PL231757B1 - Nagolennik piłkarski o zwiększonym stopniu absorbowania energii - Google Patents

Description

Przedmiotem wynalazku jest nagolennik piłkarski o zwiększonym stopniu absorbowania energii.

Współczesne nagolenniki np. firmy PUMA składają się z odpowiednio wyprofilowanej, pasującej do nogi piłkarza (goleni) zewnętrznej tarczy wykonanej najczęściej z polipropylenu i wewnętrznej elastycznej pianki, najczęściej z kopolimeru etylenu z octanem winylu (EVA). Podobnie zbudowane są nagolenniki firmy Adidas - twarda przednia płytka zapewnia wysoki poziom ochrony, a wewnętrzna warstwa wykonana jest z miękkiej w dotyku pianki EVA. Ochraniacze firmy Storelli zawierają wewnętrzną warstwę w postaci wiskoelastycznej pianki poliuretanowej typu Poron XDR charakteryzującej się ujemnym współczynnikiem Poissona. W ostatnich latach firma Diadora Gamma Carbonic wprowadziła na rynek jednoczęściowe ochraniacze piłkarskie wykonane z cienkiego kompozytu z włóknem węglowym. Charakteryzują się one małą masą oraz zwiększonym zakresem ochrony - osłaniają nie tylko goleń, ale nogę poniżej kolana łącznie z częścią łydki. Wadą takiego rozwiązania jest niewielki stopień absorbowania energii oraz bardzo wysoka cena.

Znany z opisu patentowego US 6654960 ochraniacz piłkarski zbudowany jest z elastycznej ażurowej konstrukcji zapewniającej dobrą wentylację oraz łatwe odparowywanie potu. Zewnętrzna sztywna płytka zawiera otwory o przekroju trójkątnym, a wewnętrzna część wykonana jest z elastycznej pianki dobrze dopasowującej się do nogi i zawiera również otwory o takim samym przekroju.

Rozwiązanie typu Mercurial Flylite zastosowane przez firmę Nike charakteryzuje się małą masą, a przy tym oferuje tę samą lub lepszą ochronę w stosunku do tradycyjnych nagolenników. Składa się z twardej płytki i odsuniętej od wewnętrznej powierzchni, za pomocą występów, drugiej elastycznej płytki z otworami o różnym kształcie i wielkości, dobranych do ryzyka urazu ochranianej części ciała. Taka ażurowa konstrukcja zapewnia dobrą wentylację i wysoki komfort użytkowania.

Nagolennik utrzymywany jest we właściwej pozycji różnymi sposobami: a) za pomocą tasiemek przymocowanych do nagolennika, b) za pomocą mocowania typu „splitloop” przytwierdzonego do powierzchni nagolennika i wewnętrznej powierzchni skarpety piłkarskiej (US 3465364), c) za pomocą elastycznej skarpety (US 3465364, US 5581817, US 4669126, US 5405312). Zgodnie z amerykańskim opisem patentowym US 5926844 nagolenniki utrzymywane są we właściwej pozycji za pomocą elastycznych taśm przymocowanych od góry i od dołu wierzchniej części płytki, zapinanych na tzw. rzepy.

Z opisu patentowego US6253376 znane są ochraniacze kolan, w których, pomiędzy warstwą wewnętrzną i zewnętrzną, są umieszczone komory wypełnione płynem, takim jak np. półstały żel, woda lub powietrze. Komory są wyposażone w środki umożliwiające napełnianie komór płynem i opróżnianie ich. Warstwa zewnętrzna jest wykonana z materiału o wysokiej wytrzymałości, np. tkaniny aramidowej. Pomiędzy komorą wypełnioną płynem a warstwą zewnętrzną może być umieszczona warstwa pianki. Komory zawierające płyn są wykonane z materiału odpornego na przekłucie, takiego jak np. gruba, elastyczna guma. Wymagany jest materiał stabilny, wytrzymujący wysokie ciśnienie powstające w komorze przy obciążeniu podczas upadku, uderzenia lub pracy na kolanach. Ochraniacz kolana może zawierać jedną lub większą liczbę komór z płynem, połączonych lub nie, rozmieszczonych w dowolnym pożądanym kształcie i wzorze, np. o strukturze plastra miodu, jako równoległe komory cylindryczne, podłużne współosiowe toroidy o różnej średnicy, itp.

