包含多孔聚合物材料的眼镜的制作方法
【专利说明】包含多孔聚合物材料的眼镜
[0001] 相关申请案
[0002] 本申请要求2013年11月20日提交的美国临时申请序列号61/906,551的优先权，该 临时申请全文以引用方式并入本文。
【背景技术】
[0003] 聚合物材料已用于眼镜的镜架以帮助减轻重量和降低成本。然而，许多传统的聚 合物材料一直出现的一个问题是它们通常太硬而在弯曲时会容易断裂。这可导致眼镜在使 用者头部上的配合不佳。因此，许多传统的镜架需要使用铰链，甚至也只能提供极低程度的 柔韧性，这使镜架的设计过于复杂并且会增加成本。此外，使用铰链可限制镜架能弯曲的程 度和方向。因此，目前对于改进的眼镜存在需要，所述眼镜包括能容易地定位同时仍具有足 够的强度和刚度以支撑镜片的镜架。
【发明内容】
[0004] 根据本发明的一个实施例，公开了包括用于支撑镜片的镜架组件的眼镜。镜架组 件的至少一部分包含由热塑性组合物形成的聚合物材料。热塑性组合物包含含有基体聚合 物的连续相。微米包合物添加剂和纳米包合物添加剂以离散结构域的形式分散在连续相 中，并且在材料中限定了多孔网络。
[0005] 本发明的其他特征和方面在下文更详细地讨论。
【附图说明】
[0006] 针对本领域普通技术人员的本发明的完整且能够实现的公开内容(包括其最佳模 式)在说明书的剩余部分中参照附图更具体地阐述，在附图中：
[0007] 图1是本发明的眼镜的一个实施例的透视图；
[0008] 图2是本发明的眼镜的另一个实施例的前正视图；
[0009] 图3-4是实例1的未拉伸片材的SEM显微照片，其中片材在图3中垂直于机器方向并 在图4中平行于机器方向进行切割；以及
[0010]图5-6是实例1的拉伸片材的SEM显微照片(片材平行于机器方向取向进行切割）。
[0011] 图7-8是实例2的未拉伸片材的显微照片，其中片材在图7中垂直于机器方向并在 图8中平行于机器方向进行切割；
[0012] 图9-10是实例2的拉伸片材的SEM显微照片(片材平行于机器方向取向进行切割）。
[0013] 图11-12是可用于执行本文所述的弯曲保持性测试的示例性测试设备的照片；以 及
[0014] 图13-15是可用于执行本文所述的扭曲保持性测试的示例性测试设备的照片。
[0015] 在本说明书和附图中对附图标记的反复使用旨在代表本发明的相同或类似的特 征或元件。
【具体实施方式】
[0016]现在将详细参照本发明的各种实施例，其一个或多个例子在下文示出。每个例子 都以解释本发明而不是限制本发明的方式提供。事实上，对于本领域技术人员显而易见的 是，在不背离本发明的范围或精神的情况下，可以在本发明中做出各种修改和变化。例如， 作为一个实施例的一部分而说明或描述的特征，可以用于另一个实施例以产生又一个实施 例。因此，本发明打算覆盖落入所附权利要求书及其等同物的范围内的这样的修改和变化。 [0017] -般来讲，本发明涉及包括用于支撑诸如矫正镜片、防护镜片等镜片的镜架组件 的眼镜(例如，普通眼镜、太阳镜、安全眼镜、运动眼镜等）。值得注意的是，镜架组件的至少 一部分包含聚合物材料，该材料可具有低密度、柔韧性和形状保持特性的独特组合。聚合物 材料可用于形成整个镜架组件或只是形成其一个或多个部件。
[0018] 可以通过选择性控制材料的形成方式而实现单种、一体式聚合物材料的低密度、 柔韧性和形状保持特性的独特组合。更具体地讲，该聚合物材料可由热塑性组合物形成，该 热塑性组合物包含含有基体聚合物、微米包合物添加剂和纳米包合物添加剂的连续相。可 对添加剂进行选择以使得它们具有与基体聚合物不同的弹性模量。以此方式，微米包合物 添加剂和纳米包合物添加剂可变得分别作为离散的微米级和纳米级相结构域分散在连续 相中。当在使用材料之前和/或之后受到变形应变时，由于材料的不相容性引起的应力集 中，可以在微米级离散相结构域附近形成强局部剪切区域和/或应力密集区域(例如，法向 应力）。这些剪切和/或应力密集区域可导致在邻近微米级结构域的聚合物基体中的一些初 始剥离。然而，值得注意的是，局部剪切和/或应力密集区域还可以在与微米级区域重叠的 纳米级离散相结构域附近产生。这样的重叠的剪切和/或应力密集区域导致在聚合物基体 中发生甚至进一步的剥离，从而在纳米级结构域和/或微米级结构域附近产生大量的孔。
