machen.
Die Zusammensetzung ist eine Mischung aus Materialien, welche ein Fluid zur Folge hat, das bei Raumtemperatur keinen Fluss zeigt. Die Zusammensetzung, die vorzugsweise aus einem Silikonpolymer, einem Schmiermittel und einem Füllstoff besteht, ist bei Raumtemperatur ein stark viskoses Fluid. Wenn ein Polsterartikel, der die Zusammensetzung verwendet, einem Energiestoß mit hoher Rate ausgesetzt wird, reagiert die Zusammensetzung durch eine Erhöhung ihrer scheinbaren Viskosität und eine darauffolgende Übertragung der Energie während einer längeren Zeit als der Zeit, während der sie dem Stoß ausgesetzt ist, wodurch die maximale oder Spitzenkraft verringert wird, die auf den geschützten menschlichen Körper oder das geschützte Objekt übertragen wird. Diese inhärente Eigenschaft der Zusammensetzung ist für die Verwendung als Stoßdämpfer oder Energie dämpfendes Polster zum Schutz des menschlichen Körpers sowie anderer Objekte ideal. Die Stoß absorbierende Materialzusammensetzung ist für die Verpackung oder Verkapselung in einem Behälter oder einer Hülle zur Verwendung in einer Ausstattung zur Absorption von oder zum Schutz gegen hohe Stoßenergie geeignet.
Die einzigartige Leistung eines Polsterartikels, der eine Materialzusammensetzung verwendet, die gemäß der vorliegenden Erfindung hergestellt ist, ist in 2 veranschaulicht, in der die Reaktion eines derartigen Polsterartikels auf eine plötzliche oder starke angelegte Kraft mit der Reaktion traditioneller Polstermaterialien verglichen wird. Die Kurven (a), (b) und (c) aus 2(a), 2(b) und 2(c) sind Diagramme der Kraft (F), die mit der Zeit (T) auf ein Objekt übertragen wird, das von den jeweiligen Polstern geschützt wird. Die Kurve (a) entspricht der Reaktion eines starren Kunststoffpolsters, Kurve (b) entspricht der Reaktion eines weichen Gummis oder Gelpolsters und Kurve (c) entspricht der Reaktion eines Polsterartikels, der gemäß der vorliegenden Erfindung hergestellt ist.
Die Energiezerstreuung der angelegten Kraft ist das Integral der Kraft (F) in Funktion zur Zeit (T).
Wenn die gesamte kinetische Energie letztlich auf das Objekt übertragen wird, das von den Polstern geschützt wird, sind die Bereiche A1, A2 und A3 unter den Kurven (a), (b) und (c) gleich. Jedoch ist ersichtlich, dass sich der Stoß der angelegten Kraft auf das geschützte Objekt drastisch unterscheidet.
Die Reaktion des starren Kunststoffpolsters überträgt, wie in 2(a) veranschaulicht, die angelegte Kraft in einer kurzen Zeitperiode als starke Spitzenbelastung und prallt auf eine begrenzte Oberfläche eines geschützten Objekts auf.
Die Reaktion des weichen Gummi- oder Gelpolsters überträgt, wie in 2(b) veranschaulicht, die angelegte Kraft als gemäßigte Spitzenbelastung über eine etwas längere Zeitperiode als das starre Kunststoffpolster und prallt auf eine etwas größere Oberfläche des geschützten Objekts auf.
Die Reaktion des Polsterartikels, der gemäß der vorliegenden Erfindung hergestellt wurde, überträgt, wie in 2(c) veranschaulicht, die angelegte Kraft als eine geringe Spitzenbelastung über eine längere Zeitperiode und auf eine größere Oberfläche des geschützten Objekts, wodurch die Spitzenkraft, die auf das Objekt auftrifft, minimiert wird.
Folgendes ist repräsentativ für Zusammensetzungen, Formulierungen und ihre Anwendungen:
Eine Ausführungsform der Erfindung als Polsterartikel 10 ist in 3(a) und 3(b) veranschaulicht, wobei die neuartige Materialzusammensetzung 12 in einem Behälter 14 verpackt ist.
