具有通過負(fù)壓控制的剛度可變的元件的制作方法
【專利摘要】一種具有通過負(fù)壓控制的剛度可變的元件(1)，該元件包括：氣密包封體(10)；在包封體中的多個柔性層(30、30a、30b、30c、30d、30e)，每個層(30、30a、30b、30c、30d、30e)具有第一表面(31、41)和第二表面(32、42)；以及適于抽真空包封體(10)內(nèi)部的閥(20)，其特征在于：兩個相鄰層的第一和第二表面(31、41、32、42)彼此之間具有大于0.5的摩擦系數(shù)；兩個相鄰層的第一和第二表面(31、41、32、42)具有粘附特性，使得需要低于0.07N/mm2的每單位面積的法向力以使第一表面分離于第二表面，和/或使得用于使第一表面分離于第二表面所需要的沿法向的每單元面積的能量低于6.7J/m2。
【專利說明】具有通過負(fù)壓控制的剛度可變的元件

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及具有通過負(fù)壓如抽吸或真空控制的剛度可變的元件。本發(fā)明可適用于 以下幾方面：
[0002] 某些醫(yī)療裝置（如鑄件、功能性矯形器、鞋墊以及應(yīng)急醫(yī)療裝置如用于急救中四 肢和全身的夾板），
[0003] -體育用品（如冰鞋、滑雪靴、沖浪板以及在運動中的保護裝置如頭盔或護膝及護 胸），
[0004] -在發(fā)生碰撞或事故時能剛性化的安全元件，
[0005] -構(gòu)造元件，例如可用來制造可重構(gòu)的露營家具或玩具，
[0006] -用于生產(chǎn)復(fù)合材料的模具元件，
[0007] -封裝元件，或
[0008] _在發(fā)生碰撞或事故時能剛性化的安全元件，例如在汽車領(lǐng)域。

【背景技術(shù)】
[0009] 已知可使用負(fù)壓如抽吸或真空來提供一種方法以將元件從柔性狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)閯傂?狀態(tài)，并且反之亦然，在柔性狀態(tài)中，元件容易成形并且可以適用于符合特定要求的形狀 (如人體的一部分），在剛性狀態(tài)中，元件是剛性的并且提供支撐、保護和/或穩(wěn)定性。使用 負(fù)壓的裝置的基本結(jié)構(gòu)通常包括通常是可移動顆粒的內(nèi)部填料和柔性不透氣的薄的外包 封體。該結(jié)構(gòu)通常使裝置能夠容易和方便地安裝在身體和受到影響的四肢周圍。當(dāng)該裝置 在期望位置處變成期望形狀時，該裝置受到負(fù)壓，然后大氣壓壓縮柔性的外包封體并且將 相當(dāng)大的壓力施加到全部質(zhì)量的顆粒上。顆粒與包封體之間的摩擦力抵抗相對于彼此的運 動，從而提供剛性。通常包括閥以將包封體在被抽真空時進行密封以維持裝置的剛性。從 剛性狀態(tài)到軟狀態(tài)通常通過打開閥并且吹氣來獲得。
[0010] 已經(jīng)公布了關(guān)于使用負(fù)壓的矯形裝置的若干個專利。專利文獻US2005/0137513 公開了一種用于維持裝置均勻厚度以支撐和穩(wěn)定受傷的人或身體部件的結(jié)構(gòu)。該裝置具有 由兩個柔性膜包封的內(nèi)部區(qū)域并且該內(nèi)部區(qū)域被分成兩個插入體，兩個插入體分別用兩個 透氣的柔性材料條形成。通過使形成在材料條之間的接縫交叉的方法，每個插入體被分成 包含松散顆粒的腔室。使兩個插入體上的接縫在兩個方向上相對于彼此進行交錯，以這樣 的方式使顆粒結(jié)合以形成基本均勻的厚顆粒層。然而，這樣的一種由細(xì)粒或顆粒制成的結(jié) 構(gòu)存在太厚的問題（其導(dǎo)致實踐上的限制如運輸尺寸）以及體積大的問題（其導(dǎo)致如需要 長的抽真空時間以達到期望負(fù)壓水平的問題）。
