具有通过负压控制的刚度可变的元件的制作方法

具有通过负压控制的刚度可变的元件的制作方法
【专利摘要】一种具有通过负压控制的刚度可变的元件(1)，该元件包括：气密包封体(10)；在包封体中的多个柔性层(30、30a、30b、30c、30d、30e)，每个层(30、30a、30b、30c、30d、30e)具有第一表面(31、41)和第二表面(32、42)；以及适于抽真空包封体(10)内部的阀(20)，其特征在于：两个相邻层的第一和第二表面(31、41、32、42)彼此之间具有大于0.5的摩擦系数；两个相邻层的第一和第二表面(31、41、32、42)具有粘附特性，使得需要低于0.07N/mm2的每单位面积的法向力以使第一表面分离于第二表面，和/或使得用于使第一表面分离于第二表面所需要的沿法向的每单元面积的能量低于6.7J/m2。
【专利说明】具有通过负压控制的刚度可变的元件

【技术领域】
[0001] 本发明涉及具有通过负压如抽吸或真空控制的刚度可变的元件。本发明可适用于 以下几方面：
[0002] 某些医疗装置（如铸件、功能性矫形器、鞋垫以及应急医疗装置如用于急救中四 肢和全身的夹板），
[0003] -体育用品（如冰鞋、滑雪靴、冲浪板以及在运动中的保护装置如头盔或护膝及护 胸），
[0004] -在发生碰撞或事故时能刚性化的安全元件，
[0005] -构造元件，例如可用来制造可重构的露营家具或玩具，
[0006] -用于生产复合材料的模具元件，
[0007] -封装元件，或
[0008] _在发生碰撞或事故时能刚性化的安全元件，例如在汽车领域。

【背景技术】
[0009] 已知可使用负压如抽吸或真空来提供一种方法以将元件从柔性状态转变为刚性 状态，并且反之亦然，在柔性状态中，元件容易成形并且可以适用于符合特定要求的形状 (如人体的一部分），在刚性状态中，元件是刚性的并且提供支撑、保护和/或稳定性。使用 负压的装置的基本结构通常包括通常是可移动颗粒的内部填料和柔性不透气的薄的外包 封体。该结构通常使装置能够容易和方便地安装在身体和受到影响的四肢周围。当该装置 在期望位置处变成期望形状时，该装置受到负压，然后大气压压缩柔性的外包封体并且将 相当大的压力施加到全部质量的颗粒上。颗粒与包封体之间的摩擦力抵抗相对于彼此的运 动，从而提供刚性。通常包括阀以将包封体在被抽真空时进行密封以维持装置的刚性。从 刚性状态到软状态通常通过打开阀并且吹气来获得。
[0010] 已经公布了关于使用负压的矫形装置的若干个专利。专利文献US2005/0137513 公开了一种用于维持装置均匀厚度以支撑和稳定受伤的人或身体部件的结构。该装置具有 由两个柔性膜包封的内部区域并且该内部区域被分成两个插入体，两个插入体分别用两个 透气的柔性材料条形成。通过使形成在材料条之间的接缝交叉的方法，每个插入体被分成 包含松散颗粒的腔室。使两个插入体上的接缝在两个方向上相对于彼此进行交错，以这样 的方式使颗粒结合以形成基本均匀的厚颗粒层。然而，这样的一种由细粒或颗粒制成的结 构存在太厚的问题（其导致实践上的限制如运输尺寸）以及体积大的问题（其导致如需要 长的抽真空时间以达到期望负压水平的问题）。
[0011] 为了解决不期望厚度和体积的问题，在专利文献W02011/07985中公开的具有可 控的适合度的身体安装元件由封住多个层的气密包封体制成并且具有适于抽真空包封体 的内部的阀。每个层由具有高杨氏模量和高柔韧性的材料制成的芯来制成，用由具有高摩 擦系数的材料制成的覆盖层涂覆在芯的两侧。然而，这样的身体安装元件存在下列问题：
[0012] -一旦施加真空并且身体安装元件处在刚性状态之后，当打开阀以进入柔性状态 时，事实是由于层的粘性，层可能保持一层与另一层粘住，因而并未适当地恢复柔性状态。
[0013] -在刚性状态下，当处于弯曲应力下时，层可能剥离（涂层与芯分离）。
[0014] -在W02011/07985中公开的身体安装元件包括由具有低摩擦系数的材料制成的 一些条，以便在大气压下适当地恢复柔性状态。然而，这些条减小了有效的摩擦表面，因此 减小了元件在刚性状态下的刚度并且从而影响了其正常的运行。
[0015] 总而言之，需要具有可控刚度的元件，所述元件能以有效的方式解决上述方案中 的粘性问题和剥离问题二者。


