帶有吸收能量插入物的撓性輕質護墊的製作方法

2023-06-11 12:03:11 1

專利名稱：帶有吸收能量插入物的撓性輕質護墊的製作方法
技術領域：
本發明涉及人體護墊。本發明進一步涉及輕質、吸收衝擊力、撓性並透氣的護墊。
背景技術：
臀部護墊和其它護墊已用來保護人體免受由於摔倒、事故、運動和其它相關事件產生的衝擊損傷。具體地說，在老年人、骨質疏鬆症患者和跛足者和行走不便者中經常發生意外摔倒導致的骨折。在老年人，特別是患有骨質疏鬆症的老年人中，骨折極難恢復，首先迫切需要防止他們發生骨折。
過去已製作了各種護墊和衣服，但都有缺點。常見的保護穿戴物是一個護墊，它永久性固定在衣服上，或塞入衣服的護墊袋裡，或通過系帶或對皮膚安全的粘合劑固定在適當部位，使該護墊位於身體容易受傷處。這種容易受傷處(尤其對老年人來說)是臀部區。臀部骨折通常包括股骨近端的骨折，這在老年人摔倒病例中的發生率為2-3％。這部分股骨由股骨的頭、頸、大轉子和小轉子組成。大轉子在臀部區大部分側向區域上向外突出，由於處於這種位置，因此大轉子受到摔倒，特別是側向摔倒時所產生的對臀部衝擊力的正面衝擊。
為保護臀部區，護墊通常固定在覆蓋臀部區的衣服內側，或放在臀部區衣服的護墊袋裡。更具體地說，通常使護墊位於覆蓋大轉子的位置，或者對於某些類型的衝擊力(能量)分散護墊，使護墊圍繞大轉子而非真正覆蓋之。
人們對摔倒時所需的護墊減弱衝擊力的程度具有很大爭議。這是因為在模擬的下跌負載形式中，測得的使老年人屍體股骨骨折所需的衝擊力各不相同。根據負載速率，這些測定值範圍由2110牛頓(J.C.Lotz W.C.Hayes.骨關節手術雜誌(J.Bone Joint Surg.)[美國]，72卷，689-700頁，1990)至6020牛頓(T.G.Weber，K.H.Yang，R.Woo，R.H.Fitzgerald，美國機械工程師學會報告、生物工程學進展(ASME Adv.Bioeng.)BED22111-114頁，1992)。另外，下跌的人體軀幹衝擊硬表面(如瓷磚地面)時的速度可約為2.0-4.5米/秒。研究人員經過測量志願者臀部的下落速度，得出的平均速度約為2.6米/秒(S.N.Robinovitch，J.生物力學工程雜誌(Biomech.Eng.)，9卷，1391-1396頁，1994)。估計在摔倒過程中傳給沒有護墊的大轉子的衝擊力也在約5700-10,400牛頓的寬範圍內(J.Parkkari等，骨和礦物質研究雜誌(J.Bone and Mineral Res.)，10卷，第10期，1437-1442頁，1995)。
護墊效果的最佳證據來自活人的臨床研究。Lauritzen等(Lancet，341卷，11-13頁，1993)用硬殼型護墊進行了這類研究。在被研究的人群中發現該護墊能使臀部骨折發生率降低約50％。儘管有這些強有力的臨床結果，但是將Lauritzen的護墊裝在模擬臀部上並用以2.6m/秒速度移動的重擺錘(35kg)對其進行衝擊時，發現該護墊提供的對衝擊力的減弱較低(S.N.Robinovitch等，生物力學工程雜誌J.Biomechnical Engineering，)117卷，409-413頁，1995)。在這些實驗室試驗條件下，Lauritzen的護墊將股骨的最大衝擊力從約5770牛頓減至約4800牛頓，即僅僅減少約17％。基於Lauritzen護墊的護臀產品在丹麥由Sahvatex(Sahva A/S和Tytex A/S的合資企業)出售，商品名為SAFEHIPTM。該護臀具有帶塑料硬殼的橢圓形結構，被縫入棉布內褲中。
這些臨床發現提出兩個假設。第一種假設是儘管擺錘衝擊試驗能用於測量各種護墊體系相對於其它護墊體系的衝擊力下降能力，但是其它研究人員使用的擺錘衝擊試驗與自然條件下護墊使用狀況不大有關聯。在這種試驗中，護墊被裝在有固定位置的模擬臀部上，並用35千克或更重的擺動物側面衝擊之。在真實的摔倒中，其動力學有些不同。在摔倒時，護墊和人體都向下運動，事實上由於重力而加速下落，並撞擊固定的物體(如地面或硬地板)，這種固定的物體對所述撞擊沒有大的移動反應。可以推測當使帶測試儀的模擬臀部跌落到硬表面上以更好地復現摔倒動力學時，各種護墊體系的排列(rank)次序可能會相似，但衝擊力下降結果會有些不同。第二個假設是假定擺錘試驗與自然試驗條件下的護墊使用狀況確實有關聯，並且甚至這種在實驗室條件下達到較低的最大衝擊力下降率(約20％左右)的護墊能有效地減少一部分容易摔倒的老年人群的臀部骨折。在任何一種情況下，不管使用何種試驗方法，最大衝擊力的下降幅度比臨床試驗的Laurizen/Sahvatex護墊更大的護墊應能更有效地防止臀部骨折並能保護更大部分的老年人群。
顯然，護墊造成的衝擊力下降越大，骨折的發生率就越低。但是，我們的消費研究告訴我們，除了需要在摔倒時減少對大轉子的衝擊力以外，護墊還必須具有其它能增加穿戴柔順性的優點。這涉及外觀和穿戴者舒適性，包括如最大厚度、厚度分布、重量、透氣性、撓性和身體貼合性這些特性。現有的護墊在這方面有許多缺點。