4(a) und 4(b) veranschaulichen die Anwendung der neuartigen Materialzusammensetzung als Polstereinsätze 18 in einem Sporthandschuh 20, während 5 die Verwendung der neuartigen Materialzusammensetzung als Polsterelemente 22 eines Rennwagensitzes 24 veranschaulicht.
Wie in 6(a) und 6(b) gezeigt, können Polsterzellen 26, die gemäß der vorliegenden Erfindung hergestellt sind, in Platten 28 verpackt werden und mehrere Platten können zwischen der Oberfläche eines Sportspielfeldes 30 und der künstlichen Oberfläche 32 und der Stützschicht 34 angeordnet werden, um eine Energiezerstreuung bereitzustellen und Verletzungen zu verringern. Andere Oberflächen, wie beispielsweise ein Basketballboden, ein Boxring usw. könnten von dem neuartigen Polstermedium profitieren.
7(a) ist eine Veranschaulichung eines Polsterartikels 40, der dafür konstruiert ist, die Schulter 42 eines menschlichen Körpers zu schützen.
7(b) und 7(c) sind jeweils Veranschaulichungen von Polsterartikeln 44 und 46 zur Verwendung als Polster zum Schutz der Schulter, des Oberschenkels, der Hüfte oder des Schienbeins eines menschlichen Körpers.
Die bevorzugte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist eine Polymerzusammensetzung, die als Mischung aus Folgendem hergestellt ist: einem Polyborsiloxanpolymer, das einen hohen Grad intermolekularer Bindung zeigt, einem Schmiermittel, das vorzugsweise ein Kohlenwasserstoff basiertes Fett oder Fluid ist, sowie einem Füllstoff, der aus Mikrokügelchen, Kunststoffpulver, Keramikmaterialien, Metallen oder Fasern und Zellstoffmaterialfüllstoffen ausgewählt werden kann. Der Füllstoff wird in einer derartigen Menge hinzugefügt, dass die inhärente Energierückführung des Polymers minimiert wird, jedoch wird weniger hinzugefügt als eine Menge, die zur Folge hätte, dass die Zusammensetzung die Eigenschaften des Füllstoffs annehmen würde.
Ein Basispolymer, das eine intermolekulare oder Wasserstoffbindung aufweist, kann mit einem Füllstoff und einem Schmiermittel mechanisch vermischt werden, um eine Zusammensetzung zu erzeugen, die eine ratenabhängige mechanische Reaktion auf angelegte Belastungen oder Kräfte aufweist. Je mehr Schmiermittel zu dem Medium hinzugefügt wird, desto länger ist die Ansprechzeit. Das Basispolymer ist ein hoch elastisches Material und zeigt eine nahezu vollständige Energierückführung und sofortige Reaktion auf eine angelegte Belastung und stellt die ratenabhängige Reaktion der Zusammensetzung bereit. Das Schmiermittel stellt die Anpassungsfähigkeit der Zusammensetzung bereit, wodurch dem Polymer ermöglicht wird, ohne Bruch zu scheren. Der Füllstoff, der nicht fließt, dient zur Stabilisierung der Zusammensetzung.
Die bevorzugten Eigenschaften der neuartigen Zusammensetzung umfassen das Nicht-Absacken oder den Mangel an kaltem Fluss der Mischung. Die Zusammensetzung passt sich an, wenn eine angelegte Belastung die Zusammensetzung verformt, wie beispielsweise in einem Sitzpolster. Die statische Viskosität der Zusammensetzung ist jedoch ausreichend groß, dass ohne eine angelegte Belastung ein geringer oder gar kein Fluss stattfindet.
Es wird ebenfalls bevorzugt, dass das Schmiermittel mit dem Polyborsiloxan vollständig mischbar ist, um eine Mischung herzustellen, die thermodynamisch nicht vollständig stabil ist. Zu dieser Mischung wird eine ausreichende Menge Füllstoff hinzugefügt, um die gewünschten Eigenschaften der Stoßdämpfung und der statischen Viskosität zu erzeugen. Wenn ein Füllstoff mit geringer Dichte hinzugefügt wird, verringert er die scheinbare Dichte des Mediums.
