TW201904616A - 形狀記憶立體織物複合材料 - Google Patents

形狀記憶立體織物複合材料

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Abstract

本發明提供一種形狀記憶立體織物複合材料，其係由表面具有形狀記憶高分子層之一立體織物，其中該立體織物係由2層外部層及夾於該2層外部層之間的中間層所構成，該形狀記憶高分子層覆蓋於該2層的外部層及該中間層的表面上；該形狀記憶高分子層係由選自聚酯、聚氨酯、聚醯胺、聚醇所成群的至少一種無規共聚物或嵌段共聚物所構成；該無規共聚物或嵌段共聚物具有一相變化溫度在40~80℃的範圍內。

Description

形狀記憶立體織物複合材料
本發明係關於一種形狀記憶立體織物複合材料，特別是關於一種固定裝置或支持裝置用的形狀記憶立體織物複合材料。
立體織物或網布(3-D fabric或spacer fabric)，具有結構強韌富彈性且因多孔而質輕的特點，在各個層面的應用，正持續被開發中，例如服飾、鞋材、交通運輸、建築、農用及醫療等創新應用。對立體織物進行特殊的功能性附加，可使立體織物具有智慧特性，例如國際公開專利WO2006/079602記載的結合熱塑性材料與立體織物作為骨折固定裝置、美國專利第6482167號記載的骨科鑄造技術等，因為立體織物具有透氣性佳及質輕的特性，再加上熱塑性材料的機械強度及可塑性，非常適合取代傳統石膏作為骨折的固定夾板或支持板。
形狀記憶高分子(聚合物)材料，屬於智慧型材料的一種，具有因例如熱、光、電場、磁場等的外界刺激可從一變形的暫態(暫時形狀)回到其永久狀態(初始形狀)的能力之材料，已被廣泛應用於例如電子電路元件、熱感應元件、生物醫學領域等，例如專利文獻(美國專利第6740094號記載的形狀記憶致動器及導管、美國專利第5,910,357號記載的分離膜、美國公開專利公告第2016/0044971號記載的形狀記憶胸罩、中華民國專利TWI556757記載的鞋楦系統)等的記載。
形狀可塑及記憶的原理，通常是材料具有2個Tg及1~2個Tm點，衍生出2個到3個高原區，在高溫高原區受力變形，使溫度驟降至低溫高原區，分子來不及鬆弛即被凍結，此時變形的形狀的回復需等到溫度再度回到高溫高原區時才有回復的驅動力。然而，雖可達成塑形，是否從變形形狀回復到初始形狀，視材料變形後分子的鬆弛程度，若是變形後 在高溫經歷較久的鬆弛，在未加外力下「記憶回復」到初始形狀的程度不會太多，所以如果有3個高原區，在高溫高原區與低溫高原區之間插入一中間溫度高原區(記憶回復區)，熱塑後，無需理會鬆弛時間長短，只要溫度在記憶回復區之間，便可塑形，之後冷卻至低溫高原區，在該溫度範圍內使用。若使用發生變形，只要再升溫至記憶回復區，可回復當初的塑形。
形狀記憶高分子材料應用於立體織物時，與使用熱塑性材料的情況比較，除熱可塑形外，由於形狀記憶性及具有2個至3個記憶形狀，可賦予立體織物更多樣性的功能。
傳統使用石膏固定骨折部位，或者如美國專利第7,867,180號記載的使用熱塑性聚烯烴所構成的包紮條帶作為骨折部位的固定或支持裝置，但是石膏或包紮條帶，有使用上不方便及透氣性不足的問題，再者骨折部位使用石膏或包紮條帶固定的期間，不易暫時拆除，無法利用外部裝置對該部位提供輔助骨折部位復原的機制，石膏或包紮條帶也沒有促進骨細胞生長的機構，只是單純的固定或支持裝置。由於促進骨細胞生長的研究，有效的方式皆需要定期(例如每天)提供例如電場、磁場、超音波、衝擊波等的刺激，然而實用上骨折部位被賦予固定或支持裝置後，不易進行如此的治療。
