(57)【要約】  ｉ）固体のフォーム状合成ポリマーマトリクス；ｉｉ）マトリクス全体に分布しその製造の際にその中に組み込まれた、ｉ）とは異なるポリマー系ダイラタント材；およびｉｉｉ）マトリクス全体に分布する流体を含み、マトリクス、ダイラタント材および流体の組合せが、複合材料を弾性圧縮可能にするものである自立性のエネルギー吸収性複合材料が提供される。また、ｉｖ）固体の独立気泡フォームマトリクス；ｖ）マトリクス全体に分布した、ｉ）とは異なるポリマー系ダイラタント材；およびｖｉ）マトリクス全体に分布する流体を含み、マトリクス、ダイラタント材および流体の組合せが、複合材料を弾性圧縮可能にするものである自立性のエネルギー吸収性複合材料も提供される。【特許請求の範囲】
【請求項１】
ｉ）固体のフォーム状合成ポリマーマトリクス；
ｉｉ）ｉ）の製造の際にマトリクス全体に分布してその中に組み込まれた、ｉ）とは異なるポリマー系ダイラタント材；および
ｉｉｉ）マトリクス全体に分布する流体を含み、マトリクス、ダイラタント材および流体の組合せが、複合材料を弾性圧縮可能にする自立性のエネルギー吸収性複合材料。
【請求項２】
マトリクスが弾性体である請求項１に記載のエネルギー吸収性複合材料。
【請求項３】
マトリクスが合成エラストマーから選択される請求項１または請求項２に記載のエネルギー吸収性複合材料。
【請求項４】
合成エラストマーがエラストマー性ポリウレタンから選択される請求項３に記載のエネルギー吸収性複合材料。
【請求項５】
ポリマーダイラタント材がダイラタンシー特性を示すシリコーンポリマーから選択される、請求項１乃至４のいずれか一項に記載のエネルギー吸収性複合材料。
【請求項６】
シリコーンポリマーがボレーテッド（硼酸塩で処理した）シリコーンポリマーから選択される請求項５に記載のエネルギー吸収性複合材料。
【請求項７】
流体がガスである請求項１乃至６のいずれか一項に記載のエネルギー吸収性複合材料。
【請求項８】
フォームの気孔内にポリマーダイラタント材を含む請求項１乃至７のいずれか一項に記載のエネルギー吸収性複合材料。
【請求項９】
ｉ）固体のフォーム状合成ポリマーマトリクス；
ｉｉ）ｉ）とは異なるポリマーダイラタント材；および
ｉｉｉ）流体を合わせることを含み、それによってマトリクスの製造の間にダイラタント材をフォーム状合成ポリマー中に組み込むことによりダイラタント材をマトリクス全体に分布させ、そして流体を、マトリクス全体に実質的に均一に分布させて弾性圧縮可能な材料を生じる自立性エネルギー吸収性複合材料の製造方法。
【請求項１０】
マトリクスが請求項２から４のいずれか一項に記載されるものである請求項９に記載の方法。
【請求項１１】
ポリマーダイラタント材が請求項５、請求項６または請求項８に記載されるものである請求項９または請求項１０に記載の方法。
【請求項１２】
流体がガスを含む、請求項９から１１のいずれか一項に記載の方法。
【請求項１３】
ｉ）固体の独立気泡フォームマトリクス；
ｉｉ）マトリクス全体に分布した、ｉ）とは異なるポリマー系ダイラタント材；および
ｉｉｉ）マトリクス全体に分布する流体を含み、マトリクス、ダイラタント材および流体の組合せが、複合材料を弾性圧縮可能にする自立性のエネルギー吸収性複合材料。
【請求項１４】
マトリクスが合成エラストマーであり、かつ／または請求項２もしくは請求項３もしくは請求項４に記載されるものであり、かつ／またはポリマー系ダイラタント材が請求項５もしくは請求項６もしくは請求項８に記載されるものであり、かつ／または流体がガスを含む、請求項１３に記載のエネルギー吸収性複合材料。
【請求項１５】
請求項９から１２のいずれか一項に記載の方法によって得られるエネルギー吸収性複合材料。
【請求項１６】
