[发明专利]用于动态冲击用途的缓冲元件

说明书

本申请要求2004年11月12日提交的美国临时专利申请 60/627,278的权益。

技术领域

本发明涉及用于动态冲击用途的缓冲材料，例如用于汽车和其它 车辆的吸能材料。

背景技术

聚合物泡沫广泛用于各种缓冲用途中。软聚氨酯泡沫通常用在枕 头、座垫、床垫和类似用途中，其中柔软和舒适是支配性因素。如闭 孔挤塑聚烯烃泡沫的热塑性泡沫在多种包装用途中盛行。

在绝大多数缓冲和包装用途中，泡沫材料通常被设计成承受低至 中等压缩应力。泡沫被设计成在这些条件下，在泡沫中由正常使用过 程中施加的压缩应力引起的应变在泡沫的所谓弹性极限内。在弹性极 限内，引发的应变(即泡沫的压缩)与施加的压缩应力几乎成比例， 这样，例如，应力加倍会引起应变的几乎加倍。此外，在其弹性极限 内压缩的泡沫在压缩力撤除时会恢复到与压缩泡沫所需的几乎相同的 能量。这允许泡沫吸收来自低至中等冲击的能量而不会使泡沫永久形 变或不会明显降低其缓冲类似量级的进一步冲击的能力。对于许多常 用的聚合包装泡沫，当超过原始泡沫厚度的大约3～10％的应变时，超 出弹性极限。

在某些其它缓冲用途中，缓冲垫要耗散高得多的能量。这类用途 特别包括吸能汽车元件，其用于预防或最大程度降低事故中对车辆乘 客的伤害。许多汽车内部部件包括这类缓冲材料，包括膝挡板、仪表 板、顶蓬、顶柱(roof pillar)和门。通常，这些吸能缓冲垫被设计成 与其它能量管理部件结合使用，例如前气囊或侧帘式气囊。与座椅或 绝大多数包装用途中所用的缓冲垫不同，这些用途中使用的缓冲垫被 设计成在高应变速率下吸收高能量级。这类条件超出缓冲垫的弹性极 限，使其永久变形以耗散能量并降低伤害。

汽车事故中人身伤害的严重性通常是乘客与汽车部件接触时经受 的最大减速的结果。这种最大减速可以以两种方式降低。首先，其可 以通过延长减速发生的时长来降低。其次，如果冲击的能量在该较长 时间段内更均匀地耗散，可以降低最大减速。因此，缓冲泡沫合意地 在其被压缩至其原始厚度的一部分时以大致恒定的速率持续吸收能 量。

绝大多数多孔聚合物的性能使得引发应变所需的压缩应力大致线 性地升至弹性极限，即原始泡沫厚度的大约3～10％的应变。在超出该 弹性极限后，压缩应力趋于几乎保持恒定直至大约20或30％应变，然 后在引起泡沫的更大应变时急剧提高。如果压缩应力几乎保持恒定至 更高应变，例如40～60％应变或更高，则是更合意的。这会延长减速发 生的时间(通过在将多孔聚合物压缩至更高应变所需的较长时间段内 分布能量)并降低最大减速，因为在多孔聚合物被压缩时能量更均匀 地被吸收。

各向异性形式的聚合泡沫，有时被称作聚结束泡沫(coalesced strand foam)已经用在这些用途中。由The Dow Chemical Company以 商品名出售的这种泡沫在挤出方向上表现出比正交方向 上明显更高的压缩强度。这种各向异性被认为是部分由制造泡沫的特 定方法引起的。可发泡树脂混合物的小直径“束”单独挤出，并将挤 出物在冷却之前合在一起以形成由大量单独的束构成的更大复合材 料。这种聚结束泡沫在动态冲击用途中表现良好，但是具有略微昂贵 的缺点。已经用在动态冲击用途中的这类泡沫是较高密度材料，其进 一步提高了成本。这些泡沫的另一问题在于最高压缩强度的方向是挤 出方向。因为绝大多数吸能缓冲垫在预计冲击方向上相当薄，这意味 着这些各向异性泡沫必须被切成小薄片以有效利用。这增加了制造成 本并导致过度浪费。这还将吸能元件的横截面积限制为挤出时的泡沫 横截面积，除非进一步花费成本将泡沫小件组装成较大横截面。

DE 44089298 A1描述了可用作头盔用途中的减震元件的高度各向 异性聚醚砜泡沫。这种泡沫据说具有50千克/立方米或更高的密度，且 在该密度下据说具有600kPa的压缩强度。该泡沫具有极大和细长的孔， 它们具有大约10的长度/直径比和大约0.8毫米的直径(最小尺寸)。

因此，提供相对廉价并在动态冲击用途中表现良好的缓冲垫是合 意的。

发明内容