為了試圖對衝擊形成適當的保護有些現有技術的護墊是龐大並累贅的；許多聲稱具有有效抗衝擊性的常見現有技術的護墊的厚度大於25.4毫米(1英寸)。薄的現有技術的護墊通常具有低的抗衝擊性，重擺錘下落或衝擊時在模擬臀部測得的最大衝擊力下降率約低於30％。其它護墊是不透氣的，導致護墊覆蓋的皮膚熱量積聚。另一些護墊是堅硬和剛性的，從而不能貼合被覆蓋的身體部位。另外，穿戴硬殼護墊後，在坐下或睡覺時均感到不舒適。軟的泡沫材料護墊需要較大厚度以吸收衝擊力；較大厚度形成較龐大的較不舒服護墊，且加劇了護墊下的熱量積聚。所有這些都使使用者較不舒服。
我們的消費研究表明，潛在的穿戴者(不論其年齡或身體狀況)都關注於其外表。臀部護墊宜不厚於約25.4毫米(1英寸)，較好的是那些最大厚度約為19毫米(3/4英寸)或更薄的護墊。厚度分布也是重要的，護墊最好從最厚處至其邊緣逐漸變薄，從而使護墊及其邊緣均不會從普通衣服中顯出。護墊四周的厚度宜為12.77毫米(1/2英寸)或更薄，較好為6.35mm(1/4英寸)或更薄，最好為3.18mm(1/8英寸)或更薄。
由於大多數潛在的穿戴者是瘦削體型並且體重輕的老年婦女，因此關注護墊的重量。每個護墊宜小於約300克(一對是600克)，較好每個小於約200克(一對400克)，最好每個小於約100克(一對是200克)。
不象運動護墊只需穿戴很短時間，老年人護臀要整天、在室內或室外、在熱天和冷天所有氣候和所有溼度條件下穿戴。典型的泡沫材料護墊由閉孔泡沫材料製成，它不能透過人體的溼氣或汗液。另外，這類護墊是隔熱的，不會有效地散發體熱，使護墊下積聚更多的汗液和溼氣，這會損傷老年穿戴者的皮膚。因此，較好的護墊具有足夠的開孔區，該開孔區宜至少約為5％或更多，更好約為10％或更多，以使汗液蒸發並散發體熱。
本文公開一種新的改進的較薄且輕的護墊，它具有增強的抗衝擊性。所述護墊在保持增強的抗衝擊性的同時，具有透氣性以防止熱量積聚和與之有關的不舒適性。另外，所述新的護墊具有撓性並能貼合人體要保護的部位，對其保護性能沒有任何不利影響。
發明的概述本發明提供一種保護人體預定部位免受衝擊的護墊，該護墊具有表面和厚度，它包括在離穿戴者身體的護墊外表面上的一層高密度閉孔聚合物泡沫材料層，和朝穿戴者身體的護墊內表面上的一層低密度閉孔聚合物泡沫材料層。通常，所述高密度泡沫材料的密度約為128-192kg/m3(約8-12磅/英尺3)，較好約160kg/m3(約10磅/英尺3)。所述高密度泡沫材料的肖氏00硬度計硬度約為72-95。所述低密度泡沫材料的密度約為32-80kg/m3(約2-5磅/英尺3)，較好約為64kg/m3(約4磅/英尺3)。所述低密度泡沫材料的肖氏00硬度計硬度約為40-70。將這兩層固定在一起以得到較輕質的護墊，它更能抗衝擊力，對使用者較舒適。
本發明護墊還具有一個或多個凹陷，以容納插入物或嵌入物狀的附加的吸收能量材料。該凹陷可由護墊的外側切入護墊並深入部分護墊中，或者位於護墊的內部結構中並被泡沫材料內層和泡沫材料外層所覆蓋。這些凹陷一般位於或圍繞護墊的中央區。選擇一個或多個附加的吸收能量插入物，使之具有比高密度泡沫材料低的硬度(或剛性)，或具有比高密度泡沫材料低的壓縮強度，或具有比高密度泡沫材料高的緩衝性。在本文中，術語「緩衝性」指材料在內部散逸衝擊能的能力，其中用於使材料變形的大部分能量直接散逸成熱量。所述一個或多個附加的吸收能量插入物選自聚烯烴或其它聚合物泡沫材料，回彈性橡膠泡沫材料，高緩衝性彈性體，高緩衝性聚氨酯組合物，固化的聚氨酯凝膠，聚氯乙烯增塑溶膠凝膠，粘彈性泡沫材料等。加入這種附加的吸收能量材料使得護墊即使經多次衝擊後一般仍能重複使用。
本發明還能製成一次性使用的護墊。在這種情況下一個或多個凹陷充有可粉碎的非回彈性材料，如發泡聚苯乙烯泡沫材料或其它在跌倒衝擊力下會不可逆地粉碎的泡沫塑料。
護墊可以具有多條橫越外表面的切割線，這些切割線部分切入護墊厚度，從而使護墊具有相當大的撓性並且使之與護墊覆蓋的人體部位貼合，不顯著影響抗衝擊力性能。所述切割線也可以切入所述一個或多個插入物中，或者可選擇切割線的位置使之不穿過所述一個或多個插入物。護墊表面上還可具有多個開孔區，這些開孔區完全穿透護墊的厚度，形成透氣性，並從護墊覆蓋的人體部位上發散出熱量，同時保持足夠的抗衝擊力。
一般來說，護墊重量約小於100克，較好的最大厚度約小於25.4毫米。護墊或護墊覆蓋區的總尺寸約為96.7-387.0cm2(約15-60英寸2)。開孔區百分數約為5-50％，取決於護墊的總尺寸。一般來說，選擇護墊的開孔區百分數，使通氣量最大，同時仍具有約40％或更大的由模擬臀部下跌衝擊試驗測得的最大衝擊力下降率。本發明較好的護墊在100克或更小的護墊重量時能達到或超過40％最大衝擊力下降率的目標；最小40％的最大衝擊力下降率對本發明是關鍵的。因此由模擬臀部下跌衝擊試驗測得的單位護墊重量的最大衝擊力下降百分數約為每克0.4％。較好的是護墊能在50克或更小的護墊重量下達到或超過40％的目標，從而使每克的衝擊力下降率至少為0.8％。最好的是護墊能在30克或更小的護墊重量時達到40％的目標，從而達到每克至少1.33％的衝擊力下降率。總之，每克護墊重量的衝擊力下降百分數的較好範圍約為0.25-8.00％/克，該範圍最好約為0.40-6.00％/克。