【发明内容】

[0016] 本发明涉及一种根据权利要求1所述的具有通过负压控制的刚度可变的元件。该 元件优选的实施方案在从属权利要求中进行限定。
[0017] 本发明的目的为提供一种具有可通过负压控制的刚度可变的元件，该元件克服了 现有的具有可控刚度的元件的粘性和剥离问题。为了做到这一点，本发明的具有可通过负 压控制的刚度可变的元件在柔性状态和刚性状态之间是完全可逆的，同时与现有的解决方 案的刚度比相比保持或者甚至改善了刚性状态和柔性状态之间的刚度比。
[0018] 本发明的具有通过负压控制的刚度可变的元件包括：
[0019] _气密包封体；
[0020] _在包封体中的多个柔性层，每个层具有第一表面和第二表面；以及
[0021] -适于抽真空包封体内部的阀。
[0022] 根据本发明的第一方面，两个相邻层的第一表面和第二表面：
[0023] -彼此之间具有大于0. 5的摩擦系数；以及
[0024] -具有粘附特性，使得需要不大于0. 07N/mm2的每单位面积的法向力以使第一表面 与第二表面分离，和/或使得用于使第一表面与第二表面沿法向分离所需要的每单元面积 的能量低于6. 7J/m2。
[0025] 因此，本发明的元件具有包括若干层的层状结构并且有以下特性：
[0026] -由于所使用的材料的选择以及层的整个表面支持摩擦的事实导致的层之间的高 摩擦系数；以及
[0027] _层之间的低粘附力，特别是当不存在法向力时。
[0028] 这种方式下，第一表面与第二表面在大气压下可以相对彼此滑动。
[0029] 本发明的另一个优势为可将层制造成比现有技术元件的层（其包括经涂覆的芯 层）更薄，由于层可以由具有高摩擦系数和低粘附特性的必要特性的单一材料或复合物制 成这一事实，所以消除了对涂层和芯二者以及在涂层与芯之间的对应的粘附层的需要。
[0030] 通过本发明的该特定元件构造，该元件的柔性状态与刚性状态间的刚度比得到改 进：
[0031] -首先，因为在大气压下层并未彼此粘住，所以这使元件更柔软并且更容易在其更 软的状态下成形；以及
[0032] -其次，因为不需要低摩擦的条或者进行缝制，所以增加了摩擦表面，这使元件在 刚性状态下更硬。
[0033] 根据元件的应用，层可以由单一材料制成或者层可以由嵌入基体内的多个纤维制 成。在两种情况下，层可以由连续的或均匀的片制成，或者层可以由带或带状物的织造结构 制成。
[0034] 在层是由用纤维增强的基体制成的情况下，纤维可以是单向的、双向的或多向的。 仅具有单向的纤维的复合物适合于用带织造的结构。
[0035] 纤维优选地选自玻璃纤维、碳纤维、芳族聚酰胺纤维或者聚酯纤维。而基体优选地 由热稳定性聚合物或热塑性聚合物制成。
[0036] 根据另一优选实施方案，层可以包括芯层，在芯的一侧上由至少一种涂层涂覆该 芯层。优选地，芯分别由第一涂层和第二涂层涂覆，在芯的每一侧上涂覆一个涂层。
[0037] 这样的涂层优选地由热塑性聚氨酯弹性体制成。
[0038] 优选地使用标准化方法的适配版本如ASTM D2979_01，"使用倒置探针仪用于粘合 剂的压敏粘性的标准试验方法"对层的粘附特性进行测量。优选地，利用探针粘性试验在相 当于大气压的预载荷和IOOs的等待预载荷时间的条件下对粘附特性进行测量。
[0039] 优选地使用标准化步骤如ASTM D1894"用于塑料膜和片的静态和动态摩擦系数的 标准试验方法"对摩擦系数进行测量。
[0040] 在层由织造的带制成的情况下，可以利用适合的探针粘性试验对彼此相邻放置的 特定数量的带在平坦表面上对粘附特性进行测量，使得得到宽度大于由标准设定的最小 值。
[0041] 按照所述层在使用中的情况，对层进行层的粘附特性测量，即，尽管标准指出在执 行任何测量前应该对层进行清洁，但对于测量本发明中的元件的层的粘附特性，不需要对 层进行预先清洁；应该在与层在元件内部使用时相同的条件下对层的粘附特性进行测量。
[0042] 通过下面的具体描述，本发明另外的优势和特征将变得明显并且将在所附权利要 求中特别地指出。