鑒於上述之發明背景，為了符合產業上之要求，本發明之目的之一在於提供一種形狀記憶立體織物複合材料，藉由形狀記憶高分子與立體織物的結合，賦予立體織物形狀記憶的效果，藉由調整形狀記憶高分子的玻璃轉化溫度Tg及熔點Tm、分子交聯度或結晶度，可得到不同機械強度及不同的分子鬆弛時間(亦即熱塑形操作時間)的形狀記憶立體織物複合材料，可具有質輕、透氣性佳、對欲固定部位的追隨性佳、操作性佳等的優點。
再者，本發明之目的之一在於提供一種固定裝置，藉由使用形狀記憶立體織物複合材料，取代傳統使用的石膏等或石膏無法使用的情況，固定或支持使用者的特定部位，提供質輕、透氣性佳、對欲固定部位的追隨性佳、操作性佳的固定或支持裝置，且對該部位可提供例如電場、 磁場、超音波、衝擊波等的刺激，促進骨細胞生長，輔助使用者的骨折部位復原。
為了達到上述目的，根據本發明一實施態樣，提供一種形狀記憶立體織物複合材料，其係由表面具有形狀記憶高分子層之一立體織物，其中該立體織物係由2層外部層及夾於該2層外部層之間的中間層所構成，該形狀記憶高分子層覆蓋於該2層的外部層及該中間層的表面上；該形狀記憶高分子層係由選自聚酯、聚氨酯、聚醯胺、聚醇所成群的至少一種無規共聚物或嵌段共聚物所構成；該無規共聚物或嵌段共聚物具有一相變化溫度在40~80℃的範圍內。
再者，根據本發明另一實施態樣，提供一種固定裝置，其係用以固定一使用者的特定部位，其係使用如上述之形狀記憶立體織物複合材料於該使用者的特定部位。
再者，根據本發明另一實施態樣，提供一種支持裝置，其係用以支持一使用者的特定部位，其係使用如上述之形狀記憶立體織物複合材料於該使用者的特定部位。
根據本發明的形狀記憶立體織物複合材料，可提供不同機械強度及不同的分子鬆弛時間(亦即熱塑形操作時間)的形狀記憶立體織物複合材料，可具有質輕、透氣性佳、追隨性佳、操作性佳等的優點，依據複合材料的特性，可應用於例如服飾、鞋材、交通運輸、建築、農用及醫療等的各種領域。再者，根據本發明的固定裝置或支持裝置，可提供質輕、透氣性佳、對欲固定部位的追隨性佳、操作性佳的固定裝置或支持裝置，且對該部位可提供例如電場、磁場、超音波、衝擊波等的刺激，促進骨細胞生長，輔助使用者的特定部位復原。支持裝置的具體應用，例如支持脊椎的背架。
1‧‧‧形狀記憶立體織物複合材料
10a,10b‧‧‧外部層
15‧‧‧導電圖形
15a‧‧‧元件連接用接點
15b‧‧‧導線
20‧‧‧中間層
30‧‧‧立體織物
40‧‧‧形狀記憶高分子層
50‧‧‧線路圖形層
60‧‧‧線圈
70‧‧‧超音波探頭
圖1係表示關於本發明的形狀記憶立體織物複合材料的剖面圖。
圖2係表示圖1所示的關於本發明的形狀記憶立體織物複合材料的上視圖。
圖3係表示關於本發明的形狀記憶立體織物複合材料的導電圖形的示意圖。
圖4係表示關於本發明的形狀記憶立體織物複合材料的一變形態的示意圖。
圖5係表示關於本發明的形狀記憶立體織物複合材料的另一變形態的示意圖。
圖6係表示關於本發明的固定裝置應用於骨折部位的示意圖。
圖7係表示關於本發明的形狀記憶立體織物複合材料應用於固定裝置時的楊氏模數與溫度的關係示意圖。
有關本發明之前述及其他技術內容、特點與功效，在以下配合參考圖式之一較佳實施例的詳細說明中，將可清楚的呈現。以下實施例中所提到的方向用語，例如：上、下、左、右、前或後等，僅是參考附加圖式的方向。因此，使用的方向用語是用來說明並非用來限制本發明。此外，「A層(或元件)設置於B層(或元件)上」之用語，並不限定為A層直接貼覆接觸B層表面的態樣，例如A層與B層中間尚間隔其他積層亦為該用語所涵蓋範圍。圖示中，相同的元件係以相同的符號表示。
以下，藉由較佳實施態樣，具體地說明本發明，但本發明不限於該等實施態樣，在不脫離本發明的要旨之範圍內，可進行各種變形或變更。