這類護墊可永久地或可拆卸地附在衣服上。衣服較好由能促進從人體散發汗液的織物製成。
附圖簡述雖然以權利要求書結尾的申請文本具體指出並清楚地要求保護本發明，但認為結合附圖的下列描述有利於更好地理解本發明，附圖中

圖1是本發明護墊的平面圖；圖2是沿圖1線2-2的部分剖面圖；圖3是本發明護墊的另一個實例的平面圖。
圖4是圖1護墊的透視圖，表示該護墊處於彎曲狀態；圖5是本發明護墊的另一個實例的平面圖；圖6是沿圖5線6-6的部分剖面圖；圖7是本發明護墊的另一個實例的平面圖，插入物被完全包封在高密度泡沫材料層和低密度泡沫材料層中；圖8是沿圖7線8-8的部分剖面圖。
發明的詳細描述現在詳細參見各附圖，在所有附圖中相同的標號表示相同部件，圖1表示本發明一個實例(護墊10)。護墊10較輕，且較薄(厚度小於25毫米，但最好為19毫米或更少)。如下面將描述的那樣，它還較柔軟，並且按具體用途的要求進行造形。護墊10具有較多的穿透其厚度的開孔區(如孔12所示)用於透氣，並同時保持足夠的抗衝擊力。與未保護的衝擊力相比，本發明護墊10能有效地使帶測試儀的模擬臀部跌落試驗機測得的衝擊力至少下降40％。圖1還顯示了吸收能量插入物的位置，它被切割線14分成四部分A、B、C和D，在護墊大致中央的位置形成正方形的插入物。除了正方形以外，插入物的形狀可以是圓形、橢圓形、矩形、三角形、五邊形、六邊形或任何其它形狀。高密度層16構成了護墊的外表面，低密度層18構成了護墊的內表面。
根據具體需要的式樣和用途，可將護墊10製成各種形狀，如矩形(如圖3所示)，正方形，圓形，橢圓形等。圖3所示多個插入物E、F、G和H位於護墊大致中央的位置，本領域的普通技術人員可以想像這些插入物的各種其它位置和圖形。在圖3中，孔12供透氣，切割線14用於提供撓性並用於與要保護的人體部位貼合。
用於透氣並散發護墊下體熱的孔12的直徑可約為3.18-25.4mm，取決於透氣程度和所需的抗衝擊性。可使用其它形狀的孔，如橢圓型、正方形等。孔12的表面積必須足夠大以形成足夠的透氣性，但不可大到使護墊10的最大衝擊力下降率小於約40％的程度。孔12的表面積可佔總表面積的5-50％，而同時保留足夠的抗衝擊性。可通過部分切入護墊10的厚度產生切割線14來使之成網狀。如圖1和圖3所示，切割線14切入的深度宜佔護墊總厚度的約1/4-3/4，並跨越整個表面。切割線14在護墊的外表面或護墊的高密度泡沫材料一側切割或模製。這使護墊非常柔軟，能貼合各種形狀和尺寸。切割線14賦予的撓性如圖4所示。
施加切割線的圖案和間隔可以改變。為了便於闡述。圖1、圖3和圖4表示的切割線以與護墊的直線邊緣成+45°或-45°切割，並穿越護墊中所述孔的中心。切割線也可以與護墊的直線邊緣成90°切割，或者可以在與直線邊緣成±45°至90°之間的任何角度切割。切割線可以穿過所述孔，在所述孔之間穿過，或兼有穿過孔的切割線和在孔之間穿過的切割線。切割線不需要切割成如圖1、圖3和圖4所示的那樣是彼此平行的和垂直的直線。它們也可以以從護墊一側出發的扇形排列切割。它們可以是跨越護墊的曲線、正弦曲線或鋸齒狀曲線。切割線之間距離較佳地約為6.53-50.8mm。切割線之間距離更好地約為12.77-25.4毫米。
圖5顯示本發明另一個實例，在該實例中護墊帶有單一的圓形插入物「J」並且無切割線。
所述護墊是由兩種不同類型的泡沫材料加上一個或多個放置在一個或多個護墊凹陷中的插入物製成的。外衝擊層16是剛性高密度材料，較好是閉孔聚合物泡沫材料，如Voltek L1000聚乙烯泡沫材料(Voltek，Lawrence，美國麻薩諸塞州01843)。根據製造商提供的情況，該材料的密度約為160kg/m2(10磅/英尺3)。肖氏00硬度計硬度約為75，在25％變形時的壓縮強度約為64psi，在50％變形時的壓縮強度約為97psi。內層18是軟質低密度緩衝材料，較好的也是閉孔聚合物泡沫材料，如Sentinel MC3800聚乙烯泡沫材料(Sentinel Products Corporation，Hyannis，美國麻薩諸塞州02601)。根據製造商提供的情況，MC3800泡沫材料的密度約為64kg/m3(4磅/英尺3)，肖氏00硬度計硬度約為70.5，25％變形時的壓縮強度約為25psi，50％變形時的壓縮強度約為42.8psi。外層16通過壓縮吸收衝擊力並將衝擊力分散至護墊的四周，它具有足夠的剛性以免受衝擊時護墊觸及底部(bottoming out)，同時內層18提供舒適並且具有貼合人體各部位所需程度的撓性；結果兼有高的衝擊力下降率、有效性和舒適性。護墊層壓物10可通過將兩層層壓在一起，隨後通過機械研磨成形(或使用成形輥和削刀)製得。或者，可通過將兩層加熱並在熱量和壓力下將其壓制在一起製得護墊。這類製造方法是本領域普通技術人員熟知的。
