用於減震機械運動的組合物和裝置的製作方法
2023-05-06 00:02:21
專利名稱：用於減震機械運動的組合物和裝置的製作方法
技術領域：
本發明涉及用於減震機械運動，尤其是用於碰撞和振動的組合物和裝置。
已知用由減震材料製成的減震體使機械運動減震。這些減震材料內在地將動能轉化成熱能。這種通過轉換成熱能的不可逆的動能損失也稱為損耗。通過減震或損耗使機械運動的動能減小或被吸收並使運動衰減，特別是在碰撞情況下使負荷的力減小或使振動的幅度在減震體中降低。為了在機械負荷作用後使減震體重新回到其初始的結構狀態，對減震體而言，一般應用還具有彈性的材料，由此產生使其變形復位以重新回到初始形態的力。
特別是在矯形鞋(orthopdischen Schuhen)或運動鞋的鞋底中，用於碰撞減震的減震體是已知的，用於減震或吸收振動的減震裝置，特別是用於保護對振動敏感的儀器或者用於強烈振動的儀器減震的裝置也是已知的。
在鞋中，尤其是在矯形領域中，已知將膠乳(橡膠乳液)和橡膠泡沫、聚氨酯軟泡沫材料和EVA-泡沫用作減震材料。
膠原是人體或者動物體中的長鏈蛋白質，由於其小的韌性和剛性而賦予纖維高的抗張強度。膠原存在於體內的肌腱、骨和結締組織中作為結構材料。從今天的觀點來看，膠原的分子結構是由三條鏈構成的，這三條鏈螺旋形纏結形成緊密的三螺旋(triple helix)。至今已發現許多不同類型的膠原。一般情況下，膠原包含下述胺基酸甘氨酸、脯氨酸、羥基脯氨酸、賴氨酸和羥基賴氨酸。一些類型的膠原是糖基化的。大多膠原類型構成纖維或者原纖維(Fibrillen)，但可以通過交叉連接附加相連或者交聯，一般通過賴氨酸-側鏈進行連接。側向連接或者交聯使其形成膜或者二維的組織結構，例如在皮膚和許多器官中。
膠原本身是水不溶的，但是與所有蛋白質一樣在受熱時變性，並在水中受熱逐步轉化成明膠，其已知溶於熱水並在冷卻時1％的溶液已形成固體凝膠。明膠用於製備食品，例如橡膠條或肉凍。膠原也被稱為「成膠劑」，因為它在水中為膠狀的，形成強烈膨脹的蛋白質並且所形成的明膠溶液在繼續加熱下形成水溶性的膠。由膠原得到的水溶性蛋白產品的全部，包括明膠和膠水，被稱為明膠朊。由於膠原對人體是非常重要的，所以被用於醫學和化妝品領域，例如用於成型外科，用作補充營養或者用於皮膚護理。由膠原得到的膠在儀器製造中用作天然膠合劑。
本發明的目的是提供一種組合物，其具有良好的機械減震性能。此外，本發明的目的是提供一種具有良好的減震性能、特別是用於碰撞或振動的機械運動減震的機械裝置。
按照本發明，這一目的可通過具有權利要求1特徵的組合物以及具有權利要求28特徵的裝置實現。
本發明是基於一種新的認識，即由於其特殊的分子結構，至今僅在人類或動物體的領域中已知的膠原可在工業應用中高水平損耗或吸收機械能並因此可減震運動或變形。根據目前的觀點，可對此進行如下解釋，即膠原分子通過伸展、扭曲和/或偏移或分子內空間結構的其他變化對要減震的運動或形變發生反應並由此吸收機械能，然後，這些機械能又在組合物中被不可逆地損耗。僅僅用膠原製備的組合物和減震裝置所觀察到的減震性能是如此突出，以致於從容易並且廉價得到的角度看，本發明的可應用性令人很感興趣。
根據權利要求1的組合物(或物質)至少包含下述組分a)至少一種膠原，b)和至少一種用於該一種或多種膠原的載體基質(或一種載體材料，一種外圍材料結構，一種外殼)，c)其中該載體基質包含至少一種可逆的，尤其是可彈性變形的材料。
一般地，將所述載體基質的一種或多種材料和一種或多種膠原相互混合或者彼此摻入一種混合物中並且這些材料尤其是還可相互具有化學或物理連接，但是這些連接基本上不改變組合物中單個組分的化學性質。由此，所述的一種或多種膠原被包含於或者嵌入載體基質中。由載體基質和一種或多種膠原形成的混合物可形成一種減震體，用以減震機械運動。其中，除了結合膠原分子外，該載體基質還具有另一個功能，即幫助在形變後使該組合物或基於該組合物的減震體去變形。