圖1係表示關於本發明的形狀記憶立體織物複合材料的剖面圖，其中(a)表示2層外部層10a,10b及中間層20所構成的立體織物30，(b)表示形狀記憶高分子層40覆蓋於外部層10a,10b及中間層20的表面上所構成的形狀記憶立體織物複合材料1。圖2(a)表示圖1(a)所示的立體織物30的上視圖及圖2(b)表示圖1(b)所示的形狀記憶立體織物複合材料1的上視圖。
立體織物30，係2層外部層10a,10b及中間層20所構成，2層外部層10a,10b具有例如菱形的網孔，中間層為單絲(mono yarn)， 結構像三明治般堆疊，也稱為三明治立體網布，主要是由高分子合成纖維組成，可由精密經編機機台編織而成，2層外部層10a,10b間有密網支撐，使得表面的網狀結構不會產生太大的變形，增強了布料的機械性質及色彩牢固度。由於立體網布的特殊結構，使其具備以下等特點：(1)相較於一般平面布料，立體網孔結構具備良好的透氣性及支撐性；(2)良好的避震、彈性回復力及延伸性，受到外力會順著力的方向延伸，移除外力又能回復原來形狀，不會鬆弛變形；(3)由高分子纖維組成，具備良好的牢固性、耐磨且色牢度及耐洗度高。網孔形狀多樣性，材料輕，易清洗；(4)可結合其他複合材料，增加多功能性及應用性。立體網布能夠廣泛地應用於服飾、鞋材、床墊、帽材、透氣鞋墊、運動防護材、醫療複合材等。立體織物30，亦可由市售品取得。
形狀記憶高分子層40，可首先調製形狀記憶高分子組成物後，藉由塗佈或含浸法，在2層外部層10a,10b及中間層20的表面形成塗膜後進行乾燥而得。形狀記憶高分子組成物包含形狀記憶高分子(聚合物或共聚物)及溶劑，藉由調整固體成分濃度，調整黏度，再塗佈於立體織物30或使立體織物30含浸於組成物溶液中，使乾燥後的形狀記憶立體織物複合材料1的重量成為作為基布或基材的立體織物30的重量的1~5倍，較理想為3~5倍。形狀記憶高分子層40，可由選自聚酯、聚氨酯、聚醯胺、聚醇所成群的至少一種無規共聚物或嵌段共聚物所構成，該無規共聚物或嵌段共聚物具有一相變化溫度在40~80℃的範圍內。需注意的是如圖2所示，形狀記憶高分子層40形成於立體織物30的表面後，仍存在有網孔50，具有立體網孔結構。此外，網孔50的縮小率，亦即(形狀記憶高分子層形成前的網孔50的平均直徑-形成後的網孔50的平均直徑)/形成前的網孔50的平均直徑之比值，較理想為80%以下，更理想為50%以下，更加理想為40%以下。具體地，本發明的形狀記憶立體織物複合材料，根據ASTM D737的透氣率為100cfm(ft3/min)以上，較理想為300cfm以上，更理想為500cfm以上。
於一實施例，該無規共聚物或嵌段共聚物在該相變化溫度以下具有108Pa以上的楊氏模數。再者，根據ASTM D790的三點彎曲的抗彎 折試驗，使用寬約14mm、厚度約7.5mm的測試片，測試速度3.2mm/min，支撐點及壓子半徑為9mm，支撐點距離為85mm，變形量5%內無斷裂點產生，所得的數值為抗彎折強度，本發明的形狀記憶立體織物複合材料的抗彎折強度為50kgf/cm2以上。該無規共聚物或嵌段共聚物，較理想為聚酯共聚物。形狀記憶高分子層40係由聚酯無規共聚物所構成，例如該聚酯可由乙二醇、癸二酸、己二胺及均苯三酸聚合所構成。再者，構成形狀記憶高分子層40的聚酯，例如可根據中華民國專利第I443124號、第I297699號記載的方法合成。