[0011] 為了解決不期望厚度和體積的問題，在專利文獻W02011/07985中公開的具有可 控的適合度的身體安裝元件由封住多個層的氣密包封體制成并且具有適于抽真空包封體 的內(nèi)部的閥。每個層由具有高楊氏模量和高柔韌性的材料制成的芯來制成，用由具有高摩 擦系數(shù)的材料制成的覆蓋層涂覆在芯的兩側(cè)。然而，這樣的身體安裝元件存在下列問題：
[0012] -一旦施加真空并且身體安裝元件處在剛性狀態(tài)之后，當(dāng)打開閥以進入柔性狀態(tài) 時，事實是由于層的粘性，層可能保持一層與另一層粘住，因而并未適當(dāng)?shù)鼗謴?fù)柔性狀態(tài)。
[0013] -在剛性狀態(tài)下，當(dāng)處于彎曲應(yīng)力下時，層可能剝離（涂層與芯分離）。
[0014] -在W02011/07985中公開的身體安裝元件包括由具有低摩擦系數(shù)的材料制成的 一些條，以便在大氣壓下適當(dāng)?shù)鼗謴?fù)柔性狀態(tài)。然而，這些條減小了有效的摩擦表面，因此 減小了元件在剛性狀態(tài)下的剛度并且從而影響了其正常的運行。
[0015] 總而言之，需要具有可控剛度的元件，所述元件能以有效的方式解決上述方案中 的粘性問題和剝離問題二者。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0016] 本發(fā)明涉及一種根據(jù)權(quán)利要求1所述的具有通過負(fù)壓控制的剛度可變的元件。該 元件優(yōu)選的實施方案在從屬權(quán)利要求中進行限定。
[0017] 本發(fā)明的目的為提供一種具有可通過負(fù)壓控制的剛度可變的元件，該元件克服了 現(xiàn)有的具有可控剛度的元件的粘性和剝離問題。為了做到這一點，本發(fā)明的具有可通過負(fù) 壓控制的剛度可變的元件在柔性狀態(tài)和剛性狀態(tài)之間是完全可逆的，同時與現(xiàn)有的解決方 案的剛度比相比保持或者甚至改善了剛性狀態(tài)和柔性狀態(tài)之間的剛度比。
[0018] 本發(fā)明的具有通過負(fù)壓控制的剛度可變的元件包括：
[0019] _氣密包封體；
[0020] _在包封體中的多個柔性層，每個層具有第一表面和第二表面；以及
[0021] -適于抽真空包封體內(nèi)部的閥。
[0022] 根據(jù)本發(fā)明的第一方面，兩個相鄰層的第一表面和第二表面：
[0023] -彼此之間具有大于0. 5的摩擦系數(shù)；以及
[0024] -具有粘附特性，使得需要不大于0. 07N/mm2的每單位面積的法向力以使第一表面 與第二表面分離，和/或使得用于使第一表面與第二表面沿法向分離所需要的每單元面積 的能量低于6. 7J/m2。
[0025] 因此，本發(fā)明的元件具有包括若干層的層狀結(jié)構(gòu)并且有以下特性：
[0026] -由于所使用的材料的選擇以及層的整個表面支持摩擦的事實導(dǎo)致的層之間的高 摩擦系數(shù)；以及
[0027] _層之間的低粘附力，特別是當(dāng)不存在法向力時。
[0028] 這種方式下，第一表面與第二表面在大氣壓下可以相對彼此滑動。
[0029] 本發(fā)明的另一個優(yōu)勢為可將層制造成比現(xiàn)有技術(shù)元件的層（其包括經(jīng)涂覆的芯 層）更薄，由于層可以由具有高摩擦系數(shù)和低粘附特性的必要特性的單一材料或復(fù)合物制 成這一事實，所以消除了對涂層和芯二者以及在涂層與芯之間的對應(yīng)的粘附層的需要。
[0030] 通過本發(fā)明的該特定元件構(gòu)造，該元件的柔性狀態(tài)與剛性狀態(tài)間的剛度比得到改 進：