Znane są ciecze zagęszczane ścinaniem, zwane także cieczami dylatancyjnymi. Ciecze zagęszczane ścinaniem należą do reostabilnych cieczy nienewtonowskich. W warunkach stałej temperatury lepkość cieczy dylatancyjnych rośnie wraz ze wzrostem szybkości ścinania. Gwałtowny wzrost lepkości następuje po przekroczeniu krytycznej szybkości ścinania. Ciecze te pod wypływem zewnętrznego bodźca zachowują się w sposób przewidywalny. Łączą w sobie cechy czujnika, procesora i aktywatora, dlatego możemy zaliczyć je do grupy materiałów inteligentnych.

Najczęściej ciecze dylatancyjne wytwarza się w postaci mieszaniny glikolu polietylenowego oraz krzemionki. Znane są z literatury przedmiotu ciecze dylatancyjne, w których proszki krzemionkowe zastąpione zostały przez cząstki z polimetakrylanu metylu) i kaolinu [Lee Y., Wetzel E., Wagner N.J, Journal of Materials Science 2003, 38, 2825; Dennis P. Kalman, Richard L. Merrill, Norman J. Wagner, and Eric D. Wetzel, Applied Materials & Interfaces, 2009, 1, 2602; Brian A. Rosen, Caroline H. Nam Laufer, Dennis P. Kalman, Eric D. Wetzel, and Norman J. Wagner, Multi-threat performance of kaolin-based shear thickening fluid (STF)- treated fabrics, Proceedings of SAMPE 2007. Baltimore, MD. 3-7 June 2007; J. L. Park, B. Yoon, J. G. Paik and T. J. Kang, Textile Research Journal, 2012, 82, 527].

PL 231 757 B1

Bardzo często ciecze zagęszczane ścinaniem znajdują zastosowanie wszędzie tam, gdzie podczas normalnej eksploatacji wymagana jest elastyczność materiału, natomiast w przypadku nagłych zderzeń lub groźby urazu wymagane jest usztywnienie struktury np. przez gwałtowne utwardzenie się cieczy.

Ze względu na swoją naturę ciecze zagęszczane ścinaniem nie mogą być zastosowane jako osobno występujący materiał konstrukcyjny, ponieważ nie są wstanie utrzymać w długim przedziale czasowym nadanego im kształtu (rozpływają się po powierzchni, spływają itp.). Z tego względu zastosowanie cieczy zagęszczanych ścinaniem wymaga trwałego osadzenia ich na elemencie nośnym lub zamknięcia w jakiejś strukturze.

Jednym ze sposobów zastosowania cieczy zagęszczanych ścinaniem jest ich osadzenie (impregnacja) na różnego typu materiałach włóknistych. Z opisu zgłoszenia patentowego US 2006/0234577 znana jest impregnacja włókien aramidowych lub innych o podobnych właściwościach wytrzymałościowych. Impregnacja tego typu włókien cieczami zagęszczanymi ścinaniem pozwala na zwiększenie ich właściwości ochronnych, co może być wykorzystane w produkcji kamizelek kuloodpornych. Z opisu patentowego US 4425080 znana jest impregnacja różnego typu elastycznych tkanin w postaci taśmy, co pozwala otrzymać materiały o zwiększonych właściwościach tłumienia drgań mające zastosowanie w okładzinach turbin silników odrzutowych. W zależności od składu masy zagęszczanej ścinaniem i jej lepkości można zastosować różne sposoby impregnacji. Jednym z nich jest dodanie do cieczy lotnego rozpuszczalnika o niskiej temperaturze wrzenia, który jest obojętny w stosunku do składników cieczy i z nimi nie reaguje. Najczęściej stosuje się do tego alkohol etylowy. Maty nasącza się mieszaniną cieczy w dodatkowym rozpuszczalniku, po czym nadmiar cieczy usuwa poprzez odciśnięcie. Następnie maty poddawane są działaniu podwyższonej temperatury w celu odparowania dodanego rozpuszczalnika [Decker, M.J., Halbach C.J., Nama C.H., Wagner N.J., Wetzel E.D., Composites Science and Technology, 2007, 67, 565; patent US 7 498 276 B2; zgłoszenia patentowe: US 2014/0143927, US 2013/ /0160638 i WO 2007146703]. Innym sposobem na impregnację materiału, znanym z publikacji [Tan V.B.C., Tay T.E., Teo W.K., International Journal of Solids and Structures, 2005, 42, 1561], jest zastosowanie cieczy zagęszczanej ścinaniem z fazą dyspergującą dobrze zwilżającą włókna maty. Włókna amidowe impregnowane były za pomocą cieczy dylatancyjnych bazujących na układach wodnych zawiesiny proszków SiO2. Badania wykazały, że materiał aramidowy zaimpregnowany zawiesiną zagęszczaną ścinaniem zwiększał swoje zdolności ochronne.