再者，於另一實施例，該無規共聚物或嵌段共聚物具有一第1相變化溫度及一第2相變化溫度，分別在0~37℃的第1相變化溫度範圍內及46~80℃的第2相變化溫度範圍內，在該第2相變化溫度以下具有106Pa以上的楊氏模數，在第2相變化溫度與第1相變化溫度之間的溫度範圍具有108Pa以上的楊氏模數。於另一實施例，該形狀記憶高分子層係由聚氨酯(polyurethane)無規共聚物所構成，該聚氨酯無規共聚物係由2種或2種以上的互溶或微互溶的聚氨酯混合而成。
於一實施例，在該2層外部層的一者(10a或10b)或兩者(10a及10b)的該形狀記憶高分子層40的表面，更具有線路圖形層50，線路圖形層50係由導電材料所構成的導線圖形且該導線圖形具有複數的元件連接用接點15a以及導線15b。圖3係表示關於本發明的形狀記憶立體織物複合材料的導電圖形15的示意圖，其中(a)及(b)分別表示不同的導電圖形，具有複數的元件連接用接點15a以及導線15b，依據需要，在指定或需要的位置，設置元件連接用接點15a以及導線15b，亦可只設置導線15b。圖4係表示如圖3的形狀記憶立體織物複合材料的一變形態的示意圖，(a)表示彎折為筒狀時導電圖形朝外面的情況，(b)表示接點連接元件時的情況，如圖4所示，線圈60連接於2個接點15a之間，藉由導線15b，可再與供給磁場的外部裝置電連接後，在特定的位置提供磁場或脈衝電磁場(PEMF)。圖4所示的導電圖形形成於外面的態樣，於其他實施例，亦可為形成於內面的態樣。所謂內面與外面，係指形狀記憶立體織物複合材料彎曲成空心筒狀時的內側與外側，在應用於骨折固定裝置時內側為骨折 部位側。換言之，導電圖形可設置於2層外部層的一者(10a或10b)或兩者(10a及10b)的該形狀記憶高分子層40的表面。形成的方法，例如為噴墨法、印刷法或熱轉印法，較理想為熱轉印法。再者，圖4所示的線圈60的設置僅為示意表示，線圈的數目及位置可依據實際需要調整。此外，亦可使用電極墊、或超音波探頭等取代線圈60，提供脈衝波或超音波。
圖5係表示關於本發明的形狀記憶立體織物複合材料的另一變形態的示意圖，其中超音波探頭70連接於元件連接用接點15a，導電圖形15位於內側，亦即骨折部位側。
圖6係表示關於本發明的固定裝置應用於骨折部位的示意圖。圖6雖顯示應用於手，但是本發明的形狀記憶立體織物複合材料不限於圖6的例，可應用於任意部位。圖7係表示關於本發明的形狀記憶立體織物複合材料應用於骨折固定裝置時的楊氏模數與溫度的關係示意圖。如上述，使用本發明的形狀記憶立體織物複合材料時，由一外部裝置提供電磁刺激衝擊波、超音波或脈衝波，經由該線路圖形層，經皮導入該使用者的骨折部位，以輔助細胞生長。
再者，本發明的固定裝置不限於應用於人體，也不限於骨折部位，亦可使用於任意的生物體的需要的部位。此外，本發明更提供一種支持裝置，與上述固定裝置同樣地可使用於任意的生物體的需要的部位，藉由其機械特性，作為支持的用途，例如應用於背架，支持脊椎。再者，本發明的固定裝置亦可應用於需要實施電場、磁場、超音波、衝擊波等的刺激之部位。
綜上所述，根據本發明的形狀記憶立體織物複合材料，可提供不同機械強度及不同的分子鬆弛時間(亦即熱塑形操作時間)的形狀記憶立體織物複合材料，可具有質輕、透氣性佳、追隨性佳、操作性佳等的優點，依據複合材料的特性，可應用於例如服飾、鞋材、交通運輸、建築、農用及醫療等的各種領域。再者，根據本發明的骨折固定裝置，可提供質輕、透氣性佳、對欲固定部位的追隨性佳、操作性佳的骨折固定裝置，且對該部位可提供例如電場、磁場、超音波、衝擊波等的刺激，促進骨細胞生長，幫助使用者的骨折部位復原。
以上雖以特定實施例說明本發明，但並不因此限定本發明之範圍，只要不脫離本發明之要旨，熟悉本技藝者瞭解在不脫離本發明的意圖及範圍下可進行各種變形或變更。另外本發明的任一實施例或申請專利範圍不須達成本發明所揭露之全部目的或優點或特點。此外，摘要部分和標題僅是用來輔助專利文件搜尋之用，並非用來限制本發明之權利範圍。