權利要求28提供了一種含有本發明組合物或摻有膠原的含液體的混合物的用於減震機械運動，尤其是機械碰撞或振動的裝置。
在權利要求1及權利要求28的各從屬權利要求中給出了本發明組合物和裝置的優選的實施方案、進一步說明和應用。在權利要求21-權利要求27中給出了製備本發明組合物的優選的製備方法。
因此，所述一種或多種膠原優選是至少部分膨脹的，尤其是在加入液體並任選加熱的情況下。
在這一實施方案中，特別是在組合物中包含至少一種液體，尤其是水或一種或多種醇或甘油或極性分子。該液體分子或極性分子，尤其是水分子吸附在膠原分子結構上。受外部影響的形變或運動導致被吸附的分子的位移並由此導致形變能或動能附加的損耗。通過液體分子，尤其是水分子在膠原分子區域的吸附和位移，由此可進一步改進減震作用。液體或極性分子的重量分數約為0.5重量％(重量百分數)-約90重量％，基於組合物的總重量計。
所述膠原分子，尤其是膨脹的膠原，相對於人體或動物體存在的膠原分子而言，可以是具有膠原分子結構的縮短的部分分子或是部分的鏈，因為這些縮短的分子鏈出起希望的損耗作用。
一種或多種膠原的重量分數一般為約0.01重量％-約95重量％，基於組合物的總重量計，尤其是1重量％-約40重量％和優選約2重量％-約10重量％。即相對少量的膠原足以達到減震的效果。
一種或多種膠原優選至少主要以纖維或纖維狀分子結構存在，並且尤其是由基本上由三螺旋相互纏繞形成的基於蛋白質的分子鏈構成的。
在一種實施方案中，膠原纖維或纖維狀膠原分子結構的排列和/或取向至少基本上是規則的，尤其是沿著至少一個優選的取向。通過膠原分子的這種可稱為各向異性結構的取向可以實現依賴於方向的減震，即在一個方向上的運動比在另一個方向上的運動更強地被減震。
在另一個實施方案中，由一種或多種膠原形成的纖維或纖維狀分子結構至少主要是不規則的，或隨機的或統計學分布和/或取向。通過各向同性結構的取向可以實現不依賴於方向的減震。
所述的一種或多種膠原也可以至少部分以交聯結構形式存在，尤其是在膠原纖維或纖維狀膠原-分子結構之間通過交叉連接(即所謂的交聯)，例如賴氨酸連接。取決於交聯度，尤其是僅二維的或三維的交聯，產生平面或空間結構的膠原結構，和任選各向同性或各向異性的減震性能。
在一個特別的實施方案中，至少膠原的一部分是退火的，即經過熱處理的。
能可逆變形的材料，尤其是彈性體的重量分數，優選為約5重量％-99.9重量％，基於組合物的總重量計。
載體基質的一種或多種可逆的，尤其是基本彈性的可變形的材料優選是一種或多種彈性體，尤其是基於優選交聯的天然橡膠和/或合成橡膠。合成橡膠一般是直鏈聚合物或鏈狀聚合物，其通過硫化或網狀交聯而交聯。並由此獲得塑性彈性性能。既可以使用飽和的(尤其是所謂的M-彈性體)或不飽和的(所謂的R-彈性體)合成橡膠和彈性體。
用於載體基質的一種特別優選的彈性材料是矽氧烷-彈性體(SI)，其一般由交聯的聚矽氧烷或聚矽氧烷化合物構成，並且尤其是矽氧烷橡膠(SIR，矽氧烷橡膠)，以前也稱為矽橡膠。矽氧烷橡膠一般是由交聯的高分子聚二甲基矽氧烷構成(Q)，其中一部分甲基可被苯基(PMQ)或乙烯基(VMQ)代替。硫化或交聯，特別是可以是熱交聯，尤其是用過氧化物進行熱交聯，或冷交聯，尤其是用鉑化合物或有機錫化合物或胺類進行冷交聯，或也可以直接存在於單組分矽氧烷橡膠中。
矽氧烷-彈性體是熱穩定的，並且是有益健康和環保的，但是也可用其他的合成橡膠。非限制性地可提及下述的彈性體和彈性體複合物丁二烯-彈性體(BR)，苯乙烯/丁二烯-彈性體(SBR)，丙烯腈/丁二烯-彈性體(NBR)，異戊二烯-彈性體(IR，NR)異戊二烯/異丁烯-共聚合物(異丁橡膠)乙烯基彈性體，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)，丙烯酸橡膠(ACM)，聚異丁烯(PIB)，