泡沫材料層是閉孔的泡沫材料，較好是聚烯烴閉孔泡沫材料，但也可使用具有相似性質的其它材料。合適的聚烯烴閉孔泡沫材料選自低密度聚乙烯(LDPE)、線型低密度聚乙烯(LLDPE)、中密度聚乙烯(MDPE)、高密度聚乙烯(HDPE)、乙烯-乙酸乙烯酯共聚物(EVA)、乙烯丙烯酸甲酯共聚物(EMA)、乙烯離聚物、聚丙烯和聚丙烯共聚物。這些聚烯烴材料是較好的原因是因為它們既不吸水或汗，也不利於微生物生長，一般對人體皮膚無刺激和過敏作用。合適的其它材料可以包括泡沫橡膠，它選自天然橡膠、丁基橡膠、聚異戊二烯、聚丁二烯、聚降冰片烯、丁苯橡膠、氯丁橡膠、丁腈橡膠和相關的橡膠材料，聚氨酯泡沫材料和增塑的聚氯乙烯(PVC)泡沫材料。雖然所述其它材料(如聚氨酯或泡沫橡膠)具有所需的抗衝擊強度，但選擇這類材料用於直接或間接地與人體皮膚接觸的護墊中時必須謹慎。可將本領域普通技術人員已知的特殊品級的各種材料配製在一起以抑制吸水性或吸汗性，防止微生物生長，防止皮膚刺激和過敏，所有這些均會造成使用者不舒適或損害使用者的健康。
外層16的密度約為128-192kg/m3(約8-12磅/英尺3)，較好的密度約為160kg/m3(約10磅/英尺3)，內層18的密度約為32-80kg/m3(約2-5磅/英尺3)，較好的密度約為64kg/m3(約4磅/英尺3)。較好的密度值能使製得的護墊兼有足夠的舒適性和抗衝擊性。另外，厚度至少佔護墊總厚度50％的高密度頂層或外層可使護墊的性能最佳。
放置在護墊結構的凹陷中的附加的吸收能量材料可選自各種材料，它包括(1)聚烯烴或其它泡沫塑料，(2)回彈性泡沫橡膠，(3)高緩衝性橡膠，(4)高緩衝性聚氨酯組合物，(5)固化的聚氨酯凝膠，(6)高緩衝性聚氯乙烯增塑溶膠凝膠，(7)粘彈性泡沫材料或(8)回彈熱塑性蜂窩狀層壓物。
(1)較好的聚烯烴或其它泡沫塑料是閉孔泡沫塑料，它選自低密度聚乙烯(LDPE)，線型低密度聚乙烯(LLDPE)，中密度聚乙烯(MDPE)，高密度聚乙烯(HDPE)，乙烯-乙酸乙烯酯共聚物(EVA)，乙烯-丙烯酸甲酯共聚物(EMA)，乙烯離聚物，聚丙烯和聚丙烯共聚物。這些聚烯烴較好的原因是它們不會吸收水分或汗液，也不利於微生物生長，一般對人體皮膚無刺激和過敏作用。所述一個或多個聚烯烴或其它泡沫塑料插入物的硬度或壓縮強度通常宜小於護墊的高密度泡沫外層的硬度或壓縮強度，其肖氏00硬度計硬度較好約小於72。
(2)回彈性泡沫橡膠插入物最好選自天然橡膠、丁基橡膠、聚異戊二烯、聚丁二烯、聚降冰片烯、丁苯橡膠、氯丁橡膠、丁腈橡膠和相關的橡膠材料，聚氨酯泡沫材料和增塑的聚氯乙烯(PVC)泡沫材料。如果露出回彈性泡沫橡膠插入物而能從護墊外側看到，則一般宜選擇閉孔泡沫材料以便在洗滌過程中防止其吸水。泡沫橡膠插入物的硬度一般宜小於護墊高密度泡沫外層的硬度，其肖氏00硬度計硬度較好約小於72。
(3)高緩衝性橡膠包括具有高填充量的油、增塑劑和填料(如炭黑)的固態橡膠系列材料。橡膠本身可以是合成的或天然的聚異戊二烯，聚丁二烯，丁基橡膠，聚降冰片烯，乙烯-丙烯-二烯單體(EPDM)橡膠，丁苯橡膠以及橡膠配方工藝中已知的其它橡膠。一般通過加入大量的油、增塑劑和填料(如炭黑)來獲得高的緩衝性能。基於聚降冰片烯的高緩衝性橡膠配方描述在Rubber Division，AmericanChemical Society，Cleveland，Ohio，October 4-7，1977的會議上R.F.Ohm和T.M.Vial的「新的合成橡膠Norsorex聚降冰片烯」的文章中以及「聚降冰片烯多孔聚合物」(R.F.Ohm，Chemtec，March，1980)中，這兩篇文章均在此引為參考。較好的配方是在室溫和在與人體摔倒在地面上相似的變形頻率時表現出高的衝擊力緩衝性。由聚降冰片烯和丁基橡膠製成的這種材料的例子可來自RubberAssociates，Inc.(Barberton，Ohio 44203)，其肖氏A硬度計硬度約為70-30。本發明較好的高緩衝性橡膠的肖氏A硬度計硬度為50或更小。最好的高緩衝性橡膠的肖氏A硬度計硬度約為40或更小。
(4)高緩衝性聚氨酯組合物是由輕微支化的基本線型的多元醇與少於化學計量量的芳族二異氰酸酯反應製得的，所述多元醇具有端羥基並且數均分子量為600-1200g/mol。這種類型的組合物公開在美國專利4,346,205(在此引為參考)中。相似的材料可以Sorbothane的商品名購自Sorbothane，Inc.(Kent，Ohio44240)。儘管Sorbothane是一種固體，但是它具有準液體性能使之表現出高的機械緩衝性能和能量吸收性能。其肖氏00硬度計硬度約為70-30。Sorbothane本身可起降低對人體衝擊力的有效的護墊的作用，但是其約1280kg/m3(約80磅/英尺3)的高密度使形成的護墊非常笨重，不便於穿戴。將Sorbothane和類似的高緩衝性聚氨酯組合物作為一個或多個插入物用於本發明輕質泡沫材料層壓物中，可獲得高的機械緩衝性並使護墊保持較輕重量。