Innym sposobem immobilizowania cieczy zagęszczanych ścinaniem znanym z amerykańskich opisów patentowych [US 4503952, US 3833952 i US 4759428], jest ich zamknięcie pomiędzy dwoma pracującymi elementami. Z reguły jeden z elementów jest nieruchomy. W momencie zmiany położenia jednego z elementów względem drugiego (np. obrót lub przesuw) generuje się naprężenie ścinające powodujące skokowy wzrost lepkości cieczy zagęszczanej ścinaniem wypełniającej przestrzeń pomiędzy tymi elementami, przeciwdziałający ruchowi elementów. Tego typu rozwiązania stosuje się przy produkcji różnego typu amortyzatorów.

Z amerykańskich zgłoszeń patentowych US 2013/0061739 i US 2006/0234572 znane jest rozwiązanie polegające na zamknięciu cieczy zagęszczanych ścinaniem w porowatym materiale o porach otwartych lub zamkniętych. Jako materiał porowaty wykorzystuje się różnego typu pianki o dużej porowatości otwartej z porami przelotowymi. Jeżeli powierzchni nasączonego materiału porowatego nie pokryje się innym materiałem zamykającym pory, to w takim przypadku mówimy o materiale o porach otwartych. Jednak w trakcie użytkowania ciecz zagęszczana ścinaniem może wypływać przez niezabezpieczone pory, co powoduje że otrzymany materiał nie zachowuje swoich właściwości w czasie i jego właściwości użytkowe są mocno ograniczone. Dlatego przeważnie na porowaty materiał nasączony cieczą zagęszczaną ścinaniem nakłada się różnego typu powłoki uszczelniające z gumy czy też z innych materiałów polimerowych. W ten sposób skutecznie zamyka się ciecz zagęszczaną ścinaniem w materiale porowatym. Znane są także metody polegające na zdyspergowaniu cieczy zagęszczanej ścinaniem w matrycy polimerowej o odpowiednich właściwościach termoplastycznych pozwalających na wytłaczanie takiej mieszaniny lub tworzenie z niej pokryć. Takiego typu materiały kompozytowe i metody osadzania stosuje się np. do produkcji wewnętrznych lub zewnętrznych warstw składających się na osłonę kabli [zgłoszenie patentowe WO2008079584].

Znany z amerykańskiego zgłoszenia patentowego US 2006/0234572 jest również sposób immobilizacji cieczy zagęszczanych ścinaniem z wykorzystaniem polimeryzacji emulsyjnej. W tym przypadku wykorzystuje się efekt niemieszalności cieczy. W przypadku cieczy zagęszczanych ścinaniem opartych na glikolach nierozpuszczalnikiem może być olej silikonowy. Podczas mieszania tworzy się dyspersja

PL 231 757 B1 w postaci drobnych kropel cieczy zagęszczanej ścinaniem w oleju silikonowym. Dyspersja taka jest często stabilizowana dodatkiem środków powierzchniowo czynnych. Następnie dodaje się reagenty wywołujące polimeryzację oleju silikonowego, w wyniku której drobne krople cieczy zagęszczanej ścinaniem są więzione w strukturze polimeru. Zamiast reakcji polimeryzacji wykorzystuje się także związki, które twardnieją w wyniku chłodzenia lub innej reakcji chemicznej.