Claims (14)

  1. 一種形狀記憶立體織物複合材料，其係由表面具有形狀記憶高分子層之一立體織物，其中該立體織物係由2層外部層及夾於該2層外部層之間的中間層所構成，該形狀記憶高分子層覆蓋於該2層的外部層及該中間層的表面上；該形狀記憶高分子層係由選自聚酯、聚氨酯、聚醯胺、聚醇所成群的至少一種無規共聚物或嵌段共聚物所構成；該無規共聚物或嵌段共聚物具有一相變化溫度在40~80℃的範圍內。
  2. 如申請專利範圍第1項所述之形狀記憶立體織物複合材料，其中該無規共聚物或嵌段共聚物在該相變化溫度以下具有10 8Pa以上的楊氏模數，且該複合材料的根據ASTM D790的抗彎折強度為50kgf/cm 2以上。
  3. 如申請專利範圍第1項所述之形狀記憶立體織物複合材料，其中該無規共聚物或嵌段共聚物具有一第1相變化溫度及一第2相變化溫度，分別在0~37℃的第1相變化溫度範圍內及46~80℃的第2相變化溫度範圍內，在該第2相變化溫度以下具有10 6Pa以上的楊氏模數，在第2相變化溫度與第1相變化溫度之間的溫度範圍具有10 8Pa以上的楊氏模數。
  4. 如申請專利範圍第2或3項所述之形狀記憶立體織物複合材料，其中該無規共聚物或嵌段共聚物為聚酯共聚物。
  5. 如申請專利範圍第2項所述之形狀記憶立體織物複合材料，其中該形狀記憶高分子層係由聚酯無規共聚物所構成，該聚酯係由乙二醇、癸二酸、己二胺及均苯三酸聚合所構成。
  6. 如申請專利範圍第3項所述之形狀記憶立體織物複合材料，其中該形狀記憶高分子層係由聚氨酯無規共聚物所構成，該聚氨酯無規共聚物係由2 種或2種以上的互溶或微互溶的聚氨酯混合而成。
  7. 如申請專利範圍第1項所述之形狀記憶立體織物複合材料，其中在該2層外部層的一者或兩者的該形狀記憶高分子層的表面，更具有一線路圖形層，該線路圖形層係由導電材料所構成的導線圖形且該導線圖形具有複數的元件連接用接點及導線。
  8. 如申請專利範圍第7項所述之形狀記憶立體織物複合材料，其中該線路圖形層更具有位於該外部層的外緣的複數導電端點，電磁刺激衝擊波經由該線路圖形層的該複數導電端點及該複數的元件連接用接點，供給該形狀記憶立體織物複合材料的使用者。
  9. 如申請專利範圍第7項所述之形狀記憶立體織物複合材料，其中該元件連接用接點與超音波導入元件連接時，超音波經由該線路圖形層的該複數導電端點及該複數的元件連接用接點，供給該形狀記憶立體織物複合材料的使用者。
  10. 如申請專利範圍第9項所述之形狀記憶立體織物複合材料，其中該超音波導入元件為超音波探頭。
  11. 如申請專利範圍第7項所述之形狀記憶立體織物複合材料，其中該元件連接用接點與電極墊連接時，脈衝波經由該線路圖形層的該複數導電端點及該複數的元件連接用接點，供給該形狀記憶立體織物複合材料的使用者。
  12. 一種固定裝置，其係用以固定一使用者的特定部位，其係使用如申請專利範圍第1項至第11項中任一項所述之形狀記憶立體織物複合材料於該使用者的特定部位。
  13. 如申請專利範圍第12項所述之固定裝置，其中使用如申請專利範圍第 7項至第11項中任一項所述之形狀記憶立體織物複合材料時，由一外部裝置提供電磁刺激衝擊波、超音波或脈衝波，經由該線路圖形層，經皮導入該使用者的特定部位，以輔助細胞生長。
  14. 一種支持裝置，其係用以支持一使用者的特定部位，其係使用如申請專利範圍第1項至第11項中任一項所述之形狀記憶立體織物複合材料於該使用者的特定部位。
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