(5)固化的聚氨酯凝膠常用於復現人體組織和皮膚的性能。它們具有優良的能量緩衝性能和回彈性。一種系列的固化的聚氨酯凝膠來自三組分的液體材料體系，它包括芳族二異氰酸酯封端的二元醇溶液的A組分，聚丁二烯多元醇溶液的B組分和羧酸二烷酯和烷酯的混合物的C增塑劑組分。常用的配方是由50重量份A組分，100重量份B組分和A/B混合物總重量0-200％的C組分。這種凝膠是由BJB Enterprises，Inc.(Garden Grove，California 92643)製造的，商品名為FlabbercastTM。其它系列的固化的聚氨酯凝膠可由不同的3種液體組分體系製成。其一個例子是Skinflex IIITM，它也購自BJB Enterprises。在Skinflex IIITM中，A組分是芳族二異氰酸酯封端的聚丙二醇混合物，B固化劑組分是多元醇-二胺混合物，C增塑劑組分是羧酸二烷酯。其混合比為50重量份A比100重量份B，而增塑劑C可佔A和B總重量的0-50％。
固化的聚氨酯凝膠具有較高的密度，由其製得的護墊插入物會較重並且會增加護墊的重量。向固化前的凝膠中加入空心的有機或無機填料(如空心的玻璃微球)可使插入物的重量降低多達50％或更多。ScotchliteTM玻璃泡(3M Co.，St.Paul，Minnesota，55144)是合適的輕質填料的例子。
由於增塑劑會從固化的聚氨酯凝膠中遷移出來，因此一般宜將凝膠插入物如圖8所示完全包封在低密度泡沫材料層和高密度泡沫材料層之間。
(6)高緩衝性聚氯乙烯(PVC)增塑溶膠凝膠是由大量的增塑劑和少量的PVC樹脂製成的。這種增塑溶膠是特別細的PVC樹脂細粒分散在增塑液中形成的分散液。還可加入附加的組分，如熱穩定劑，著色劑和增塑溶膠領域中的普通技術人員已知的其它添加劑。一般來說，增塑溶膠在室溫是液態的。加熱至適當高的溫度後，發生熔融，使該增塑溶膠轉化成具有優良抗衝擊性的均勻的堅韌物。這種材料及其在減震自行車座中的用途的一個例子公開在美國專利5,252,373(在此引為參考)中。合適的增塑溶膠是「Plastomeric Plastisol M1430 ClearBase」，合適的增塑劑是「Plastomeric Type B Plasticizer」。兩者均購自Plastomeric，Inc.Waukesha，Wisconsin。根據其提供的資料，M1430 Clear Base含有53％PVC共聚物樹脂，27％對苯二甲酸二辛酯，2.5％環氧化豆油，3％鈣-鋅穩定劑，7％PVC-基觸變劑和7.5％己二酸增塑劑基觸變劑。
這種增塑溶膠的熔融溫度為275-400°F，高於用於本發明層壓護墊的較好的聚烯烴泡沫材料的軟化點。需要將液態的增塑溶膠在合適的金屬或塑料模具中鑄塑，將其加熱至熔融溫度使之熔融成凝膠，隨後將硬橡膠狀產物插入護墊的一個或多個凹陷中，而不在護墊的一個或多個凹陷中使液態增塑溶膠熔融。由於增塑劑會從熔融的凝膠中遷移出來，因此一般宜將凝膠插入物如圖8所示完全包封在低密度泡沫材料層和高密度泡沫材料層之間。
PVC增塑溶膠凝膠具有較高的密度，由其製得的護墊插入物會較重並且會增加護墊的重量。向固化前的凝膠中加入空心的有機或無機填料(如空心的玻璃微球)可使插入物的重量降低多達50％或更多。ScotchliteTM玻璃泡(3M Co.，St.Paul，Minnesota)是合適的輕質填料的例子。
(7)粘彈性泡沫材料是開孔的聚氨酯基材料，它提供高的緩衝性和高的衝擊及振動吸收性能。設計成這些材料所具有的高的緩衝性使泡沫材料對機械應力的反應對變形速率相當敏感。在低速加載的情況下，泡沫材料很象高粘流體那樣緩慢變形。在高速變形(如受衝擊的情況)時，該泡沫材料就象很堅硬的材料。這些材料的例子包括購自AeroE.A.R.Specialty Composites(Indianapolis，Indiana46268)的CONFORTM系列粘彈性泡沫材料。這些泡沫材料的密度約為92.8-102.4kg/m3(約5.8-6.4磅/英尺3)，室溫下的肖氏00硬度計硬度約為20或更小。
儘管粘彈性泡沫材料的本身可製成有效的減震護墊，但是它們是開孔的。在洗滌時這種開孔結構會吸收大量的水分，使之隨後難以乾燥。對於本發明護墊，宜如圖8所示將這種粘彈性泡沫材料插入物完全包封在低密度和高密度閉孔泡沫材料層之間。粘彈性泡沫材料插入物的較好的厚度約為6.35-19.0mm。
(8)回彈熱塑性蜂窩狀層壓物是由通過熱、粘合劑或同時使用熱和粘合劑層壓在兩層塑料膜之間的熱塑性蜂窩狀芯材組成的。這種蜂窩狀材料的例子有購自Hexcel Corporation(Pleasanton，California 94588)的商品名為CecoreTM的聚丙烯和聚酯熱塑性蜂窩狀材料，商品名為CecoreTM襯墊狀聚丙烯熱塑性蜂窩狀材料和商品名為TPUTM熱塑性聚氨酯蜂窩狀夾層材料。TPUTM熱塑性聚氨酯蜂窩狀夾層材料的孔尺寸為6.35mm，其出售時帶有厚度約為0.127-0.508mm的表面膜。對於本發明護墊，用作吸收能量插入物的蜂窩狀夾層材料可由一層約12.77mm厚或兩層分別約厚6.35mm的材料組成。
通過服裝設計使穿戴臀部護墊的舒適度增加。衣服織物，尤其是與帶空氣流動口的護墊組合時，可增加透氣性。促進皮膚散發天然水分的織物有助於調節溫度和舒適度。Colville公司(美國北卡羅來納州的Winston Salem)製造的「Cottonwick」是該用途特別有效的織物。它具有帶聚合的矽氧烷塗層的獨特的針織圈，能將水分如燈芯那樣吸入織物。針織圈形成圓錐狀毛細管，並且所述矽氧烷塗層將水分從織物表面導入圓錐體。