Die bevorzugte Bandbreite der Zusammensetzung beträgt in Gewichtsprozent 90% Polymer bis weniger als 20% Polymer, Schmiermittel von weniger als 20% bis mehr als 60% und Füllstoff von 0% bis 90%, abhängig von der Partikelgröße und dem spezifischen Gewicht des Füllstoffs. Eine typische Materialformulierung zur Absorption hoher Stoßenergie gemäß dieser Erfindung würde aus 70% Polyborsiloxan, 20% Schmiermittel und 10% Füllstoff bestehen.
Die Füllstoffe weisen vorzugsweise eine kleine Partikelgröße und eine geringe Härte auf. Da ein Kontakt zwischen den Partikeln auftreten kann, sollte sich die Zusammensetzung nicht wie ein Monolithblock des Füllstoffs verhalten. Es wurden volumetrische Mengen einer Mischung aus Polymer und Schmiermittel verwendet, die ungefähr äquivalent zur Menge des Füllstoffs sind, und diese haben sich als wünschenswert herausgestellt. Es ist höchst wünschenswert, dass der Füllstoff eine kohäsive Wechselwirkung mit der Polymer-Schmiermittel-Mischung aufweist, d.h., so dass entweder das Polymer oder das Schmiermittel (oder beides) die Oberfläche des Füllstoffs befeuchtet, um der Mischung eine Viskositätsverbesserung bereitzustellen, die über der eines nicht interagierenden Füllstoffs liegt.
Ein Medium einer Mischung aus Polyborsiloxan mit einem Schmiermittel und einem Füllstoff zur Absorption hoher Stoßenergie, das für Situationen mit starken Stößen hergestellt ist, wurde getestet, indem eine 9 mm-Patrone von einer Pistole in eine kugelsichere Weste abgefeuert wurde, die von einer absorbierenden Zusammensetzung dieser Erfindung gestützt wurde. Kugelsichere Westen, die typischerweise aus Kevlar-Stoffen hergestellt sind, stoppen die meisten Kugeln und hindern sie daran, die Westen zu durchdringen; jedoch ist der Stoß der Energie, der von dem Benutzer der Weste absorbiert wird, bedeutend. Wenn eine Kugel auf die Weste aufprallt, treten Verletzungen, wie beispielsweise schwere Prellungen, gebrochene Knochen und innere Blutungen, auf, die lange Genesungszeiten und in manchen Fällen den Tod zu Folge haben – obwohl die Kugel nicht in das Opfer eingedrungen ist.
Es wurde ein Test durchgeführt, um die Energie zerstreuende Fähigkeit des erfinderischen Mediums unter extrem hohen Energiestoßraten zu beobachten. Er bestand aus dem Abfeuern einer Pistole aus der Nähe in eine kugelsichere Weste mit und ohne Verwendung der neuartigen Zusammensetzung zur Absorption hoher Stoßenergie. Die Schüsse wurden aus der Nähe abgefeuert (d.h. drei Fuß), um Traumata zu beobachten. Ein erster Test wurde ohne Verwendung des neuartigen Energie absorbierenden Mediums durchgeführt. Ein zweiter Test wurde durchgeführt, um die Vorteile der Verwendung des neuartigen Mediums zu beobachten, das in der Weste und am Torso einer Puppe angeordnet war.
Bei dem ersten Test wurde die kugelsichere Weste über einem hohlen Puppentorso angeordnet, der aus einem Material hergestellt war, das Knochen nachahmte. Eine 9 mm-Pistole wurde aus drei Fuß Entfernung in die kugelsichere Weste abgefeuert. Die 9 mm-Patrone drang nicht in die Weste ein; jedoch wurde durch den Stoß, der aufgrund der Aufpralls mit hoher Energie durch die Weste geleitet wurde, in der Puppe ein Loch mit einem Durchmesser von vier Zoll erzeugt.