請求項１から８または１３から１５のいずれか一項に記載のエネルギー吸収性複合材料を含む衝撃保護システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、エネルギー吸収性材料、例えば、人間、動物または物品を衝撃による損傷から保護するために設計されたシステム（以下、衝撃保護システムと呼ぶ）で使用するタイプのものに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、衝撃保護システムは、エネルギー吸収性材料として、エラストマーフォーム（発泡体）または同様の比較的柔らかく弾性圧縮可能な材料を使用してきた。しかし、限定的な保護が実現されるだけである。システムによっては、このエネルギー吸収性材料を剛性部材と組み合わせて使用しており、その目的は、衝撃力をより大きな面積にわたって拡げ、これによって、その作用を弱めることである。しかし、このようなシステムはしなやかさがなく人体に触れる場合、違和感をもたらす傾向がある。保護を必要とするからだの最も脆弱な領域、例えば、肘や膝は、形状が大きく変化するため、剛性な負荷分散形状を合わせようという試みは何であれ通常失敗する。１つの解決策は剛性の要素に区切り部分を導入することである。しかし、この場合、性能が犠牲になるおそれがあり、コストの増加を招く。
【０００３】
より最近では、衝撃吸収システムにおけるエネルギー吸収性材料中での、またはエネルギー吸収性材料としての、シリコーンダイラタント材として知られる剪断増粘性シリコーンパテ材料の使用が提案されている。剪断増粘性材料またはダイラタント材とは、変形速度が遅い場合は粘稠に流動するが、変形速度が速い場合は、変形速度に連れて粘性が実質的に増加する材料を意味する。衝撃によって引き起こされる場合のように変形速度が著しく大きな場合には、材料は実質的に堅く、すなわち剛性になる。例えば、米国特許第５５９９２９０号明細書は、ダイラタント材または剪断増粘性材料として、粘性流体中に固体粒子を分散させた分散液を用いた骨折防止服について記載している。英国特許公開第２３４９７９８号は、パテ状のダイラタント材を含む、エネルギー吸収パッドについて記載する。しかし、いずれの場合も、ダイラタント材は、非自立性であるため外皮に収容しなければならない。したがって、生じる製品はしなやかさを欠く傾向があり、比較的複雑で高価な製造プロセスが必要となる。
【０００４】
特開平６−２２０２４２号公報は、内部連通空間を有するしなやかな三次元網状体またはフォーム体の表面を覆ってシリコーンバンシングパテでコーティングしてなる衝撃吸収材料を開示している。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
本発明は、衝撃吸収システムでまたは衝撃吸収システムとして使用するのに適しており、自立性のエネルギー吸収性材料を提供する。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明の１つの態様によれば、
ｉ）固体のフォーム状合成ポリマーであって、適当なものとしては弾性の、好ましくはエラストマーであるマトリクス；
ｉｉ）ｉ）を製造する際にマトリクス全体に分布してその中に組み込まれた、ｉ）とは異なるポリマー系ダイラタント材；および、
ｉｉｉ）マトリクス全体に分布する流体を含み、マトリクス、ダイラタント材および流体の組合せは、複合材料を弾性圧縮可能に、好ましくはさらに、しなやかにする自立性のエネルギー吸収性複合材料が提供される。
【０００７】
なお、弾性圧縮可能であるとは、圧縮状態での固定に対して抵抗性を示すことを意味する。
【０００８】
固体のマトリクスとは、容器を必要とせずにそれ自身の境界を保持するマトリクス材料を意味する。通常、マトリクスは弾性体である。
【０００９】
本発明の別の態様によれば、
ｉ）固体の独立気泡フォームマトリクス；
ｉｉ）マトリクス全体に分布した、ｉ）とは異なるポリマー系ダイラタント材；および
