用于减震机械运动的组合物和装置的制作方法

专利名称：用于减震机械运动的组合物和装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及用于减震机械运动，尤其是用于碰撞和振动的组合物和装置。
已知用由减震材料制成的减震体使机械运动减震。这些减震材料内在地将动能转化成热能。这种通过转换成热能的不可逆的动能损失也称为损耗。通过减震或损耗使机械运动的动能减小或被吸收并使运动衰减，特别是在碰撞情况下使负荷的力减小或使振动的幅度在减震体中降低。为了在机械负荷作用后使减震体重新回到其初始的结构状态，对减震体而言，一般应用还具有弹性的材料，由此产生使其变形复位以重新回到初始形态的力。
特别是在矫形鞋(orthopdischen Schuhen)或运动鞋的鞋底中，用于碰撞减震的减震体是已知的，用于减震或吸收振动的减震装置，特别是用于保护对振动敏感的仪器或者用于强烈振动的仪器减震的装置也是已知的。
在鞋中，尤其是在矫形领域中，已知将胶乳(橡胶乳液)和橡胶泡沫、聚氨酯软泡沫材料和EVA-泡沫用作减震材料。
胶原是人体或者动物体中的长链蛋白质，由于其小的韧性和刚性而赋予纤维高的抗张强度。胶原存在于体内的肌腱、骨和结缔组织中作为结构材料。从今天的观点来看，胶原的分子结构是由三条链构成的，这三条链螺旋形缠结形成紧密的三螺旋(triple helix)。至今已发现许多不同类型的胶原。一般情况下，胶原包含下述氨基酸甘氨酸、脯氨酸、羟基脯氨酸、赖氨酸和羟基赖氨酸。一些类型的胶原是糖基化的。大多胶原类型构成纤维或者原纤维(Fibrillen)，但可以通过交叉连接附加相连或者交联，一般通过赖氨酸-侧链进行连接。侧向连接或者交联使其形成膜或者二维的组织结构，例如在皮肤和许多器官中。
胶原本身是水不溶的，但是与所有蛋白质一样在受热时变性，并在水中受热逐步转化成明胶，其已知溶于热水并在冷却时1％的溶液已形成固体凝胶。明胶用于制备食品，例如橡胶条或肉冻。胶原也被称为“成胶剂”，因为它在水中为胶状的，形成强烈膨胀的蛋白质并且所形成的明胶溶液在继续加热下形成水溶性的胶。由胶原得到的水溶性蛋白产品的全部，包括明胶和胶水，被称为明胶朊。由于胶原对人体是非常重要的，所以被用于医学和化妆品领域，例如用于成型外科，用作补充营养或者用于皮肤护理。由胶原得到的胶在仪器制造中用作天然胶合剂。
本发明的目的是提供一种组合物，其具有良好的机械减震性能。此外，本发明的目的是提供一种具有良好的减震性能、特别是用于碰撞或振动的机械运动减震的机械装置。
按照本发明，这一目的可通过具有权利要求1特征的组合物以及具有权利要求28特征的装置实现。
本发明是基于一种新的认识，即由于其特殊的分子结构，至今仅在人类或动物体的领域中已知的胶原可在工业应用中高水平损耗或吸收机械能并因此可减震运动或变形。根据目前的观点，可对此进行如下解释，即胶原分子通过伸展、扭曲和/或偏移或分子内空间结构的其他变化对要减震的运动或形变发生反应并由此吸收机械能，然后，这些机械能又在组合物中被不可逆地损耗。仅仅用胶原制备的组合物和减震装置所观察到的减震性能是如此突出，以致于从容易并且廉价得到的角度看，本发明的可应用性令人很感兴趣。
根据权利要求1的组合物(或物质)至少包含下述组分a)至少一种胶原，b)和至少一种用于该一种或多种胶原的载体基质(或一种载体材料，一种外围材料结构，一种外壳)，c)其中该载体基质包含至少一种可逆的，尤其是可弹性变形的材料。
一般地，将所述载体基质的一种或多种材料和一种或多种胶原相互混合或者彼此掺入一种混合物中并且这些材料尤其是还可相互具有化学或物理连接，但是这些连接基本上不改变组合物中单个组分的化学性质。由此，所述的一种或多种胶原被包含于或者嵌入载体基质中。由载体基质和一种或多种胶原形成的混合物可形成一种减震体，用以减震机械运动。其中，除了结合胶原分子外，该载体基质还具有另一个功能，即帮助在形变后使该组合物或基于该组合物的减震体去变形。