可通過例如將護墊縫入護墊袋使之不可取下而將本發明護墊永久地固定在衣服上。因此用於這類衣服的護墊需要使該衣服至少可手洗，最好可機洗。洗滌後，衣服和護墊必須進行乾燥。用於促進空氣流過衣服織物和護墊的護墊開孔區有助於室溫空氣中的晾乾和機器熱空氣乾燥。或者，衣服可帶有用拉鏈、撳鈕、鉤-絨面扣等開啟和再閉合的護墊袋。這使護墊可從衣服中取下，並根據需要單獨洗滌衣服。
下列實施例用於說明本發明，但不限制本發明。
實施例1帶凹陷但無插入物的機制泡沫材料層壓護墊如下製得多層護墊首先從6.35mm厚的片材上衝切一片密度為64kg/m3的MC3800聚乙烯泡沫材料(Sentinel Products Corporation，Hyannis，美國麻薩諸塞02601)，如圖7所示，該衝切片具有兩條彼此平行的直的對邊，和兩條弧形的對邊。同時衝切出8個直徑為12.7mm圍繞該片材放置的孔。兩條直邊之間的距離約127毫米，測得的兩條弧形對邊經過片材中心的距離約為139.7毫米。該第一片材是護墊朝皮膚或穿戴者的一面。
從厚約為12.7mm、密度為約160磅/米3的Minicell L1000聚乙烯泡沫材料(Voltek，Lawrence，美國麻薩諸塞州01843)上衝切第二片直徑約為1 14.3毫米的圓形泡沫材料片。該片也同時衝切8個12.7mm直徑的孔，並且這些孔的空間排列與第一泡沫材料片孔的空間排列相同。同時還在與該片材中心重合的位置衝切出直徑約76.2mm(3.0英寸)的大得多的孔。該第二片是離開穿戴者身體的護墊外層。
用3M#343雙面粘合帶(3M公司，St.Paul，美國明尼蘇達州55144)將這兩片泡沫材料層壓在一起，使各片上的8個12.7mm的孔彼此對齊。然後用杯狀磨輪機械加工該層壓組件，使護墊在所有方向上均具有光滑地逐漸變薄的側面，並使該層壓物具有圓頂的或彎曲的剖面，其中L1000泡沫材料在護墊的最外面或凸面一側上。製成的護墊約重12克，該層壓護墊的凹陷直徑約為76.4mm，深度約為12.7mm並位於護墊的中央。高密度泡沫材料完全圍繞凹陷，而低密度泡沫材料則構成凹陷的底部。在與凹陷直接相鄰的護墊區最大厚度約為19mm，並在護墊周邊處其厚度逐漸降至約3.18mm或更小。
在模擬臀部上測定所述護墊抗硬表面衝擊力的緩衝能力，所述模擬臀部用聚烯烴和氯丁橡膠閉孔泡沫材料及其它組分製得，用來模擬人體臀部在摔倒時軟組織的反應和骨盆的反應。使模擬臀部從約37.5釐米距離處落下，使之衝擊水平鋼板時的速度約為2.7m/秒。該模擬臀部重約35千克，含有一模擬股骨和模擬大轉子。用一個5000磅負載測力器(產品號8496-01，GRC Instruments，Santa Barbara，美國加利福尼亞州)測定模擬臀部落到鋼板上時傳送到模擬大轉子上的力。當未有護墊的模擬臀部跌落並衝擊鋼板時在模擬大轉子上測得的力約為6000牛頓。
為了與本發明護墊比較，從SAFEHIPTM產品(Sahvatex，丹麥)上取出護臀，並將其裝在模擬臀部上，通過用彈力織物覆蓋臀部的外皮將該護臀固定在模擬大轉子區上。當有護墊的模擬臀部跌落並以2.7m/秒速度衝擊鋼板時，在模擬轉子上測得的最大衝擊力比在沒有護墊的模擬臀部所測得的衝擊力約低30％。SAFEHIPTM護墊約重31g，其每克護墊重量產生的衝擊力下降百分數約為1％/克。但是該衝擊力的下降值遠低於本發明護墊40％的最小衝擊力下降目標。
將本實施例護墊安裝在模擬臀部上並通過用彈力織物覆蓋模擬臀部的外皮而將其固定在模擬大轉子區上。護墊的凹陷對準模擬大轉子的中央。當有護墊的模擬臀部下跌並以2.7m/秒的速度衝擊鋼板時，模擬大轉子上測得的最大衝擊力比在沒有護墊的模擬臀部上測得的衝擊力約低67％。因此每克護墊重量的衝擊力下降率約為5.58％/克。
本實施例的護墊將大部分衝擊力分散至模擬轉子周圍的區域。凹陷周圍的剛性高密度泡沫材料防止護墊觸及底部，還防止衝擊過程中轉子上的模擬皮膚和軟組織直接與鋼板接觸。但是，當將這種結構的護墊置於內褲的護墊袋中並穿著在穿著常規衣褲的人體上時，雖然凹陷的外形容易產生護墊/衣服的強烈不美觀的印象。
實施例2帶有聚烯烴泡沫材料插入物的泡沫材料層壓護墊製得與實施例1所述相同的護墊。用與層壓泡沫材料層相同的3M#343雙面粘合帶(3M Co.，St.Paul，Minnesota 55144)將一片直徑約76.4mm並且約厚12.7mm的PlastazoteLD60低密度(3.8磅/英尺3)聚乙烯泡沫材料(Zotefoams，Inc.，Hackettstown，New Jersey 07840)附著在位於護墊中央的76.4mm直徑和約12.7mm深的凹陷中。製得的護墊重約14g。當在模擬臀部下跌試驗機中將插入物對準模擬轉子的中央進行評價時，在模擬轉子上測得的最大衝擊力比未有護墊的模擬臀部上測得的最大衝擊力約低66％。因此每克護墊重量的衝擊力下降率約為4.71％/克。