[0031] -首先，因為在大氣壓下層并未彼此粘住，所以這使元件更柔軟并且更容易在其更 軟的狀態(tài)下成形；以及
[0032] -其次，因為不需要低摩擦的條或者進行縫制，所以增加了摩擦表面，這使元件在 剛性狀態(tài)下更硬。
[0033] 根據(jù)元件的應(yīng)用，層可以由單一材料制成或者層可以由嵌入基體內(nèi)的多個纖維制 成。在兩種情況下，層可以由連續(xù)的或均勻的片制成，或者層可以由帶或帶狀物的織造結(jié)構(gòu) 制成。
[0034] 在層是由用纖維增強的基體制成的情況下，纖維可以是單向的、雙向的或多向的。 僅具有單向的纖維的復(fù)合物適合于用帶織造的結(jié)構(gòu)。
[0035] 纖維優(yōu)選地選自玻璃纖維、碳纖維、芳族聚酰胺纖維或者聚酯纖維。而基體優(yōu)選地 由熱穩(wěn)定性聚合物或熱塑性聚合物制成。
[0036] 根據(jù)另一優(yōu)選實施方案，層可以包括芯層，在芯的一側(cè)上由至少一種涂層涂覆該 芯層。優(yōu)選地，芯分別由第一涂層和第二涂層涂覆，在芯的每一側(cè)上涂覆一個涂層。
[0037] 這樣的涂層優(yōu)選地由熱塑性聚氨酯彈性體制成。
[0038] 優(yōu)選地使用標(biāo)準(zhǔn)化方法的適配版本如ASTM D2979_01，"使用倒置探針儀用于粘合 劑的壓敏粘性的標(biāo)準(zhǔn)試驗方法"對層的粘附特性進行測量。優(yōu)選地，利用探針粘性試驗在相 當(dāng)于大氣壓的預(yù)載荷和IOOs的等待預(yù)載荷時間的條件下對粘附特性進行測量。
[0039] 優(yōu)選地使用標(biāo)準(zhǔn)化步驟如ASTM D1894"用于塑料膜和片的靜態(tài)和動態(tài)摩擦系數(shù)的 標(biāo)準(zhǔn)試驗方法"對摩擦系數(shù)進行測量。
[0040] 在層由織造的帶制成的情況下，可以利用適合的探針粘性試驗對彼此相鄰放置的 特定數(shù)量的帶在平坦表面上對粘附特性進行測量，使得得到寬度大于由標(biāo)準(zhǔn)設(shè)定的最小 值。
[0041] 按照所述層在使用中的情況，對層進行層的粘附特性測量，即，盡管標(biāo)準(zhǔn)指出在執(zhí) 行任何測量前應(yīng)該對層進行清潔，但對于測量本發(fā)明中的元件的層的粘附特性，不需要對 層進行預(yù)先清潔；應(yīng)該在與層在元件內(nèi)部使用時相同的條件下對層的粘附特性進行測量。
[0042] 通過下面的具體描述，本發(fā)明另外的優(yōu)勢和特征將變得明顯并且將在所附權(quán)利要 求中特別地指出。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0043] 為了完成描述并且提供對本發(fā)明更好的理解，提供了一組附圖。該附圖構(gòu)成了描 述的組成部分并且示出本發(fā)明的實施方案，實施方案不應(yīng)該理解為對本發(fā)明范圍的限制， 而僅作為本發(fā)明如何能夠被執(zhí)行的實施例。附圖包括以下圖。
[0044] 圖1示出了根據(jù)本發(fā)明的具有剛度可變的元件的截面圖。
[0045] 圖2是在元件內(nèi)部的層的第一實施方案的透視圖。
[0046] 圖3、圖4、圖5、圖6和圖7示出了在元件內(nèi)部的層的其他可能實施方案的透視圖。
[0047] 圖8是根據(jù)本發(fā)明的用于醫(yī)療應(yīng)用的元件的部分的透視圖。
[0048] 圖9是根據(jù)元件的另一實施方案的層的帶狀物織造結(jié)構(gòu)的俯視圖。
[0049] 圖10示意性地示出了在當(dāng)前情況中使用的測量層的粘附的適合的方法。

【具體實施方式】