权利要求28提供了一种含有本发明组合物或掺有胶原的含液体的混合物的用于减震机械运动，尤其是机械碰撞或振动的装置。
在权利要求1及权利要求28的各从属权利要求中给出了本发明组合物和装置的优选的实施方案、进一步说明和应用。在权利要求21-权利要求27中给出了制备本发明组合物的优选的制备方法。
因此，所述一种或多种胶原优选是至少部分膨胀的，尤其是在加入液体并任选加热的情况下。
在这一实施方案中，特别是在组合物中包含至少一种液体，尤其是水或一种或多种醇或甘油或极性分子。该液体分子或极性分子，尤其是水分子吸附在胶原分子结构上。受外部影响的形变或运动导致被吸附的分子的位移并由此导致形变能或动能附加的损耗。通过液体分子，尤其是水分子在胶原分子区域的吸附和位移，由此可进一步改进减震作用。液体或极性分子的重量分数约为0.5重量％(重量百分数)-约90重量％，基于组合物的总重量计。
所述胶原分子，尤其是膨胀的胶原，相对于人体或动物体存在的胶原分子而言，可以是具有胶原分子结构的缩短的部分分子或是部分的链，因为这些缩短的分子链出起希望的损耗作用。
一种或多种胶原的重量分数一般为约0.01重量％-约95重量％，基于组合物的总重量计，尤其是1重量％-约40重量％和优选约2重量％-约10重量％。即相对少量的胶原足以达到减震的效果。
一种或多种胶原优选至少主要以纤维或纤维状分子结构存在，并且尤其是由基本上由三螺旋相互缠绕形成的基于蛋白质的分子链构成的。
在一种实施方案中，胶原纤维或纤维状胶原分子结构的排列和/或取向至少基本上是规则的，尤其是沿着至少一个优选的取向。通过胶原分子的这种可称为各向异性结构的取向可以实现依赖于方向的减震，即在一个方向上的运动比在另一个方向上的运动更强地被减震。
在另一个实施方案中，由一种或多种胶原形成的纤维或纤维状分子结构至少主要是不规则的，或随机的或统计学分布和/或取向。通过各向同性结构的取向可以实现不依赖于方向的减震。
所述的一种或多种胶原也可以至少部分以交联结构形式存在，尤其是在胶原纤维或纤维状胶原-分子结构之间通过交叉连接(即所谓的交联)，例如赖氨酸连接。取决于交联度，尤其是仅二维的或三维的交联，产生平面或空间结构的胶原结构，和任选各向同性或各向异性的减震性能。
在一个特别的实施方案中，至少胶原的一部分是退火的，即经过热处理的。
能可逆变形的材料，尤其是弹性体的重量分数，优选为约5重量％-99.9重量％，基于组合物的总重量计。
载体基质的一种或多种可逆的，尤其是基本弹性的可变形的材料优选是一种或多种弹性体，尤其是基于优选交联的天然橡胶和/或合成橡胶。合成橡胶一般是直链聚合物或链状聚合物，其通过硫化或网状交联而交联。并由此获得塑性弹性性能。既可以使用饱和的(尤其是所谓的M-弹性体)或不饱和的(所谓的R-弹性体)合成橡胶和弹性体。
用于载体基质的一种特别优选的弹性材料是硅氧烷-弹性体(SI)，其一般由交联的聚硅氧烷或聚硅氧烷化合物构成，并且尤其是硅氧烷橡胶(SIR，硅氧烷橡胶)，以前也称为硅橡胶。硅氧烷橡胶一般是由交联的高分子聚二甲基硅氧烷构成(Q)，其中一部分甲基可被苯基(PMQ)或乙烯基(VMQ)代替。硫化或交联，特别是可以是热交联，尤其是用过氧化物进行热交联，或冷交联，尤其是用铂化合物或有机锡化合物或胺类进行冷交联，或也可以直接存在于单组分硅氧烷橡胶中。
硅氧烷-弹性体是热稳定的，并且是有益健康和环保的，但是也可用其他的合成橡胶。非限制性地可提及下述的弹性体和弹性体复合物丁二烯-弹性体(BR)，苯乙烯/丁二烯-弹性体(SBR)，丙烯腈/丁二烯-弹性体(NBR)，异戊二烯-弹性体(IR，NR)异戊二烯/异丁烯-共聚合物(异丁橡胶)乙烯基弹性体，尤其是乙烯-丙烯-共聚合物(EPDM，EPM)，乙烯-乙酸乙烯酯-共聚合物(EVAC)，丙烯酸橡胶(ACM)，聚异丁烯(PIB)，