【专利附图】

【附图说明】
[0043] 为了完成描述并且提供对本发明更好的理解，提供了一组附图。该附图构成了描 述的组成部分并且示出本发明的实施方案，实施方案不应该理解为对本发明范围的限制， 而仅作为本发明如何能够被执行的实施例。附图包括以下图。
[0044] 图1示出了根据本发明的具有刚度可变的元件的截面图。
[0045] 图2是在元件内部的层的第一实施方案的透视图。
[0046] 图3、图4、图5、图6和图7示出了在元件内部的层的其他可能实施方案的透视图。
[0047] 图8是根据本发明的用于医疗应用的元件的部分的透视图。
[0048] 图9是根据元件的另一实施方案的层的带状物织造结构的俯视图。
[0049] 图10示意性地示出了在当前情况中使用的测量层的粘附的适合的方法。

【具体实施方式】
[0050] 下述描述并不应被视为具有限制意义，而是仅出于描述本发明的主要原理的目的 给出。将参照示出了根据本发明的元件和结果的上述附图，通过举例的方式描述本发明的 下面的实施方案。
[0051] 图1示出了根据本发明的具有刚度可变的元件1的优选实施方案。元件1包括密 封多个柔性层30的气密可拉伸包封体10和适合于抽真空包封体的内部的阀20。气密包封 体10适合于经受受控压力并且具有适于抽真空包封体的内部的阀20。
[0052] 以已知的方式，当包封体10内部为大气压时，层30是未压缩的。当施加真空时， 柔性层30被压缩在一起增加了柔性层30之间的摩擦，进而增加了元件1作为一个整体的 刚度。以这种方式，元件1具有从在大气压下软的、柔性状态到被减压时的刚性状态的可变 状态的可能性。
[0053] 如图2所示，本元件1的新颖性在于层30的特定结构和材料；每个层30由单一材 料或复合物制成，层30在一侧上具有第一表面31而在另一侧上具有第二表面32。
[0054] 为了使元件1在施加真空后及随后释放时适当地工作并且充分恢复其柔性或软 的状态，重要的是，层的第一和第二表面31、32由具有导致大摩擦系数和低粘附连接的厚 度和表面光洁度的材料制成。
[0055] 所述层使得两个相邻层30的第一表面31和第二表面32之间的摩擦系数高于通 常用于润滑的材料的摩擦系数。表面之间的摩擦系数大于0.6。更优选地，摩擦系数大于 1〇
[0056] 为了测量摩擦系数可以使用标准化步骤，如ASTM D1894，"用于塑料膜和片的静态 和动态摩擦系数的标准试验方法"。
[0057] 对层的本质需求是层具有低粘附特性。对于低粘附，意味着两个相邻层30的第一 与第二表面31、32之间的切向粘附力使得当不存在法向力时层30相对彼此滑动。事实上， 层的第一和第二表面具有低粘附特性使得需要低于〇. 〇7N/mm2的每单位面积的法向力以使 第一表面分离于第二表面（即，-〇. 〇7N/mm2的压缩法向力）和/或使得用于使第一表面分 离于第二表面所需要的沿法向的每单位面积的能量低于6. 7J/m2。
[0058] -个重要的特征是一旦不再施加真空时防止不同层依然彼此粘住，并且元件1恢 复其柔性状态时。
[0059] 应当考虑，层的摩擦特性和粘附特性不仅受层的材料影响，而且受层的厚度和表 面光洁度（粗糙度Ra)影响。这就是为了描绘两个相邻层30的第一和第二表面31、32之 间的界面的特征而在两个柔性层30上进行摩擦试验和粘性试验以将制造过程的影响考虑 在内的原因。