實施例3帶有Sorbothane插入物的泡沫材料層壓護墊製得與實施例1所述相同的護墊。用與層壓泡沫材料層相同的3M#343雙面粘合帶(3M Co.，St.Paul，Minnesota 55144)將一片肖氏00硬度計硬度為50，直徑約76.4mm並且約厚12.7mm的Sorbothane(購自Sorbothane，Inc.，Kent，Ohio44240)高緩衝性聚氨酯材料附著在位於護墊中央的76.4mm直徑和約12.7mm深的凹陷中。製得的護墊重約95g。當在模擬臀部下跌試驗機中將插入物對準模擬轉子的中央進行評價時，在模擬轉子上測得的最大衝擊力比未有護墊的模擬臀部上測得的最大衝擊力約低57％。因此每克護墊重量的衝擊力下降率約為0.60％/克。
實施例4帶有FlabbercastTM插入物的泡沫材料層壓護墊製得與實施例1所述相同的護墊。將含有50重量份A組分，100重量份B組分和等於A/B混合物總重量的100％的足量的增塑劑C的FlabbercastTM液態製劑(Garden Grove，California 92643)倒入位於護墊中央的76.4mm直徑和約12.7mm深的凹陷中。放置該護墊並使凝膠固化。固化完成後，製得的護墊重約59g。當在模擬臀部下跌試驗機中將插入物對準模擬轉子的中央進行評價時，在模擬轉子上測得的最大衝擊力比未有護墊的模擬臀部上測得的最大衝擊力約低69％。因此每克護墊重量的衝擊力下降率約為1.17％/克。
實施例5帶有輕質FlabbercastTM插入物的泡沫材料層壓護墊製得與實施例1所述相同的護墊。將含有50重量份A組分，100重量份B組分，等於A/B混合物總重量的100％的足量的增塑劑C和約佔A/B/C混合物總重量15％的ScotchliteTM玻璃泡(產品號K15，3M Co.，St Paul，Minnesota55144)的FlabbercastTM液態製劑倒入位於護墊中央的76.4mm直徑和約12.7mm深的凹陷中。放置該護墊並使凝膠固化。固化完成後，製得的護墊重約38g。當在模擬臀部下跌試驗機中將插入物對準模擬轉子的中央進行評價時，在模擬轉子上測得的最大衝擊力比未有護墊的模擬臀部上測得的最大衝擊力約低66％。因此每克護墊重量的衝擊力下降率約為1.74％/克。
實施例6帶有聚降冰片烯高緩衝性橡膠插入物的泡沫材料層壓護墊製得與實施例1所述相同的護墊。用與層壓泡沫材料層相同的3M#343雙面粘合帶(3M Co.，St.Paul，Minnesota 55144)將一片肖氏A硬度計硬度為40，直徑約76.4mm並且約厚12.7mm的聚降冰片烯高緩衝性橡膠(Rubber Associates，Inc.，Barberton，Ohio)附著在位於護墊中央的76.4mm直徑和約12.7mm深的凹陷中。製得的護墊重約80g。當在模擬臀部下跌試驗機中將插入物對準模擬轉子的中央進行評價時，在模擬轉子上測得的最大衝擊力比未有護墊的模擬臀部上測得的最大衝擊力約低42％。因此每克護墊重量的衝擊力下降率約為0.52％/克。
實施例7帶有高緩衝性丁基橡膠插入物的泡沫材料層壓護墊製得與實施例1所述相同的護墊。用與層壓泡沫材料層相同的3M#343雙面粘合帶(3M Co.，St.Paul，Minnesota 55144)將一片肖氏A硬度計硬度為40，直徑約76.4mm並且約厚12.7mm的高緩衝性丁基橡膠(Rubber Associates，Inc.，Barberton，Ohio 44203)附著在位於護墊中央的76.4mm直徑和約12.7mm深的凹陷中。製得的護墊重約80g。當在模擬臀部下跌試驗機中將插入物對準模擬轉子的中央進行評價時，在模擬轉子上測得的最大衝擊力比未有護墊的模擬臀部上測得的最大衝擊力約低40％。因此每克護墊重量的衝擊力下降率約為0.50％/克。
實施例8帶有熱塑性聚氨酯蜂窩狀夾層插入物的泡沫材料層壓護墊製得與實施例1所述相同的護墊。將兩片約6.35mm厚的TPUTM熱塑性聚氨酯蜂窩狀夾層材料(Hexcel Corporation，Pleasanton，California 94588)疊合在一起，各片疊合物的小孔孔徑約為6.35mm，標稱密度約為8磅/英尺3，各片直徑約76.4mm並且約厚12.7mm。將該疊合物用與層壓泡沫材料層相同的3M#343雙面粘合帶(3M Co.，St.Paul，Minnesota 55144)附著在位於護墊中央的76.4mm直徑和約12.7mm深的凹陷中。製得的護墊重約26g。當在模擬臀部下跌試驗機中將插入物對準模擬轉子的中央進行評價時，在模擬轉子上測得的最大衝擊力比未墊有護墊的模擬臀部上測得的最大衝擊力約低56％。因此每克護墊重量的衝擊力下降率約為2.15％/克。
實施例9帶有粘彈性泡沫材料插入物的泡沫材料層壓護墊製得與實施例1所述相同的護墊。用與層壓泡沫材料層相同的3M#343雙面粘合帶(3M Co.，St.Paul，Minnesota 55144)將一片直徑約76.4mm並且約厚12.7mm的CONFORTMCF-47聚氨酯泡沫材料(約5.8磅/英尺3，肖氏00硬度計硬度約為20，購自AeroE.A.R.Specialty Composites，Indianapolis，Indiana 46268)附著在位於護墊中央的76.4mm直徑和約12.7mm深的凹陷中。製得的護墊重約17g。當在模擬臀部下跌試驗機中將插入物對準模擬轉子的中央進行評價時，在模擬轉子上測得的最大衝擊力比未有護墊的模擬臀部上測得的最大衝擊力約低66％。因此每克護墊重量的衝擊力下降率約為3.88％/克。