Bei dem zweiten Test wurde ein Medium zur Absorption hoher Stoßenergie, das aus einer Mischung aus Polyborsiloxan, einem Schmiermittel und einem Füllstoff bestand, hinter der kugelsicheren Weste angeordnet. Wiederum wurde eine 9 mm-Pistole aus drei Fuß Entfernung in die kugelsichere Weste abgefeuert. Das Ergebnis des Tests zeigte keine Anzeichen eines Aufpralls auf den Puppentorso. Der Test wurde dreimal durchgeführt – immer mit denselben Ergebnissen. Das Medium blieb im Ruhezustand, bevor und nachdem die Kraft ausgeübt wurde, ein Fluid. Während des Tests reagierte das Energie absorbierende Medium auf die plötzliche und starke Scherkraft, die aus dem Aufprall der Kugel resultierte, durch angemessene Versteifung, um hohe Energievolumen in einer sehr kurzen Zykluszeit zu dissipieren.
Die Anwendungen des neuartigen Energie absorbierenden Mediums der Erfindung sind zahlreich.
Das Energie absorbierende und Form anpassungsfähige Medium der vorliegenden Erfindung bietet höchst wünschenswerte Eigenschaften, wenn es auf ein Lenkrad eines Kraftfahrzeugs aufgetragen wird. Typischerweise ist eine Vielzahl von Kapseln der vorliegenden Erfindung mit dem Lenkrad verbunden und erstreckt sich um dasselbe. Jede dieser Kapseln ist in ausgewählten Intervallen um das Lenkrad angeordnet. Es wird darauf hingewiesen, dass eine einzelne Kapsel in das Lenkrad integriert werden könnte, ohne von dem Geist der Erfindung abzuweichen. Beispielsweise könnte eine einzelne kontinuierliche Schleife einer Kapsel in das Lenkrad integriert werden.
Andere Typen von Vorrichtungen, wie beispielsweise Sportausrüstungen, können die Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung verwenden. Ein Golfschläger beispielsweise umfasst einen Kopf, einen Schaft und einen Griff, der mit einem Handgriff umwickelt ist. Der Handgriff kann aus dem Energie absorbierenden und Form anpassungsfähigen Medium der vorliegenden Erfindung hergestellt sein oder das Medium kann in den Schaft integriert werden.
Ein Tennisschläger umfasst einen Kopf und eine Fläche, einen Hals und einen Tennisgriff, der in einen Tennishandgriff gewickelt ist. Der Tennishandgriff kann teilweise aus dem Energie absorbierenden und Form anpassungsfähigen Medium der vorliegenden Erfindung hergestellt sein.
Ein Baseballschläger umfasst ein Griffsegment, das in manchen Fällen mit einem Handgriff umwickelt ist. Der Baseballschlägerhandgriff kann aus dem Energie absorbierenden und Form anpassungsfähigen Medium der vorliegenden Erfindung hergestellt sein.

Claims

Stoßenergie absorbierendes Medium, das ein Polymer, welches aus einem Polyborsiloxanelastomer, Xanthan, Guaran und Polyvinylalkohol-Natriumtetraborat ausgewählt ist, welches Polymer energieabsorbierende Eigenschaften und dilatante viskoelastische Fließeigenschaften aufweist; ein Schmiermittel und einen Füllstoff aufweist; dadurch gekennzeichnet, dass der Füllstoff ein Fasermaterial ist, das entweder durch das Polymer oder das Schmiermittel oder beide benetzbar ist, und wobei das Medium keinen Fluss bei Raumtemperatur aufweist, sofern keine Kraft angelegt wird.
Stoßenergie absorbierendes Medium nach Anspruch 1, bei dem die genannte Polymerzusammensetzung unter einer niedrigen Größe angelegter Kraft anpassungsfähig ist.
Stoßenergie absorbierendes Medium nach Anspruch 1, bei dem die Polymerzusammensetzung eine Mischung aus einem Polymer, einem Schmiermittel und einem Füllstoff aufweist.
Stoßenergie absorbierendes Medium nach Anspruch 3, bei dem die Mischung aus dem Polymer, Schmiermittel und Füllstoff variiert werden kann, um die Anpassungs- und Zeitreaktionsanforderungen einer gegebenen Anwendung des absorbierenden Mediums zu erfüllen.
Stoßenergie absorbierendes Medium nach Anspruch 1, bei dem der Polymergehalt von 90 Gew.-% bis 20 Gew.-%, die Menge von Schmiermittel von 60 Gew.-% bis 20 Gew.-% und die Menge von Füllstoff bis zu 90 Gew.-% beträgt.