[0019] 多孔网络因此可在聚合物材料中形成。例如，在给定的单位体积的材料中由孔占 据的平均体积百分比可为从约15 %至约80 %每cm3，在一些实施例中从约20 %至约70 %以 及在一些实施例中从约30%至约60%每立方厘米材料。高孔体积的存在可显著降低材料的 密度，这可使得可以使用更轻、更柔韧而仍实现良好特性的材料。例如，组合物可具有相对 低的密度，诸如约1.2克每立方厘米（"g/cm 3"）或更低，在一些实施例中约1. Og/cm3或更低， 在一些实施例中从约0.2g/cm3至约0.8g/cm 3以及在一些实施例中从约0. lg/cm3至约0.5g/ cm3。该网络中的大部分孔也可以是"纳米级"尺寸的（"纳米孔"），诸如具有约800纳米或更 小，在一些实施例中从约5至约250纳米以及在一些实施例中从约10至约100纳米的平均横 截面尺寸的那些。术语"横截面尺寸"通常是指孔的特性尺寸(例如宽度或直径），该特性尺 寸与其主轴(例如长度)基本正交并且通常还与在应变过程中施加的应力的方向基本正交。 这样的纳米孔可例如占聚合物材料中的总孔体积的约15vo 1. %或更多，在一些实施例中约 20vol. %或更多，在一些实施例中从约30vol. %至100vol. %以及在一些实施例中从约 40vol · % 至约90vol · %。
[0020] 如上所指出的那样，在应变过程中产生的重叠的剪切和/或应力密集区域可导致 邻近纳米级结构域和/或微米级结构域形成孔。由于材料的独特性质及其可以形成的方式， 孔可变得分布在交替的带状区域内，聚合物基体的脊部大致垂直于应变方向延伸地位于所 述交替的带状区域之间。脊部可以保持相对无空化和刚硬的。然而，聚合物基体也可以在带 状区域中形成桥，桥由于其中高浓度的孔而在性质上保持相对柔韧。这些特征的组合可以 产生这样的材料，该材料由于刚性脊部的存在而具有结构完整性，还由于相对柔韧的桥的 存在而能够挠曲和耗散能量。这尤其提高了材料的柔韧性，同时还可以保持足够程度的强 度以便可以在使用期间维持所需的形状。
[0021] 聚合物材料柔韧性的一个量度是其弹性模量，诸如根据ASTM D638-10在23°C下测 量，该弹性模量可以为约2500兆帕斯卡（"MPa"）或更低，在一些实施例中约2200MPa或更低， 在一些实施例中从约50MPa至约2000MPa以及在一些实施例中从约lOOMPa至约lOOOMPa。聚 合物材料因此可以物理变形(例如，弯曲、扭曲等)成具有一个或多个角位移的三维构型。角 位移可以例如在从约5°至约250°，在一些实施例中从约10°至约200°，在一些实施例中从约 20°至约180°以及在一些实施例中从约30°至约120°的范围内。在某些实施例中，三维构型 可以具有多个角位移(例如，2、3、4个等），这些角位移可以位于相同或不同的平面中。不论 变形的具体方式如何，所得的聚合物材料都能够保持其变形形状。材料的这种形状保持特 性可由从约0.1至1，在一些实施例中从约0.2至约0.95，在一些实施例中从约0.4至约0.9以 及在一些实施例中从约0.5至约0.8范围内的弯曲保持指数和/或扭曲保持指数来表征。"弯 曲保持指数"由弯曲释放角除以弯曲角来测定，其中"弯曲角"是材料在经受弯曲力（例如， 9.90千克-力/厘米)30秒后的角，诸如围绕与材料的纵向维度垂直的线，而"弯曲释放角"是 材料在力释放30秒后的角。同样，"扭曲保持指数"由扭曲释放角除以扭曲角来测定，其中 "扭曲角"是材料经受逆时针方向的力（例如，3.50千克-力/厘米)30秒后的角，诸如围绕与 材料的纵向维度平行的线，而"扭曲释放角"是材料在力释放30秒后的角。当然，虽然能够保 持其形状，但本发明的关键益处是该构型不是永久性的。完全相反的是，即使在其变形成某 一形状后，聚合物材料也能在之后变形成其他形状(如果期望这样的话）。因此，聚合物材料 可以容易成形和再成形为几乎任何三维构型。
[0022] 在牵伸过程中也可以在微米级结构域处或附近形成微米孔，该微米孔具有从约 0.5至约30微米，在一些实施例中从约1至约20微米以及在一些实施例中从约2微米至约15 微米的平均横截面尺寸。微米孔和/或纳米孔可具有任何规则或不规则的形状，诸如球形、 细长形等。在某些情况下，微米孔和/或纳米孔的轴向尺寸可以大于横截面尺寸，以使得长 宽比（纵向尺寸与横截面尺寸之比）为从约1至约30,在一些实施例中从约1.1至约15以及在 一些实施例中从约1.2至约5。"轴向尺寸"是主轴(例如，长度)方向上的尺寸。本发明人也已 经发现，孔(例如微米孔、纳米孔，或二者)可以按基本均匀的方式分布在整个材料中。例如， 孔可以分布成列，这些列沿着与应力施加方向大致垂直的方向取向。这些列可以跨过材料 的宽度大致彼此平行。无意受理论的限制，据信，这样的均匀分布的多孔网络的存在可导致 镜架组件良好的机械特性。