Ciecze zagęszczane ścinaniem zostały wykorzystane w rehabilitacyjnych ochraniaczach kolan przedstawionych w opisie wzoru użytkowego CN201640523. Ochraniacz według wzoru ma kształt cylindryczny, składa się z warstwy zewnętrznej i wewnętrznej, pomiędzy którymi umieszczona jest wkładka ochronna z jednej lub większej liczby warstw tkaniny nasączonej cieczą zagęszczaną ścinaniem. Nakolannik według wzoru jest miękki i elastyczny w stanie normalnym, natomiast przy np. uderzeniu lub gwałtownym ruchu usztywnia się, dzięki czemu zapobiega uszkodzeniu chronionego kolana.

Zgodnie z wynalazkiem ciecz zagęszczana ścinaniem została wykorzystana do wytworzenia ochraniaczy piłkarskich charakteryzujących się dużym stopniem absorpcji energii.

Nagolennik piłkarski o kształcie pasującym do goleni składa się z warstwy wewnętrznej, którą stanowią elastyczne, cienkościenne rurki z elastomeru termoplastycznego wypełnione cieczą zagęszczaną ścinaniem ułożone w kształt plecionki albo równolegle względem siebie, oraz warstwy zewnętrznej, którą stanowi płytka z wytrzymałego mechanicznie i lekkiego polimeru, korzystnie polietylenu lub polipropylenu, połączonej z warstwą wewnętrzną za pomocą ramki z wytrzymałego termoplastu, korzystnie z polietylenu lub polipropylenu.

Korzystnie rurki są wykonane z elastomeru termoplastycznego typu EPDM, z silikonu lub z gumy. Korzystnie średnica rurek wynosi od 3 do 10 mm. Korzystnie rurki mają grubość ścianki od 0,5 do 2 mm.

Korzystnie rurki są odsunięte od siebie na odległość od 3 do 20 mm, zależnie od średnicy rurek.

Korzystnie warstwę zewnętrzną łączy się z ramką za pomocą nitów, korzystnie polipropylenowych albo za pomocą mocnej nici, korzystnie poliamidowej lub poliestrowej.

Korzystnie wewnętrzna warstwa splecionych rurek jest umocowana do warstwy zewnętrznej za pomocą pętelek z mocnej nici, korzystnie poliamidowej lub poliestrowej.

Korzystnie płytka zewnętrzna ma wymiary: wysokość 18-22 cm, szerokość na górze 14-16 cm, szerokość na dole 9-11 cm, grubość 2-3 mm.

Korzystnie jako ciecz zagęszczaną ścinaniem stosuje się zawiesinę ceramiczną, w której krzemionka jest zdyspergowana w ciekłym związku organicznym, korzystnie w glikolu, takim jak np. glikol polietylenowy, polipropylenowy, etylenowy.

Korzystnie stosuje się ciecz zawierającą mieszaninę nanokrzemionki i elastycznych, suchych polimerowych mikrosfer ekspandowanych wypełnionych gazem, o średniej wielkości cząstek od 15 do 85 μm, oraz o gęstości od 25 do 70 kg/m³, przy czym udział krzemionki wynosi od 7 do 40% obj. w stosunku do objętości całej zawiesiny ceramicznej, a całkowite stężenie fazy stałej w zawiesinie wynosi od 15 do 70% obj. Taka ciecz dylatancyjna jest znana z polskiego zgłoszenia patentowego nr P.405332.

Jako ciecz dylatancyjną można także stosować ceramiczną masę, w której fazę stałą stanowi mieszanina krzemionki i polimerowych mikrosfer ekspandowanych gazem, przy czym stężenie fazy stałej wynosi od 45 do 75% obj., stężenie krzemionki wynosi powyżej 40% obj., udział procentowy mikrosfer polimerowych wynosi od 1 do 50% obj., zaś mikrosfery polimerowe mają gęstość od 0,01 do 0,10 g/cm³ i wielkość od 1 do 100 μm.

Nagolenniki według wynalazku zapewniają większy stopień absorbowania energii i tym samym siły uderzenia w znacznie mniejszym stopniu przenoszone są na goleń. Zapewnia to większą ochronę nogi przed urazami. Poza tym część wewnętrzna odznacza się wysoką elastycznością, dzięki czemu dobrze przylega do kończyny dolnej, tym samym zwiększając komfort użytkowania. Ażurowa konstrukcja nagolennika zapewnia dobrą wentylację i tym samym efektywne usuwanie potu, co stwarza wysoki komfort dla nogi piłkarza.