ｉｉｉ）マトリクス全体に分布する流体を含み、マトリクス、ダイラタント材および流体の組合せが、複合材料を弾性圧縮可能にする自立性のエネルギー吸収性複合材料が提供される。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１０】
本発明の複合材料は、自立性に加え、現在の剛性システムを凌駕し得る衝撃からの保護度をもたらす。また、しなやかであるとともに弾性圧縮可能な好ましい実施形態では、それは、比較的大きな形状変化を通して、それが保護すべく設計されている対象と緊密な接触を維持することにより、当該対象の形状に一致する能力を有する。これは保護用コンポーネントの設計において重要な特徴である。なぜなら、引き起こされる損害は、衝撃によりもたらされる最大力を、この力が分配される面積で割った値の関数だからである。本発明の複合材料によれば、力の低減とともに、力が作用しまたは反作用を受ける面積の増加も可能であり、これにより、与えられた衝撃エネルギーに対し、生じる圧力または伝達される応力を著しく低減させる。また、それは、衝撃体にある程度即応する能力を提供し、したがって、さらに力を吸収するとともに、摩滅抵抗に関しても有利な形状を呈する。本発明によれば、同じ量のダイラタント材を単独で使用した場合と比較して、性能の改善を達成することも可能である。
【００１１】
他の固体材料もマトリクスとして使用に適し得ることが理解されるであろうが、本発明の１つの好ましい実施形態では、マトリクスはエラストマーから選択される。天然エラストマー、例えば、ラテックスゴムも使用できるが、本発明では、合成熱可塑性エラストマーなどの合成エラストマーが好ましい。合成エラストマーの好ましい１つの種類はポリウレタンエラストマーであるが、シリコーンゴムおよびＥＰゴム、例えば、ＥＰＤＭゴム、などの他の種類も適する可能性があると期待される。
【００１２】
概括的に言えば、複合材料の弾性圧縮性は、マトリクス全体に分散している流体によってもたらされる。通常、流体は、マトリクスの全体に実質的に均一に分散するが、場合によっては不均一な分散が望ましいこともあり得る。弾性圧縮性はマトリクス内の流体の再配置および／または（流体がガスを含む好ましい場合では）流体の圧縮によることができる。したがって、例えば、マトリクスと流体の組合せは有利にはフォーム状としたエラストマー、例えば、フォーム状としたポリウレタンエラストマーであり、このフォームは連続気泡フォームでも独立気泡フォームでもよいし、部分的に連続し部分的に独立気泡のフォームでもよい。フォームの重要な特性は、圧縮された後の復元速度である。数秒、例えば、５秒以下、より好ましくは２秒以下の時間内に完全にまたは実質的に完全に復元することが好ましい。もっとも、適用態様によっては、実際にはより緩慢な復元速度が好ましいこともあり得る。
【００１３】
選択したマトリクスに組み込み得るどのようなポリマー系ダイラタント材も使用できる。「ポリマー系ダイラタント材」とは、ダイラタンシーがポリマー単独でまたは１種以上の他の成分、例えば、微粒子材料、粘性流体、可塑剤、希釈剤またはそれらの混合物とポリマーとの組合せ（但し、ポリマーが主要な成分である）によってもたらされる材料を意味する。１つの好ましい実施形態では、ダイラタント材は、ダイラタンシー性を示すシリコーン系ポリマー材料から選択される。シリコーンポリマーは、好ましくはボレーテッド（硼酸塩で処理した）シリコーンポリマーから選択される。ダイラタント材は、ダイラタンシーをもたらす成分に加えて他の成分、例えば、充填剤、可塑剤、着色剤、潤滑剤および希釈剤と組み合わせてもよい。充填剤は粒子状（ミクロスフェアを含む）でもよいし繊維状でもよく、あるいは粒子状と繊維状の混合物でもよい。特に好ましいダイラタント材の１つの種類は、ダウコーニングからカタログ番号３１７９の下に販売されているボレーテッドシロキサン系材料であり、これはポリボロンジメチルシロキサン（ＰＢＤＭＳ）がベースポリマーを構成している。