[0050] 下述描述并不應(yīng)被視為具有限制意義，而是僅出于描述本發(fā)明的主要原理的目的 給出。將參照示出了根據(jù)本發(fā)明的元件和結(jié)果的上述附圖，通過舉例的方式描述本發(fā)明的 下面的實施方案。
[0051] 圖1示出了根據(jù)本發(fā)明的具有剛度可變的元件1的優(yōu)選實施方案。元件1包括密 封多個柔性層30的氣密可拉伸包封體10和適合于抽真空包封體的內(nèi)部的閥20。氣密包封 體10適合于經(jīng)受受控壓力并且具有適于抽真空包封體的內(nèi)部的閥20。
[0052] 以已知的方式，當(dāng)包封體10內(nèi)部為大氣壓時，層30是未壓縮的。當(dāng)施加真空時， 柔性層30被壓縮在一起增加了柔性層30之間的摩擦，進而增加了元件1作為一個整體的 剛度。以這種方式，元件1具有從在大氣壓下軟的、柔性狀態(tài)到被減壓時的剛性狀態(tài)的可變 狀態(tài)的可能性。
[0053] 如圖2所示，本元件1的新穎性在于層30的特定結(jié)構(gòu)和材料；每個層30由單一材 料或復(fù)合物制成，層30在一側(cè)上具有第一表面31而在另一側(cè)上具有第二表面32。
[0054] 為了使元件1在施加真空后及隨后釋放時適當(dāng)?shù)毓ぷ鞑⑶页浞只謴?fù)其柔性或軟 的狀態(tài)，重要的是，層的第一和第二表面31、32由具有導(dǎo)致大摩擦系數(shù)和低粘附連接的厚 度和表面光潔度的材料制成。
[0055] 所述層使得兩個相鄰層30的第一表面31和第二表面32之間的摩擦系數(shù)高于通 常用于潤滑的材料的摩擦系數(shù)。表面之間的摩擦系數(shù)大于0.6。更優(yōu)選地，摩擦系數(shù)大于 1〇
[0056] 為了測量摩擦系數(shù)可以使用標(biāo)準(zhǔn)化步驟，如ASTM D1894，"用于塑料膜和片的靜態(tài) 和動態(tài)摩擦系數(shù)的標(biāo)準(zhǔn)試驗方法"。
[0057] 對層的本質(zhì)需求是層具有低粘附特性。對于低粘附，意味著兩個相鄰層30的第一 與第二表面31、32之間的切向粘附力使得當(dāng)不存在法向力時層30相對彼此滑動。事實上， 層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的每單位面積的法向力以使 第一表面分離于第二表面（即，-〇. 〇7N/mm2的壓縮法向力）和/或使得用于使第一表面分 離于第二表面所需要的沿法向的每單位面積的能量低于6. 7J/m2。
[0058] -個重要的特征是一旦不再施加真空時防止不同層依然彼此粘住，并且元件1恢 復(fù)其柔性狀態(tài)時。
[0059] 應(yīng)當(dāng)考慮，層的摩擦特性和粘附特性不僅受層的材料影響，而且受層的厚度和表 面光潔度（粗糙度Ra)影響。這就是為了描繪兩個相鄰層30的第一和第二表面31、32之 間的界面的特征而在兩個柔性層30上進行摩擦試驗和粘性試驗以將制造過程的影響考慮 在內(nèi)的原因。
[0060] 通過適合的探針粘性試驗在相當(dāng)于大氣壓的預(yù)載荷和IOOs的等待預(yù)載荷時間的 條件下對粘附特性進行測量，IOOs是標(biāo)準(zhǔn)中提到的對于粘附特性設(shè)定的最大時間量程。
[0061] 通過ASTM D2979-01"使用倒置探針儀用于粘合劑的壓敏粘性的標(biāo)準(zhǔn)試驗方法"對 用于測量粘合劑的粘附的標(biāo)準(zhǔn)化方法進行描述。在該情況下使用了該方法的適合的版本。 因為對并不是粘合劑的層之間的粘附也進行了測量，所以必須對標(biāo)準(zhǔn)化方法進行改進；這 些層具有較低粘附力，并且其中粘附取決于層的材料、厚度和粗糙度。如在標(biāo)準(zhǔn)中指出的， 可以用酒精（或其他任意方法）在測量之前對層進行清潔。但是為了不改變層在其使用狀 態(tài)下的粘附特性，在沒有預(yù)先清潔層的表面的情況下也可以進行測量。