[0060] 通过适合的探针粘性试验在相当于大气压的预载荷和IOOs的等待预载荷时间的 条件下对粘附特性进行测量，IOOs是标准中提到的对于粘附特性设定的最大时间量程。
[0061] 通过ASTM D2979-01"使用倒置探针仪用于粘合剂的压敏粘性的标准试验方法"对 用于测量粘合剂的粘附的标准化方法进行描述。在该情况下使用了该方法的适合的版本。 因为对并不是粘合剂的层之间的粘附也进行了测量，所以必须对标准化方法进行改进；这 些层具有较低粘附力，并且其中粘附取决于层的材料、厚度和粗糙度。如在标准中指出的， 可以用酒精（或其他任意方法）在测量之前对层进行清洁。但是为了不改变层在其使用状 态下的粘附特性，在没有预先清洁层的表面的情况下也可以进行测量。
[0062] 重要的是，重复标准化方法若干次，以便具有统计上地相当大数目的测量结果，使 得可以将异常值忽略不计。
[0063] 图10中示意性地示出了测量方法，其中表示了关于层之间的位移（S )力（F)。粘 附测量方法如下所示：
[0064] a_c)以恒定速度靠近层的表面，在某点处层的表面彼此接触并且被压缩直到到达 压缩力F最大为止。
[0065] c-f)根据标准以5mm/分钟的恒定速度使层的表面分离。（该标准规定为10mm/s 的速率，但是使用5mm/分钟的速率，以提供更高的精度。）
[0066] 更具体地：
[0067] a_b)表面以恒定速度接近彼此，表面之间没有接触。
[0068] b_c) -旦表面之间存在接触，由运动建立压缩力，直到压缩力到达峰值F最大为止。 然后层之间的运动停止，力保持在恒定水平
[0069] c-d)表面以恒定速度移动远离彼此。最初，压缩力被移除，直到到达层之间建立的 粘附力增加到最大值匕_的点为止。这种粘附力具有与初始压缩力的方向相反的方向。
[0070] d_e)层之间的粘附力通过表面的分离而消失。
[0071] e-f)使表面以恒定速度在没有接触的情况下彼此分离。
[0072] 对标准化的试验特定的修改如下：
[0073] -由于粘附力较低，所以使用50mm的圆形接触表面代替标准的5mm探针。在包括 带的实施方案的情况下，应该将许多带彼此相邻排列，使得排列在一起的带覆盖50_的圆 形表面。
[0074] -由于粘附力较低，所以使用正常直立的探针仪代替倒置的探针仪。
[0075] -在元件的实际层之间进行粘附试验代替在不锈钢探针与粘合剂之间进行试验。
[0076] -当到达值时停止恒定速度接近运动；在该点处对探针仪编程以使静载荷保 持不变。所使用的的值为200N，其对应于表面上的大气压数量级的压缩载荷。
[0077] _在步骤c_f期间探针被从静止的表面坚直地向上提起。
[0078] _使静载荷保持IOOs (而不是Is)。
[0079] -在试验中使用了真实的层，而不是在标准中特定厚度的特定粘附表面层。
[0080] -该值为对于至少五次测量值的平均值。
[0081] -粘附通过以下参数表征：
[0082] -F粘附/A表面，其中F粘附是当使表面分离时测得的最大力，A表面是接触表面的面积，以 及
[0083] _ w粘附/Amj，其中w粘附是使两个层分尚所需的日g星;。
[0084] 下面的表1示出了层的实例，使用了刚才说明的适合的探针粘性试验对层的粘附 特性进行了测量。表中的最大粘性应力和粘性能量是分离两个层所需的法向力和能量（每 单位面积）的最大值。如果需要较高值的力或能量来分离两个层，则这样的层不适用于所 发明的元件。
[0085] 表 1
[0086]