【００１４】
同様のダイラタンシー特性、例えば、低歪み速度における同様のモジュラスおよび歪み速度に対する同様のモジュラスプロットを有する他のポリマー系ダイラタンシー材料も含まれる。
【００１５】
本発明の複合材料は、固体のマトリクス、ポリマー系ダイラタント材および流体を組み合わせることにより形成でき、ここで、ダイラタント材および流体はマトリクスの全体にわたって概ね実質的に均一に分配され、弾性圧縮可能な材料を生じる。マトリクスを合成エラストマーから選択する場合、適する１つの方法はフォーム状合成エラストマー内にポリマー系ダイラタント材を組み込むことを含む。ダイラタント材はフォームを形成する際に組み込んでもよい。例えば、ダイラタント材を含む溶液または分散液の存在下、フォーム形成成分を反応させてフォームを形成させればよい。どのような方法も使用できるが、フォームの気孔内にダイラタント材が組み込まれる際、それが気孔から完全に流体を駆逐して置き換わってしまうことはないようにするのが重要である。
【００１６】
本発明の複合材料は、ダイラタント材および流体以外の成分、例えば、繊維および／または粒子状の充填剤、可塑剤、潤滑剤、希釈剤、顔料、染料などを含んでもよい。必要であれば、本発明の複合材料は外皮（これは剛性でもよいし可撓性でもよい）内に組み込んでもよいが、これは不可欠ではない。同様に、剛性コンポーネントと組み合わせてもよいが、これは複合材料の使用にとって不可欠ではないし、むしろ、その特性の若干のものが犠牲となるおそれがある。
【００１７】
必要であれば、複合材料にコーティングを施してもよい。
【００１８】
複合材料の実際の構成は、目的とする適用態様に影響を受けるであろう。適用態様には広範囲の用途が含まれ、物品、動物および人間のための衝撃からの保護を含む。可能な適用態様としては、物品が既に表面に接しており、物品および表面の組合せが厳しい加速および／または減速を受けることがある動的な状況（例えば、壊れやすい装置をパッケージングする際や乗り物の座席にすわっている人体など）すべてに及ぶ。したがって、弾性圧縮可能な塊の性質、その塊中の流体の量（これは、例えば、塊の密度などによって示される）および塊中にどのダイラタント材をどの程度組み込むかといった点は、複合材料を使用する予定の保護システムでの必要条件によって決まる。一般に、複合材料体積の５〜８０％、好ましくは１０〜５０％、より好ましくは２０〜４０％（１５〜３５％など）がダイラタント材によって形成されるであろう。また、複合材料中の流体含有量は（それがガスである好ましい場合）、体積で好ましくは約３０〜９０％（２０〜９０％など）、より好ましくは約４５〜９０％（３０〜８０％など）、さらに好ましくは約５５〜８５％（４０〜７０％など）である。これらの比率は、充填材や追加成分の使用量は除外している点に注意を要する。
【００１９】
本発明のエネルギー吸収性複合材料は、例えば、人間や動物用の保護用パッドや保護服において、または乗り物および他の物品（人間や動物が激しくぶつかる可能性のあるもの）のエネルギー吸収ゾーンにおいて、もしくはエネルギー吸収ゾーンとして、または壊れやすい物品や機械類のパッケージングにおいて、もしくはパッケージングとしてなど、種々様々の適用態様で使用することができる。こうした適用態様の具体例としては、帽子やヘルメット；肘、膝、腰および脛のための保護服またはパッド；例えば、飛行物や落下物が危険な環境で使用するための一般的な身体保護装置、乗用車のダッシュボード、サスペンションブッシュ、クッションや座席材料が挙げられる。他に可能性のある用途としては、例えば、スポーツや娯楽で物品を叩くのに用いる体の一部を保護するための衣服やパッド；例えば、ランニングシューズの靴底、フットボールブーツ、ボクシング用グラブおよびファイブズのプレーに使用されるグローブにおける用途がある。もっとも、ここでの列挙は他を除く意図ではなく、他の可能な用途が読者には想起されるであろう。