Przedmiot wynalazku został bliżej przedstawiony w przykładach i na rysunkach. Na Fig. 1 przedstawiono schematyczny widok nagolennika z rurkami ułożonymi w kształt plecionki, a na Fig. 2 przedstawiono schematyczny widok nagolennika z rurkami ułożonymi równolegle.

P r z y k ł a d 1

Do wytworzenia 150 cm³ cieczy zagęszczanej ścinaniem użyto 147,0 g krzemionki sferycznej o wielkości ziarna 0,1-0,2 μm i gęstości równej 1,96 g/cm³ oraz 75,4 g glikolu polipropylenowego o masie molowej 2000 g/mol. Stosunek fazy stałej do fazy ciekłej wynosił 50:50% obj. Proces homogenizacji trwał 3 godziny. W ten sposób uzyskano jednorodną zawiesinę o właściwościach reologicznych

PL 231 757 B1 stabilnych w funkcji czasu. Otrzymany układ charakteryzował się wzrostem lepkości od wartości 743 Pa-s do 6050 Pa-s, dając skok lepkości równy ok. 5300 Pa-s. Gęstość zawiesiny wynosiła 1,48 g/cm³. Ciecz zagęszczana ścinaniem została wprowadzona do elastycznego, cienkościennego węża wykonanego z kopolimeru etylenu, propylenu i butadienu (EPDM), o średnicy 4 mm i grubości ścianek 1 mm. Z tak przygotowanego węża wykonano plecionkę, która tworzy wewnętrzną część nagolennika (Fig. 1). Rurki w plecionce są odsunięte od siebie na odległość 4 mm. Końcówki węża zostały zgrzane na długości 5 mm, aby zapobiec wyciekaniu cieczy zagęszczanej ścinaniem i umocowane do obrzeża płytki dopasowanej do kształtu nogi, wykonanej z polipropylenu o grubości 2 mm, za pomocą ramki z tego samego tworzywa o szerokości 5 mm i grubości 1 mm, za pomocą nitów polipropylenowych. Środkowa część plecionki została przymocowana do płytki polipropylenowej za pomocą pętelek z grubej nici poliestrowej typu Mars. Wykonany nagolennik z plecionką został przetestowany na stanowisku do badania zdolności pochłaniania energii uderzenia wykonanym na podstawie brytyjskiej normy: BS 7971-4:2002. Nagolennik pochłaniał 50% siły uderzenia.

P r z y k ł a d 2

Nagolennik piłkarski wykonany analogicznie jak w przykładzie 1, z tym, że zamiast rurek z EPDM o średnicy 8 mm użyto rurek o średnicy 10 mm. Wykonany nagolennik z plecionką został przetestowany na stanowisku do badania zdolności pochłaniania energii uderzenia wykonanym na podstawie brytyjskiej normy: BS 7971-4:2002. Nagolennik pochłaniał 52% siły uderzenia.

P r z y k ł a d 3

Nagolennik piłkarski wykonany analogicznie jak w przykładzie 1, z tym, że zamiast nitów zastosowano przeszycie mocną nicią poliamidową typu Ares lub poliestrową typu Mars. Wykonany nagolennik z plecionką został przetestowany na stanowisku do badania zdolności pochłaniania energii uderzenia wykonanym na podstawie brytyjskiej normy: BS 7971-4:2002. Nagolennik pochłaniał 50% siły uderzenia.

P r z y k ł a d 4

Nagolennik o budowie podobnej jak w przykładzie 1 różni się tym, że zamiast elastomeru termoplastycznego EPDM użyto cienkościennych węży o średnicy 7,94 mm i grubości ścianki 1,59 mm wykonanych z silikonu firmy Tygon model R1000. Aby zapobiec wyciekaniu cieczy w końcach węży umieszczono płaskie korki wykonane z polietylenu. Wykonany nagolennik z plecionką został przetestowany na stanowisku do badania zdolności pochłaniania energii uderzenia wykonanym na podstawie brytyjskiej normy: BS 7971-4:2002. Nagolennik pochłaniał 54% siły uderzenia.