【权利要求】
1. 一种具有通过负压控制的刚度可变的元件（1)，所述元件包括： 气密包封体（10); 在所述包封体中的多个柔性层（30、30&、3015、30(3、30(1、306)，每个层（30、30 &、3013、 30c、30d、30e)具有第一表面（31、41)和第二表面（32、42);以及 适于抽真空所述包封体（10)内部的阀（20)， 其特征在于： 两个相邻层的所述第一和第二表面（31、41、32、42)彼此之间具有大于0.5的摩擦系 数； 两个相邻层的所述第一和第二表面（31、41、32、42)具有粘附特性，使得需要低于 0.07N/mm2的每单位面积的法向力以使所述第一表面分离于所述第二表面，和/或使得用于 使所述第一表面分离于所述第二表面所需的沿法向的每单位面积的能量低于6. 7J/m2。
2. 根据权利要求1所述的元件（1)，其中所述层（30、30f)由单一材料制成。
3. 根据权利要求1所述的元件（1)，其中所述层（30c、30d、30e、30f)由嵌入在基体 (302)中的多个纤维（301)制成。
4. 根据权利要求3所述的元件（1)，其中所述纤维（301)是单向的。
5. 根据权利要求3所述的元件（1)，其中所述纤维（301)是双向的或多向的。
6. 根据权利要求3至5中任一项所述的元件（1)，其中所述纤维（301)选自玻璃纤维、 碳纤维、芳族聚酰胺纤维或聚酯纤维。
7. 根据权利要求3至6中任一项所述的元件（1)，其中所述基体（302)由热稳定性聚 合物或热塑性聚合物制成。
8. 根据权利要求1至7中任一项所述的元件（1)，其中各个层（30a、30b、30d)还包括 芯（40)，在所述芯（40)的一侧上由至少一个涂层（41、42)涂覆。
9. 根据权利要求1至7中任一项所述的元件（1)，其中各个层（30a、30d)还包括分别 由第一和第二涂层（41、42)涂覆的芯（40)，其中在所述芯（40)的每一侧上涂覆一个涂层。
10. 根据权利要求8至9中任一项所述的元件（1)，其中所述涂层（41、42)由热塑性聚 氨酯弹性体制成。
11. 根据权利要求1至10中任一项所述的元件（1)，其中所述层（30a、30b、30c、30d、 30e)由连续的片制成。
12. 根据权利要求1至4以及从属于权利要求4时的权利要求6至10中任一项所述的 元件（1)，其中所述层（30f)由带（60、65)的织造结构制成。
13. 根据任一项前述权利要求所述的元件（1)，其中所述层的所述粘附特性通过利用 适合的探针粘性试验的在相当于大气压的预载荷和100s的等待预载荷时间的条件下测 量。
14. 根据权利要求12所述的元件（1)，其中所述层的所述粘附特性通过利用适合的探 针粘性试验在相当于大气压的预载荷和100s的等待预载荷时间的条件下测量，在平坦表 面上对彼此相邻放置的确定数量的带（60、65)进行这样的测量。
15. 根据任一项前述权利要求所述的元件（1)，其中按照所述层在使用中的情况，对所 述层进行所述粘附特性的测量。
【文档编号】A61F5/058GK104302254SQ201380006429
【公开日】2015年1月21日 申请日期:2013年3月15日 优先权日:2013年3月15日
【发明者】马克西姆·比罗, 蒂里·谢勒, 扬·F·维尼曼, 卡罗利娜·韦拉马丁 申请人:泰克斯提亚创新方案有限公司