Stoßenergie absorbierendes Medium nach Anspruch 1, bei dem die genannte Polymerzusammensetzung eine weichgemachte, vernetzte, viskoelastische Polymerzusammensetzung aufweist, wobei das Polymer reformierbare chemische Opferbindungen hat, die vorzugsweise unter hohen Scherbedingungen zerbrochen werden und sich unter niedrigen Spannungsbedingungen reformieren.
Stoßenergie absorbierender Artikel, umfassend: ein energieabsorbierendes Material eingeschlossen durch ein Einschlussmittel, wobei das genannte Material ein wie in Anspruch 1 beanspruchtes Medium ist.
Stoßenergie absorbierender Artikel nach Anspruch 7, wobei der genannte Artikel formanpassend ist und für Stoßabsorption und -Zerstreuung angepasst ist.
Stoßenergie absorbierender Artikel nach Anspruch 7, wobei das genannte Einschlussmittel aus der genannten Polymerzusammensetzung besteht, die weiter zu einer flexiblen Eingrenzung polymerisiert ist.
Stoßenergie absorbierender Artikel nach Anspruch 7, bei dem das genannte Einschlussmittel eine Schutzhülle ist.
Stoßenergie absorbierender Artikel nach Anspruch 7, bei dem das genannte Einschlussmittel flexibel ist.
Stoßenergie absorbierender Artikel nach Anspruch 7, bei dem die Polymerzusammensetzung dilatante Fließeigenschaften aufweist.
Stoßenergie absorbierender Artikel nach Anspruch 7, der ausgewählt ist von: einem Sportpolsterartikel; einem Handschutzpolsterartikel, einem Sitzpolsterartikel für ein Kraftfahrzeug; einem medizinischen Polster; einem Extremverletzungs-Schutzpolsterartikel; einem unter einer Oberfläche vorgesehenen Polsterartikel; einem Artikel zum Polstern von Industrieausrüstung, einem Artikel zum Polstern von Militärausrüstung; einem Packungspolsterartikel und einem in-situ-Polsterartikel.
Verfahren zum Bilden eines viskoelastischen, Stoßenergie absorbierenden Mediums gemäß Anspruch 1, das den Schritt aufweist, ein von Polyborsiloxanelastomer, Xanthan, Guaran und Polyvinylalkohol-Natriumtetraborat ausgewähltes Polymer, welches Polymer energieabsorbierende Eigenschaften und dilatante viskoelastische Fließeigenschaften aufweist; ein Schmiermittel und einen Füllstoff zu kombinieren.
Verfahren nach Anspruch 14, bei dem das genannte Polymer und das genannte Schmiermittel und der genannte Füllstoff zum Bilden eines thermodynamisch stabilen, nicht absackenden Mediums kombiniert werden.
Verfahren nach Anspruch 14, bei dem das genannte Polymer und der genannte mindestens eine Zusatzstoff zum Bilden eines anpassungsfähigen Mediums kombiniert werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 14–16, bei dem der Polymergehalt von 90 Gew.-% bis 20 Gew.-%, die Menge von Schmiermittel von 60 Gew.-% bis 20 Gew.-% und die Menge von Füllstoff bis zu 90 Gew.-% beträgt.
Verfahren nach Anspruch 17, bei dem die Mischung des Polymers, Schmiermittels und Füllstoffs variiert werden kann, um die Anpassungs- und Zeitreaktionsanforderungen einer gegebenen Mediumanwendung zu erfüllen.
Verfahren nach Anspruch 14, bei dem das Medium dilatante Fließeigenschaften aufweist.
Stoßenergie absorbierendes Medium nach Anspruch 1, bei dem das Medium die Energie einer angelegten Kraft oder Spannung in Übereinstimmung mit der Größe der angelegten Kraft oder Spannung zerstreut.
Medium nach Anspruch 20, bei dem die Zusammensetzung als ein festes Elastomer unter einer hohen Größe angelegter Kraft oder Spannung, und als eine äußerst anpassungsfähige viskose Flüssigkeit im Ruhezustand wirkt.