氨酯橡膠(PUR)此外還可應用熱塑性彈性體(TPE)，該彈性體是可變形的，並因此特別是可再生的。
在一個優選的實施方案中，載體基質的一種或多種彈性體或能可逆變形的材料也可以泡沫的形式存在和/或該載體基質可含有氣泡。
減震作用越強，彈性體的碰撞彈性(回彈彈性)越小。在按照本發明的組合物中，可以將彈性體的碰撞彈性設定為明顯大於僅由彈性體構成的已知的彈性材料，因為膠原明顯改進了組合物的減震性能。
為了保護組合物不被凍結，在一種特別的改進實施方案中，也包含防凍劑，其降低冰點，例如乙二醇。
一種用於製備本發明組合物的有利的方法包括下列步驟a)提供一種基本上仍未交聯的液體的、一般為粘稠的或粘滯的彈性體原料(或彈性體源)，b)此外提供一種液體的膠原原料(或膠原源)，c)將彈性體原料和膠原原料混合或摻混，d)交聯在得到的混合物(一般是三維的)中的所述彈性體原料的分子。
即在混合物中進行彈性體的交聯或硬化，使膠原分子通過彈性體分子的交聯進一步嵌入或包含於混合物中。
膠原原料包含至少一種液體，尤其是水、醇和/或甘油以使膠原膨脹。作為膠原原料優選應用或製備液體的明膠，該明膠具有特定的膠原含量，並且通常由動物的皮、軟骨和關節獲得。優選將明膠與水混合，由此膠原膨脹並在加熱下變成液體，典型的是在約80℃下加熱。
在交聯過程中，該混合物一般被硬化形成可變形的但不能再流動的實體。
優選將該實體製成希望的形狀，對此，將由彈性體原料和膠原原料構成的液體混合物加到模具中，並且交聯至少主要是在模具中才發生，然後將由該混合物硬化得到的實體從模具中脫模。
另外也可以將彈性體原料和膠原原料噴到一個薄膜上或一種另外的柔軟載體上，然後將該薄膜捲成管或卷。
在一種優選的實施方案中，減震裝置包含一個或多個減震體，其包含一種或多種膠原。該減震體一般在運動的力的作用下變形並經膠原分子通過內在損耗而將運動減震。在多個減震體的情況下，特別是相應於負荷的空間分布，可將其柵形相互排列。
在本發明的一種進一步的實施方案中，減震裝置包括至少一層被膜(或外殼、包衣)，在其內腔中至少安置一個減震體。該被膜用於保護含膠原的減震材料，並且在一個特別有利的實施方案中，通過為被膜選擇可逆的，尤其是彈性的可變形的材料而支持變形的減震體的復原。為了使減震體和被膜的形變更好地耦合，優選將減震體和被膜相互連接。
在一個有利的進一步的實施方案中，在被膜的內腔至少具有一個避讓空間(Ausweichraum)，減震體在變形時可以在其中避讓。可選擇的或者額外的，減震體中或載體基質中或混合物中可含有氣泡，在發生形變時，具有膠原的鄰接的減震材料可避讓其中。
本發明的組合物和減震裝置可被用於碰撞或振動減震的多種不同的應用。
所述的組合物和裝置的第一個有利的應用是保護人體免於機械碰撞和/或用於鞋中，尤其是用於鞋底或鞋襯和/或頭盔中。
所述裝置的第二個有利的應用是用於減少兩個機械實體之間的振動。
下面通過實施例對本發明進行進一步地說明。其中用到附圖，
圖1表示在未負荷狀態下用於減震機械運動的裝置的示意圖。
圖2表示在碰撞負荷下按照圖1的裝置的示意圖，和圖3表示在負荷去掉以後按照圖1和圖2的裝置的示意圖。相同的部分具有相同的附圖標記。
按照圖1-3的裝置包括可變形的基體1，其具有外殼10和由外殼10包封的內腔11中有減震材料或減震體2。減震材料或減震體2是含有液體的混合物並包含液體，優選水、至少一種膠原和用於該膠原的載體基質的其他載體材料，尤其是彈性體如矽氧烷橡膠(矽橡膠)。
沿著箭頭表示的碰撞方向S，通過如圖2所示施加運動體3的碰撞使基體1變形。通過減震材料或減震體2的變形產生流體動力學效果，其由於膠原的存在而產生高水平的水力傳動減震效果。