氨酯橡胶(PUR)此外还可应用热塑性弹性体(TPE)，该弹性体是可变形的，并因此特别是可再生的。
在一个优选的实施方案中，载体基质的一种或多种弹性体或能可逆变形的材料也可以泡沫的形式存在和/或该载体基质可含有气泡。
减震作用越强，弹性体的碰撞弹性(回弹弹性)越小。在按照本发明的组合物中，可以将弹性体的碰撞弹性设定为明显大于仅由弹性体构成的已知的弹性材料，因为胶原明显改进了组合物的减震性能。
为了保护组合物不被冻结，在一种特别的改进实施方案中，也包含防冻剂，其降低冰点，例如乙二醇。
一种用于制备本发明组合物的有利的方法包括下列步骤a)提供一种基本上仍未交联的液体的、一般为粘稠的或粘滞的弹性体原料(或弹性体源)，b)此外提供一种液体的胶原原料(或胶原源)，c)将弹性体原料和胶原原料混合或掺混，d)交联在得到的混合物(一般是三维的)中的所述弹性体原料的分子。
即在混合物中进行弹性体的交联或硬化，使胶原分子通过弹性体分子的交联进一步嵌入或包含于混合物中。
胶原原料包含至少一种液体，尤其是水、醇和/或甘油以使胶原膨胀。作为胶原原料优选应用或制备液体的明胶，该明胶具有特定的胶原含量，并且通常由动物的皮、软骨和关节获得。优选将明胶与水混合，由此胶原膨胀并在加热下变成液体，典型的是在约80℃下加热。
在交联过程中，该混合物一般被硬化形成可变形的但不能再流动的实体。
优选将该实体制成希望的形状，对此，将由弹性体原料和胶原原料构成的液体混合物加到模具中，并且交联至少主要是在模具中才发生，然后将由该混合物硬化得到的实体从模具中脱模。
另外也可以将弹性体原料和胶原原料喷到一个薄膜上或一种另外的柔软载体上，然后将该薄膜卷成管或卷。
在一种优选的实施方案中，减震装置包含一个或多个减震体，其包含一种或多种胶原。该减震体一般在运动的力的作用下变形并经胶原分子通过内在损耗而将运动减震。在多个减震体的情况下，特别是相应于负荷的空间分布，可将其栅形相互排列。
在本发明的一种进一步的实施方案中，减震装置包括至少一层被膜(或外壳、包衣)，在其内腔中至少安置一个减震体。该被膜用于保护含胶原的减震材料，并且在一个特别有利的实施方案中，通过为被膜选择可逆的，尤其是弹性的可变形的材料而支持变形的减震体的复原。为了使减震体和被膜的形变更好地耦合，优选将减震体和被膜相互连接。
在一个有利的进一步的实施方案中，在被膜的内腔至少具有一个避让空间(Ausweichraum)，减震体在变形时可以在其中避让。可选择的或者额外的，减震体中或载体基质中或混合物中可含有气泡，在发生形变时，具有胶原的邻接的减震材料可避让其中。
本发明的组合物和减震装置可被用于碰撞或振动减震的多种不同的应用。
所述的组合物和装置的第一个有利的应用是保护人体免于机械碰撞和/或用于鞋中，尤其是用于鞋底或鞋衬和/或头盔中。
所述装置的第二个有利的应用是用于减少两个机械实体之间的振动。
下面通过实施例对本发明进行进一步地说明。其中用到附图，

图1表示在未负荷状态下用于减震机械运动的装置的示意图。
图2表示在碰撞负荷下按照图1的装置的示意图，和图3表示在负荷去掉以后按照图1和图2的装置的示意图。相同的部分具有相同的附图标记。
按照图1-3的装置包括可变形的基体1，其具有外壳10和由外壳10包封的内腔11中有减震材料或减震体2。减震材料或减震体2是含有液体的混合物并包含液体，优选水、至少一种胶原和用于该胶原的载体基质的其他载体材料，尤其是弹性体如硅氧烷橡胶(硅橡胶)。
沿着箭头表示的碰撞方向S，通过如图2所示施加运动体3的碰撞使基体1变形。通过减震材料或减震体2的变形产生流体动力学效果，其由于胶原的存在而产生高水平的水力传动减震效果。