[0062] 重要的是，重復(fù)標(biāo)準(zhǔn)化方法若干次，以便具有統(tǒng)計上地相當(dāng)大數(shù)目的測量結(jié)果，使 得可以將異常值忽略不計。
[0063] 圖10中示意性地示出了測量方法，其中表示了關(guān)于層之間的位移（S )力（F)。粘 附測量方法如下所示：
[0064] a_c)以恒定速度靠近層的表面，在某點處層的表面彼此接觸并且被壓縮直到到達 壓縮力F最大為止。
[0065] c-f)根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)以5mm/分鐘的恒定速度使層的表面分離。（該標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定為10mm/s 的速率，但是使用5mm/分鐘的速率，以提供更高的精度。）
[0066] 更具體地：
[0067] a_b)表面以恒定速度接近彼此，表面之間沒有接觸。
[0068] b_c) -旦表面之間存在接觸，由運動建立壓縮力，直到壓縮力到達峰值F最大為止。 然后層之間的運動停止，力保持在恒定水平
[0069] c-d)表面以恒定速度移動遠(yuǎn)離彼此。最初，壓縮力被移除，直到到達層之間建立的 粘附力增加到最大值匕_的點為止。這種粘附力具有與初始壓縮力的方向相反的方向。
[0070] d_e)層之間的粘附力通過表面的分離而消失。
[0071] e-f)使表面以恒定速度在沒有接觸的情況下彼此分離。
[0072] 對標(biāo)準(zhǔn)化的試驗特定的修改如下：
[0073] -由于粘附力較低，所以使用50mm的圓形接觸表面代替標(biāo)準(zhǔn)的5mm探針。在包括 帶的實施方案的情況下，應(yīng)該將許多帶彼此相鄰排列，使得排列在一起的帶覆蓋50_的圓 形表面。
[0074] -由于粘附力較低，所以使用正常直立的探針儀代替倒置的探針儀。
[0075] -在元件的實際層之間進行粘附試驗代替在不銹鋼探針與粘合劑之間進行試驗。
[0076] -當(dāng)?shù)竭_值時停止恒定速度接近運動；在該點處對探針儀編程以使靜載荷保 持不變。所使用的的值為200N，其對應(yīng)于表面上的大氣壓數(shù)量級的壓縮載荷。
[0077] _在步驟c_f期間探針被從靜止的表面堅直地向上提起。
[0078] _使靜載荷保持IOOs (而不是Is)。
[0079] -在試驗中使用了真實的層，而不是在標(biāo)準(zhǔn)中特定厚度的特定粘附表面層。
[0080] -該值為對于至少五次測量值的平均值。
[0081] -粘附通過以下參數(shù)表征：
[0082] -F粘附/A表面，其中F粘附是當(dāng)使表面分離時測得的最大力，A表面是接觸表面的面積，以 及
[0083] _ w粘附/Amj，其中w粘附是使兩個層分尚所需的日g星;。
[0084] 下面的表1示出了層的實例，使用了剛才說明的適合的探針粘性試驗對層的粘附 特性進行了測量。表中的最大粘性應(yīng)力和粘性能量是分離兩個層所需的法向力和能量（每 單位面積）的最大值。如果需要較高值的力或能量來分離兩個層，則這樣的層不適用于所 發(fā)明的元件。
[0085] 表 1
[0086]

【權(quán)利要求】