P r z y k ł a d 5

Nagolennik o budowie podobnej jak w przykładzie 1 różni się tym, że zamiast elastomeru termoplastycznego EPDM użyto cienkościennych węży o średnicy 8 mm i grubości ścianki 1,5 mm wykonanych z gumy. Aby zapobiec wyciekaniu cieczy w końcach węży wklejono płaskie korki gumowe. Wykonany nagolennik z plecionką został przetestowany na stanowisku do badania zdolności pochłaniania energii uderzenia wykonanym na podstawie brytyjskiej normy: BS 7971-4:2002. Nagolennik pochłaniał 38% siły uderzenia.

P r z y k ł a d 6

Nagolennik o budowie podobnej jak w przykładzie 1 różni się tym, że zamiast plecionki rurki ułożono obok siebie w rzędzie bez odstępów (Fig. 2). Wykonany nagolennik z plecionką został przetestowany na stanowisku do badania zdolności pochłaniania energii uderzenia wykonanym na podstawie brytyjskiej normy: BS 7971-4:2002. Nagolennik pochłaniał 41% siły uderzenia.

Zastrzeżenia patentowe

Claims (9)

1. Nagolennik piłkarski o kształcie pasującym do goleni składający się z warstwy wewnętrznej i zewnętrznej, znamienny tym, że warstwę wewnętrzną stanowią elastyczne, cienkościenne rurki z elastomeru termoplastycznego wypełnione cieczą zagęszczaną ścinaniem ułożone w kształt plecionki albo równolegle względem siebie, a warstwę zewnętrzną stanowi płytka z wytrzymałego mechanicznie i lekkiego polimeru, korzystnie polietylenu lub polipropylenu, przy czym warstwa zewnętrzna jest połączona z warstwą wewnętrzną za pomocą ramki wytrzymałego termoplastu, korzystnie polietylenu lub polipropylenu.

2. Nagolennik według zastrz. 1, znamienny tym, że rurki są wykonane z elastomeru termoplastycznego typu EPDM, z silikonu lub z gumy.

PL 231 757 B1

3. Nagolennik według zastrz. 1, znamienny tym, że rurki są odsunięte od siebie na odległość od 0,1 do 1 mm, korzystnie 0,5 mm.

4. Nagolennik według zastrz. 1, znamienny tym, że średnica rurek wynosi od 5 do 10 mm.

5. Nagolennik według zastrz. 1, znamienny tym, że warstwa zewnętrzna jest połączona z ramką za pomocą nitów, korzystnie polipropylenowych albo za pomocą mocnej nici, korzystnie poliamidowej lub poliestrowej.

6. Nagolennik według zastrz. 1, znamienny tym, że wewnętrzna warstwa splecionych rurek jest umocowana do warstwy zewnętrznej za pomocą pętelek z mocnej nici, korzystnie poliamidowej lub poliestrowej.

7. Nagolennik według zastrz. 1, znamienny tym, że jako ciecz zagęszczaną ścinaniem zawiera zawiesinę ceramiczną, w której krzemionka jest zdyspergowana w ciekłym związku organicznym, korzystnie w glikolu, takim jak np. glikol polietylenowy, polipropylenowy, etylenowy.

8. Nagolennik według zastrz. 7, znamienny tym, że ciecz zagęszczana ścinaniem zawiera mieszaninę nanokrzemionki i elastycznych, suchych polimerowych mikrosfer ekspandowanych wypełnionych gazem, o średniej wielkości cząstek od 15 do 85 gm, oraz o gęstości od 25 do 70 kg/m³, przy czym udział krzemionki wynosi od 7 do 40% obj. w stosunku do objętości całej zawiesiny ceramicznej, a całkowite stężenie fazy stałej w zawiesinie wynosi od 15 do 70% obj.

9. Nagolennik według zastrz. 7, znamienny tym, że jako ciecz zagęszczaną ścinaniem zawiera ceramiczną masę, w której fazę stałą stanowi mieszanina krzemionki i polimerowych mikrosfer ekspandowanych gazem, przy czym stężenie fazy stałej wynosi od 45 do 75% obj., stężenie krzemionki wynosi powyżej 40% obj., udział procentowy mikrosfer polimerowych wynosi od 1 do 50% obj., zaś mikrosfery polimerowe mają gęstość od 0,01 do 0,10 g/cm³ i wielkość od 1 do 100 gm.