在碰撞和顶锻后，通过弹性的外壳10和混合物的形状记忆或可逆的可变形性，使其又变回初始限定的形状，如图3所示。
这一变形和去变形过程是可逆的，并可任意重复循环。
为了达到长久的水力传动碰撞减震，按照本发明，尤其是在循环的工作行程中加速液体并由此产生循环的流体动力学减震效果。
该装置的减震能力可以通过其成型以及通过合适的混合物和液体-胶原-载体基质-混合物的组成调节和设定。
基体1的优选的形状如图1-3所示，是一个扁平的基体，具有两个分别在两侧相对的平面。此外，基体1可以被分成多个单独的相互分开的小室，其中各装有减震材料。此外，在外壳10内，内腔11中也可以是空的小室或区域，减震材料2在受压过程中可以向其中移动以避免变形。
减震材料2除了包括胶原和液体以及弹性材料外，还优选包含有利于从模具中取出的材料，如玉米淀粉。
由弹性物质例如胶乳或硅橡胶构成的、用于胶原的载体基质起弹性作用并使变形可逆。该胶原在碰撞或受压时吸收机械能，由此形成平滑的碰撞特性曲线。该载体基质和/或混合物还可以包含其他物质例如防冻剂，尤其是乙二醇或甘油。
减震体2的减震材料的一般优选的组成如下所述表1
减震材料的优选的组成如下
表2
减震材料的特别优选的组成如下表3
表1-3中各组分的重量份数之和总是100重量％。
这样的混合物即使在每平方米5000吨的负荷下也表现出可逆的变形性或形状记忆。
作为液压的或流体动力学碰撞减震体，按照本发明的装置可用于各种工业应用。可能的应用尤其是保护人体免受碰撞和击打，尤其是在鞋、矫形和安全技术中。即可用于在矫形技术或运动鞋中的鞋、鞋衬或鞋底，其它的具有碰撞减震装置的矫形物品、头盔、手套等。
附图标记1 基体2 减震体3 运动实体10外壳11内腔S 碰撞方向
权利要求
1.一种组合物，其包含a)至少一种胶原，和b)用于所述胶原的至少一种载体基质，c)其中该载体基质包含至少一种可逆的，尤其是可弹性变形的材料。
2.权利要求1的组合物，其中将一种或多种胶原嵌入载体基质或掺混到载体基质中。
3.权利要求1或权利要求2的组合物，其中的一种或多种胶原至少主要是以纤维状或长链分子结构形式存在。
4.权利要求3的组合物，其中由一种或多种胶原形成的纤维状或长链分子结构至少主要是规则排列和/或取向的，尤其是沿着至少一个优选方向取向。
5.权利要求3的组合物，其中由一种或多种胶原形成的纤维状或长链分子结构至少主要是不规则和/或随机分布排列和/或取向的。
6.权利要求3-5任一项的组合物，其中一种或多种胶原的纤维状或长链分子结构基本上是由三条螺旋状相互联结的基于蛋白质的分子构成的。
7.根据前述权利要求任一项或多项的组合物，其中一种或多种胶原的至少部分存在交联结构，尤其是通过横向连接，例如赖氨酸连接，在纤维状或长链分子结构之间交联。
8.根据前述权利要求任一项的组合物，其包含至少部分退火的胶原。
9.根据前述权利要求任一项或多项的组合物，其包含至少部分膨胀的胶原。
10.根据前述权利要求任一项或多项的组合物，其含有相对于人类或动物体中存在的胶原分子缩短的具有胶原分子结构的部分分子或部分链。
11.根据前述权利要求任一项或多项的组合物，含有至少一种液体、尤其是水或一种或多种醇或甘油。
12.根据前述权利要求任一项或多项的组合物，其中在胶原分子结构上吸附极性分子，尤其是水分子，其在外部作用下的形变或运动中的位移导致形变能或动能的损耗。
13.根据权利要求11或12的组合物，其中包含的所述液体或极性分子的重量份数为约0.5重量％-约90重量％，基于组合物的总重量计。
14.根据前述权利要求任一项或多项的组合物，其中载体基质包含至少一种弹性体或一种弹性体复合物作为可弹性变形材料。
15.权利要求14的组合物，其中载体基质包含至少一种、优选交联的或硫化的天然橡胶和/或合成橡胶作为弹性体。