1. 一種具有通過負(fù)壓控制的剛度可變的元件（1)，所述元件包括： 氣密包封體（10); 在所述包封體中的多個柔性層（30、30&、3015、30(3、30(1、306)，每個層（30、30 &、3013、 30c、30d、30e)具有第一表面（31、41)和第二表面（32、42);以及 適于抽真空所述包封體（10)內(nèi)部的閥（20)， 其特征在于： 兩個相鄰層的所述第一和第二表面（31、41、32、42)彼此之間具有大于0.5的摩擦系 數(shù)； 兩個相鄰層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的每單位面積的法向力以使所述第一表面分離于所述第二表面，和/或使得用于 使所述第一表面分離于所述第二表面所需的沿法向的每單位面積的能量低于6. 7J/m2。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的元件（1)，其中所述層（30、30f)由單一材料制成。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的元件（1)，其中所述層（30c、30d、30e、30f)由嵌入在基體 (302)中的多個纖維（301)制成。
4. 根據(jù)權(quán)利要求3所述的元件（1)，其中所述纖維（301)是單向的。
5. 根據(jù)權(quán)利要求3所述的元件（1)，其中所述纖維（301)是雙向的或多向的。
6. 根據(jù)權(quán)利要求3至5中任一項所述的元件（1)，其中所述纖維（301)選自玻璃纖維、 碳纖維、芳族聚酰胺纖維或聚酯纖維。
7. 根據(jù)權(quán)利要求3至6中任一項所述的元件（1)，其中所述基體（302)由熱穩(wěn)定性聚 合物或熱塑性聚合物制成。
8. 根據(jù)權(quán)利要求1至7中任一項所述的元件（1)，其中各個層（30a、30b、30d)還包括 芯（40)，在所述芯（40)的一側(cè)上由至少一個涂層（41、42)涂覆。
9. 根據(jù)權(quán)利要求1至7中任一項所述的元件（1)，其中各個層（30a、30d)還包括分別 由第一和第二涂層（41、42)涂覆的芯（40)，其中在所述芯（40)的每一側(cè)上涂覆一個涂層。
10. 根據(jù)權(quán)利要求8至9中任一項所述的元件（1)，其中所述涂層（41、42)由熱塑性聚 氨酯彈性體制成。
11. 根據(jù)權(quán)利要求1至10中任一項所述的元件（1)，其中所述層（30a、30b、30c、30d、 30e)由連續(xù)的片制成。
12. 根據(jù)權(quán)利要求1至4以及從屬于權(quán)利要求4時的權(quán)利要求6至10中任一項所述的 元件（1)，其中所述層（30f)由帶（60、65)的織造結(jié)構(gòu)制成。
13. 根據(jù)任一項前述權(quán)利要求所述的元件（1)，其中所述層的所述粘附特性通過利用 適合的探針粘性試驗的在相當(dāng)于大氣壓的預(yù)載荷和100s的等待預(yù)載荷時間的條件下測 量。
14. 根據(jù)權(quán)利要求12所述的元件（1)，其中所述層的所述粘附特性通過利用適合的探 針粘性試驗在相當(dāng)于大氣壓的預(yù)載荷和100s的等待預(yù)載荷時間的條件下測量，在平坦表 面上對彼此相鄰放置的確定數(shù)量的帶（60、65)進行這樣的測量。
15. 根據(jù)任一項前述權(quán)利要求所述的元件（1)，其中按照所述層在使用中的情況，對所 述層進行所述粘附特性的測量。
【文檔編號】A61F5/058GK104302254SQ201380006429
【公開日】2015年1月21日 申請日期:2013年3月15日 優(yōu)先權(quán)日:2013年3月15日
【發(fā)明者】馬克西姆·比羅, 蒂里·謝勒, 揚·F·維尼曼, 卡羅利娜·韋拉馬丁 申請人:泰克斯提亞創(chuàng)新方案有限公司