在碰撞和頂鍛後，通過彈性的外殼10和混合物的形狀記憶或可逆的可變形性，使其又變回初始限定的形狀，如圖3所示。
這一變形和去變形過程是可逆的，並可任意重複循環。
為了達到長久的水力傳動碰撞減震，按照本發明，尤其是在循環的工作行程中加速液體並由此產生循環的流體動力學減震效果。
該裝置的減震能力可以通過其成型以及通過合適的混合物和液體-膠原-載體基質-混合物的組成調節和設定。
基體1的優選的形狀如圖1-3所示，是一個扁平的基體，具有兩個分別在兩側相對的平面。此外，基體1可以被分成多個單獨的相互分開的小室，其中各裝有減震材料。此外，在外殼10內，內腔11中也可以是空的小室或區域，減震材料2在受壓過程中可以向其中移動以避免變形。
減震材料2除了包括膠原和液體以及彈性材料外，還優選包含有利於從模具中取出的材料，如玉米澱粉。
由彈性物質例如膠乳或矽橡膠構成的、用於膠原的載體基質起彈性作用並使變形可逆。該膠原在碰撞或受壓時吸收機械能，由此形成平滑的碰撞特性曲線。該載體基質和/或混合物還可以包含其他物質例如防凍劑，尤其是乙二醇或甘油。
減震體2的減震材料的一般優選的組成如下所述表1
減震材料的優選的組成如下
表2
減震材料的特別優選的組成如下表3
表1-3中各組分的重量份數之和總是100重量％。
這樣的混合物即使在每平方米5000噸的負荷下也表現出可逆的變形性或形狀記憶。
作為液壓的或流體動力學碰撞減震體，按照本發明的裝置可用於各種工業應用。可能的應用尤其是保護人體免受碰撞和擊打，尤其是在鞋、矯形和安全技術中。即可用於在矯形技術或運動鞋中的鞋、鞋襯或鞋底，其它的具有碰撞減震裝置的矯形物品、頭盔、手套等。
附圖標記1 基體2 減震體3 運動實體10外殼11內腔S 碰撞方向
權利要求
1.一種組合物，其包含a)至少一種膠原，和b)用於所述膠原的至少一種載體基質，c)其中該載體基質包含至少一種可逆的，尤其是可彈性變形的材料。
2.權利要求1的組合物，其中將一種或多種膠原嵌入載體基質或摻混到載體基質中。
3.權利要求1或權利要求2的組合物，其中的一種或多種膠原至少主要是以纖維狀或長鏈分子結構形式存在。
4.權利要求3的組合物，其中由一種或多種膠原形成的纖維狀或長鏈分子結構至少主要是規則排列和/或取向的，尤其是沿著至少一個優選方向取向。
5.權利要求3的組合物，其中由一種或多種膠原形成的纖維狀或長鏈分子結構至少主要是不規則和/或隨機分布排列和/或取向的。
6.權利要求3-5任一項的組合物，其中一種或多種膠原的纖維狀或長鏈分子結構基本上是由三條螺旋狀相互聯結的基於蛋白質的分子構成的。
7.根據前述權利要求任一項或多項的組合物，其中一種或多種膠原的至少部分存在交聯結構，尤其是通過橫向連接，例如賴氨酸連接，在纖維狀或長鏈分子結構之間交聯。
8.根據前述權利要求任一項的組合物，其包含至少部分退火的膠原。
9.根據前述權利要求任一項或多項的組合物，其包含至少部分膨脹的膠原。
10.根據前述權利要求任一項或多項的組合物，其含有相對於人類或動物體中存在的膠原分子縮短的具有膠原分子結構的部分分子或部分鏈。
11.根據前述權利要求任一項或多項的組合物，含有至少一種液體、尤其是水或一種或多種醇或甘油。
12.根據前述權利要求任一項或多項的組合物，其中在膠原分子結構上吸附極性分子，尤其是水分子，其在外部作用下的形變或運動中的位移導致形變能或動能的損耗。
13.根據權利要求11或12的組合物，其中包含的所述液體或極性分子的重量份數為約0.5重量％-約90重量％，基於組合物的總重量計。
14.根據前述權利要求任一項或多項的組合物，其中載體基質包含至少一種彈性體或一種彈性體複合物作為可彈性變形材料。
15.權利要求14的組合物，其中載體基質包含至少一種、優選交聯的或硫化的天然橡膠和/或合成橡膠作為彈性體。