16.权利要求14或15的组合物，其中载体基质含有至少一种硅氧烷弹性体(SI)，尤其是硅氧烷橡胶作为弹性体或用于由弹性体构成的复合物。
17.根据前述权利要求任一项或多项的组合物，其中至少一种弹性体以泡沫的形式存在。
18.根据前述权利要求任一项或多项的组合物，其中载体基质中的可逆的，尤其是可弹性变形的材料的重量份数为5重量％-99.9重量％，基于组合物的总重量计。
19.根据前述权利要求任一项或多项的组合物，其中胶原的重量份数为约0.01重量％-约95重量％，尤其是为1重量％-约40重量％和优选为约2重量％-约10重量％，基于组合物的总重量计。
20.根据前述权利要求任一项或多项的组合物，其中在载体基质中包含气泡。
21.根据前述权利要求任一项或多项的组合物，包含至少一种防冻剂。
22.制备根据前述权利要求任一项或多项的组合物的方法，包括下述步骤a)提供一种基本上仍未交联的液体弹性体原料，b)提供一种液体的胶原原料，c)制备弹性体原料和胶原原料的混合物，d)交联在得到的混合物中的所述弹性体原料的分子。
23.权利要求22的方法，其中作为胶原原料应用液体的明胶。
24.权利要求21或权利要求22的方法，其中将所述混合物交联硬化或者转变成不再流动的状态。
25.根据权利要求21-24任一项的方法，其中将由弹性体原料和胶原原料构成的液体混合物转移到模具中并且至少主要是在模具中才发生交联，然后将由该混合物硬化得到的成型体脱模。
26.根据权利要求21-25任一项的方法，其中将弹性体原料和胶原原料喷到一个薄膜上或一种另外的载体上，然后将该薄膜卷成管或卷。
27.根据权利要求21-26任一项的方法，其中所述胶原原料含有至少一种液体用于使或胶原膨胀，特别是水、醇和/或甘油。
28.用于减震机械运动，尤其是碰撞或振动的装置，其中含有权利要求1-21任一项或多项的组合物或根据权利要求22-27任一项的方法制备的组合物或者与胶原混合的含有液体的混合物。
29.权利要求28的装置，具有至少一种包含所述组合物或者含有一种或多种胶原的混合物的减震体。
30.权利要求29的装置，包含至少一个壳，在其内腔中具有至少一个减震体。
31.权利要求30的装置，其中所述外壳是可逆的，尤其是可弹性变形的。
32.权利要求30或权利要求31的装置，其中所述减震体与外壳连接。
33.权利要求30-32任一项的装置，在该外壳的内腔至少具有一个避让空间，在变形时减震体可到其中避让。
34.权利要求29-33任一项的装置，具有多个减震体，其以栅式排布。
35.根据权利要求1-21任一项或多项的组合物，或根据权利要求22-27任一项的方法制备的组合物，或根据权利要求28-34任一项的装置用于保护人体免于机械碰撞的用途。
36.根据权利要求1-21任一项或多项的组合物或根据权利要求22-27任一项的方法制备的组合物或根据权利要求28-34任一项的装置的用途，尤其是按照权利要求35的用途，用于鞋，特别是鞋底，鞋底衬(Fuβbett)或鞋衬。
37.根据权利要求1-21任一项或多项的组合物或根据权利要求22-27任一项的方法制备的组合物或根据权利要求28-34任一项的装置的用途，尤其是按照权利要求35的用途，用于头盔。
38.根据权利要求1-21任一项或多项的组合物或根据权利要求22-27任一项的方法制备的组合物或根据权利要求28-34任一项的装置用于减轻两个机械体之间的振动的用途。
全文摘要
本发明涉及包含至少一种胶原和至少一种用于该胶原的载体基质的组合物。其中该载体基质含有至少一种可逆的尤其是可弹性变形的材料。
文档编号C08L83/00GK1675480SQ03819394
公开日2005年9月28日 申请日期2003年8月13日 优先权日2002年8月15日
发明者米夏埃尔·波卢斯 申请人:道康宁有限公司