[0023] 现在将更详细地描述本发明的各种实施例。
[0024] I.热塑性组合物
[0025] A.基体聚合物
[0026] 如上所指出的那样，热塑性组合物包含内部分散有微米包合物添加剂和纳米包合 物添加剂的连续相。连续相包含一种或多种基体聚合物，基体聚合物通常占热塑性组合物 的从约60wt. %至约99wt. %，在一些实施例中从约75wt. %至约98wt. %以及在一些实施例 中从约80wt. %至约95wt. %。用于形成连续相的一种或多种基体聚合物的性质并非关键性 的并且通常可采用任何适合的聚合物，诸如聚酯、聚烯烃、苯乙烯聚合物、聚酰胺等。在某些 实施例中，例如，可在组合物中采用聚酯来形成聚合物基体。通常可以采用多种聚酯中的任 一种，诸如脂族聚酯，诸如聚己内酯、聚酰胺酯、聚乳酸(PLA)及其共聚物、聚乙醇酸、聚碳酸 亚烷基酯（例如，聚碳酸亚乙酯）、聚-3-羟基丁酸酯(PHB)、聚-3-羟基戊酸酯(PHV)、3-羟基 丁酸酯与4-羟基丁酸酯的共聚物、3-羟基丁酸酯与3-羟基戊酸酯的共聚物(PHBV)、3-羟基 丁酸酯与3-羟基己酸酯的共聚物、3-羟基丁酸酯与3-羟基辛酸酯的共聚物、3-羟基丁酸酯 与3-羟基癸酸酯的共聚物、3-羟基丁酸酯与3-羟基十八烷酸酯的共聚物和基于琥珀酸酯的 脂族聚合物(例如，聚琥珀酸丁二醇酯、聚琥珀酸己二酸丁二醇酯、聚琥珀酸乙二醇酯等）； 脂族-芳族共聚酯(例如，聚己二酸对苯二酸丁二醇酯、聚己二酸对苯二酸乙二醇酯、聚己二 酸间苯二酸乙二醇酯、聚己二酸间苯二酸丁二醇酯等）；芳族聚酯（例如，聚对苯二甲酸乙二 醇酯、聚对苯二甲酸丁二醇酯等）；等等。
[0027] 在某些情况下，热塑性组合物可包含至少一种在性质上为刚性的并因此具有相对 高的玻璃化转变温度的聚酯。例如，玻璃化转变温度（"T g"）可为约0 °C或更高，在一些实施 例中从约5°C至约100°C，在一些实施例中从约30°C至约80°C以及在一些实施例中从约50°C 至约75°C。聚酯也可以具有从约140°C至约300°C，在一些实施例中从约150°C至约250°C以 及在一些实施例中从约160°C至约220°C的熔融温度。熔融温度可以根据ASTMD-3417采用差 示扫描量热法(〃DSC〃）来测定。玻璃化转变温度可以根据ASTME1640-09通过动态机械分析 来测定。
[0028] -种特别适合的刚性聚酯是聚乳酸，其通常可源自乳酸的任何同分异构体的单体 单元，诸如左旋乳酸（"L-乳酸"）、右旋乳酸（"D-乳酸"）、内消旋乳酸或它们的混合物。单体 单元也可以由乳酸的任何同分异构体的酸酐形成，包括L-丙交酯、D-丙交酯、内消旋丙交酯 或它们的混合物。这样的乳酸和/或丙交酯的环状二聚体也可以被采用。任何已知的聚合方 法，诸如缩聚或开环聚合，均可以用来聚合乳酸。少量的扩链剂(例如，二异氰酸酯化合物、 环氧化合物或酸酐)可以被采用。聚乳酸可以是均聚物或共聚物，诸如含有源自L-乳酸的单 体单元和源自D-乳酸的单体单元的那些。虽然不要求，但源自L-乳酸的单体单元和源自D-乳酸的单体单元中之一的含量比率优选为约85摩尔％或更高，在一些实施例中约90摩尔％ 或更高以及在一些实施例中约95摩尔％或更高。多种聚乳酸可以以任意百分比共混，其中 每种具有不同的源自L-乳酸的单体单元与源自D-乳酸的单体单元之比。当然，聚乳酸也可 以与其他类型的聚合物(例如，聚烯烃、聚酯等)共混。
[0029] 在一个特定的实施例中，聚乳酸具有以下通式结构：
[0031]本发明中可使用的适合的聚乳酸聚合物的一个具体例子可从德国Krailling的 Biomer，Inc.以名称BIOMER? L9000商购获得。其他适合的聚乳酸聚合物可从Minnesota的 Minnetonka的Natureworks LLC(NA i '.WORKS·%)或Mitsui Chemical (LACEA?)商 购获得。还有其他适合的聚乳酸可见述于美国专利号4,797,468、5,470,944、5,770,682、5， 821，327、5，880，254和6，326，458。
[0032] 聚乳酸通常具有在从约40，000至约180，000克每摩尔，在一些实施例中从约50， 000