實施例10帶有PVC增塑溶膠凝膠插入物的泡沫材料層壓護墊製得與實施例1所述相同的護墊。從購自Spots Med(Birmingham，Alabama35222)帶有美國專利5,252,373標記的A10305型坐墊上割下PVC增塑溶膠凝膠試樣。先在燒杯中將該凝膠試樣加熱至約350°F的溫度，使之液化，隨後將該熱的液體倒入直徑約76.4mm，深約12.7mm的圓形金屬模具中，接著使該凝膠冷卻至室溫，使之回復至其原來的軟凝膠狀態。從模具中取出直徑約76.4mm，厚約12.7mm的冷凝膠，用與層壓泡沫材料層相同的3M#343雙面粘合帶(3M Co.，St.Paul，Minnesota 55144)將其附著在位於護墊中央的76.4mm直徑和約12.7mm深的凹陷底部。製得的護墊重約61g。當在模擬臀部下跌試驗機中將插入物對準模擬轉子的中央進行評價時，在模擬轉子上測得的最大衝擊力比未有護墊的模擬臀部上測得的最大衝擊力約低71％。因此每克護墊重量的衝擊力下降率約為1.16％/克。
權利要求
1.一種保護人體預定部位免受衝擊力的護墊，該護墊具有內表面，外表面和厚度，它包括較高密度的聚合物閉孔泡沫材料第一層，較低密度的聚合物閉孔泡沫材料第二層，和至少一個吸收能量的回彈性插入物，各層和插入物固定在一起形成較輕質的護墊，當施用於人體部位時，該護墊具有較高的抗衝擊力性能並且較舒適。
2.一種保護人體預定部位免受衝擊力的護墊，該護墊具有厚度和重量並使衝擊力的下降率至少為40％，它的厚度小於20mm，重量小於100克，在模擬臀部下跌衝擊試驗中測得的每克護墊重量衝擊力下降百分數宜為0.25-8.00％/克，較好為0.40-6.00％/克，最好為0.50-6.00％/克。
3.如權利要求1或2所述的護墊，其特徵在於所述護墊包括一個或多個衝擊力緩衝插入物。
4.如前面任何一項權利要求所述的護墊，其特徵在於所述插入物為(a)聚烯烴泡沫材料，泡沫塑料，回彈性泡沫橡膠，高緩衝性橡膠，高緩衝性聚氨酯，固化聚氨酯凝膠，高緩衝性聚氯乙烯增塑溶膠凝膠，粘彈性泡沫材料或回彈熱塑性蜂窩狀層壓物；(b)低密度聚乙烯，線型低密度聚乙烯，中密度聚乙烯，高密度聚乙烯，乙烯-乙酸乙烯酯共聚物，乙烯-丙烯酸甲酯共聚物，乙烯離聚物，聚丙烯或聚丙烯共聚物；(c)由天然橡膠、丁基橡膠、合成的聚異戊二烯、聚丁二烯、聚降冰片烯、丁苯橡膠、氯丁橡膠、丁腈橡膠，聚氨酯或增塑的聚氯乙烯製成的泡沫材料；(d)由合成的聚異戊二烯，天然聚異戊二烯，聚丁二烯，丁基橡膠，聚降冰片烯，乙烯-丙烯-二烯單體橡膠或丁苯橡膠加入大量的油、增塑劑或填料如炭黑製成的高緩衝性材料；(e)由輕微支化的基本線型的多元醇與少於化學計量量的芳族二異氰酸酯反應製得的高緩衝性聚氨酯組合物，所述多元醇具有端羥基並且平均分子量為600-1200g/mol；(f) Sorbothane；(g)由三組分液體材料體系製成的固化聚氨酯凝膠，所述三組分液體材料體系包括芳族二異氰酸酯封端的二元醇溶液組分，聚丁二烯多元醇溶液組分和含羧酸二烷酯和羧酸烷酯混合物的增塑劑組分；(h)由特別細的聚氯乙烯樹脂細粒分散在增塑液中形成的分散液製成的高緩衝性聚氯乙烯增塑溶膠凝膠，它還包括大量的增塑劑和少量的聚氯乙烯樹脂；(i)粘彈性泡沫材料，它還包括開孔的聚氨酯基材料；或(j)通過熱、粘合劑或同時使用熱和粘合劑層壓在兩層塑料膜之間的熱塑性蜂窩狀芯材。
5.如前面任何一項權利要求所述的護墊，其特徵在於所述第一層的密度為128-192kg/m3，所述第二層的密度為32-80kg/m3。
6.如前面任何一項權利要求所述的護墊，它還包括多條橫越外表面並且部分切入護墊厚度的切割線，以提供相當大的撓性並使之與護墊覆蓋的人體部位貼合同時保持足夠的抗衝擊力性能。
7.如前面任何一項權利要求所述的護墊，它還包括多個穿透厚度的開孔區，以提供透氣性並散發護墊覆蓋的人體部位的熱量，同時保持足夠的抗衝擊力性能。
8.如前面任何一項權利要求所述的護墊，它還包括附著於護墊的衣服，所述衣服包括能促進散發人體汗液的織物。
9.如前面任何一項權利要求所述的護墊，其特徵在於所述插入物包括非回彈性緩衝材料，如聚苯乙烯泡沫材料。
全文摘要
一種保護人體免遭衝擊的改進護墊。護墊(10)由高密度聚合物閉孔泡沫層、低密度聚合物閉孔泡沫層和回彈性或非回彈性吸收能量插入物製成。高密度層(16)吸收並分散衝擊力,低密度層(18)作為靠近人體的緩衝墊並提供舒適感。護墊具有多個透孔(12)以形成透氣性並釋放體熱,孔表面積足以流通空氣,但不會明顯降低護墊功能。護墊可有多條橫越表面並部分貫穿厚度的切割線,以提供撓性並與人體貼合。該孔可帶有至少一個回彈性吸收能量插入物。
文檔編號A41D27/26GK1250354SQ98803260
公開日2000年4月12日 申請日期1998年3月6日 優先權日1997年3月14日
發明者D·湯姆斯, A·J·努克, D·I·科利亞斯 申請人:普羅克特和甘保爾公司