16.權利要求14或15的組合物，其中載體基質含有至少一種矽氧烷彈性體(SI)，尤其是矽氧烷橡膠作為彈性體或用於由彈性體構成的複合物。
17.根據前述權利要求任一項或多項的組合物，其中至少一種彈性體以泡沫的形式存在。
18.根據前述權利要求任一項或多項的組合物，其中載體基質中的可逆的，尤其是可彈性變形的材料的重量份數為5重量％-99.9重量％，基於組合物的總重量計。
19.根據前述權利要求任一項或多項的組合物，其中膠原的重量份數為約0.01重量％-約95重量％，尤其是為1重量％-約40重量％和優選為約2重量％-約10重量％，基於組合物的總重量計。
20.根據前述權利要求任一項或多項的組合物，其中在載體基質中包含氣泡。
21.根據前述權利要求任一項或多項的組合物，包含至少一種防凍劑。
22.製備根據前述權利要求任一項或多項的組合物的方法，包括下述步驟a)提供一種基本上仍未交聯的液體彈性體原料，b)提供一種液體的膠原原料，c)製備彈性體原料和膠原原料的混合物，d)交聯在得到的混合物中的所述彈性體原料的分子。
23.權利要求22的方法，其中作為膠原原料應用液體的明膠。
24.權利要求21或權利要求22的方法，其中將所述混合物交聯硬化或者轉變成不再流動的狀態。
25.根據權利要求21-24任一項的方法，其中將由彈性體原料和膠原原料構成的液體混合物轉移到模具中並且至少主要是在模具中才發生交聯，然後將由該混合物硬化得到的成型體脫模。
26.根據權利要求21-25任一項的方法，其中將彈性體原料和膠原原料噴到一個薄膜上或一種另外的載體上，然後將該薄膜捲成管或卷。
27.根據權利要求21-26任一項的方法，其中所述膠原原料含有至少一種液體用於使或膠原膨脹，特別是水、醇和/或甘油。
28.用於減震機械運動，尤其是碰撞或振動的裝置，其中含有權利要求1-21任一項或多項的組合物或根據權利要求22-27任一項的方法製備的組合物或者與膠原混合的含有液體的混合物。
29.權利要求28的裝置，具有至少一種包含所述組合物或者含有一種或多種膠原的混合物的減震體。
30.權利要求29的裝置，包含至少一個殼，在其內腔中具有至少一個減震體。
31.權利要求30的裝置，其中所述外殼是可逆的，尤其是可彈性變形的。
32.權利要求30或權利要求31的裝置，其中所述減震體與外殼連接。
33.權利要求30-32任一項的裝置，在該外殼的內腔至少具有一個避讓空間，在變形時減震體可到其中避讓。
34.權利要求29-33任一項的裝置，具有多個減震體，其以柵式排布。
35.根據權利要求1-21任一項或多項的組合物，或根據權利要求22-27任一項的方法製備的組合物，或根據權利要求28-34任一項的裝置用於保護人體免於機械碰撞的用途。
36.根據權利要求1-21任一項或多項的組合物或根據權利要求22-27任一項的方法製備的組合物或根據權利要求28-34任一項的裝置的用途，尤其是按照權利要求35的用途，用於鞋，特別是鞋底，鞋底襯(Fuβbett)或鞋襯。
37.根據權利要求1-21任一項或多項的組合物或根據權利要求22-27任一項的方法製備的組合物或根據權利要求28-34任一項的裝置的用途，尤其是按照權利要求35的用途，用於頭盔。
38.根據權利要求1-21任一項或多項的組合物或根據權利要求22-27任一項的方法製備的組合物或根據權利要求28-34任一項的裝置用於減輕兩個機械體之間的振動的用途。
全文摘要
本發明涉及包含至少一種膠原和至少一種用於該膠原的載體基質的組合物。其中該載體基質含有至少一種可逆的尤其是可彈性變形的材料。
文檔編號C08L83/00GK1675480SQ03819394
公開日2005年9月28日 申請日期2003年8月13日 優先權日2002年8月15日
發明者米夏埃爾·波盧斯 申請人:道康寧有限公司