【実施例】
【００２０】
固体のフォーム状の合成ポリマーマトリクス中にその製造に際してダイラタンシー材料を組み込んだ以下の実施例は、本発明を例示している。
実施例１
この例は、ポリウレタン（ＰＵ）フォームの製造中に純粋なポリボロンジメチルシロキサン（ＰＢＤＭＳ）ダイラタント材を包含させる例の詳細を示す。
【００２１】
ベースとなるＰＵ系はジャコブソンケミカルズ社（サリー州、ファーナム所在）（Ｊａｃｏｂｓｏｎ  Ｃｈｅｍｉｃａｌｓ  Ｌｔｄ．，Ｆａｒｎｈａｍ，Ｓｕｒｒｅｙ）から販売されている。製品は参照番号Ｊ−Ｆｏａｍ  ７０８７のモデリング用フォームである。これは、２つの成分、Ａ部とＢ部をそれぞれ３：１の割合で混合する必要のある２部系である。次いで、この混合物を開放鋳型または閉鎖鋳型に流し込んで、成形されたフォームコンポーネントを生産することができる。Ａ部とＢ部の反応中に、ガス（二酸化炭素を含むと考えられる）が発生し、ＰＵのソフトフォーム中に独立気泡構造を生じる。
【００２２】
ワルシャワ（ポーランド）の化学研究所から得たＰＢＤＭＳを、ポリエチレンビーカー中、室温でＪ−ＦｏａｍのＡ部と、木製ヘラを用いて手によって、混合物が均一な様相を呈するまでおよそ１５分間予備混合した。Ａ部に対しＰＢＤＭＳは様々な比率で試行した。詳細は以下の通りである。
試行１・・・ＰＢＤＭＳ１５ｇ＋Ａ部４０ｇ
試行２・・・ＰＢＤＭＳ１５ｇ＋Ａ部３０ｇ
試行３・・・ＰＢＤＭＳ３９ｇ＋Ａ部５０ｇ
次いで、上記予備混合物の各々を、同じ混合方法を使用し、かつ、ＰＢＤＭＳの量に関係なくＡ部とＢ部が３：１つの比率を維持するように、Ｂ部と混合した。この混合時間は典型的には約１０秒であった。次いで、これらの３成分混合物を、開放した平底ポリエチレン容器に入れ、自由に膨脹させてフォームを生じさせた。
【００２３】
ＰＢＤＭＳはＡ部またはＢ部のいずれと比べても非常に高い粘性を有するため、ＰＢＤＭＳの割合を増加させると生じるフォームの密度が減少する。３成分混合物の粘度（溶融強度）が増加することにより、反応および硬化段階において混合物の膨脹が制限された。この予備混合物を加熱することによってＰＢＤＭＳ／Ａ部の予備混合物の粘度が低減する効果があるかを見極めるため、試行３のバッチをさらに作り、予備混合物をＢ部と混合する前に摂氏６５度まで熱した。次いで、この試料を、前記の標品と同じ方法で、混合直後に型に流し込んだ（但し、型は予め摂氏６５度まで加熱しておいた）。得られたフォームの密度は以下の通りである。
試行１・・・４００ｋｇ／ｍ3
試行２・・・５００ｋｇ／ｍ3
試行３（６５℃に予備加熱）・・・３８０ｋｇ／ｍ3
密度の測定は、単純に試料を秤量し、直線寸法を測定することにより総体積を確定し、試料の重量でこれを割ることにより行なった。
実施例２
実施例１で示したのと同じ手法をダウコーニング３１７９シリコーンダイラタント材を含むＰＵフォームの製造に適用した。このダイラタント材は、ＰＢＤＭＳのパーセンテージが６５重量％である充填ＰＢＤＭＳである。これは、３１７９を純粋なＰＢＤＭＳよりも堅くより強くする。これらの充填剤が存在する結果、３１７９は、調理用電気ミキサーの助けを借りてもＪ−ＦｏａｍＡ部と混合しない。電気ミキサーを用いることにより、溶媒として４０ｇのイソプロピルアルコール（ＩＰＡ）に５０ｇの３１７９を溶解し、次いで、Ｊ−ＦｏａｍＡ部およそ１００ｇと混合する。これによりクリーム状のエマルジョンが生じた。続くＪ−ＦｏａｍＢ部との反応の間、ＩＰＡの存在量を最小限にするため、ミキサーの電源を入れたまま、３１７９とＩＰＡとＪ−ＦｏａｍＡ部の混合物を有毒ガス排出装置付き実験容器（fume cupboard）内に入れてＩＰＡの蒸発を促した。これを１時間放置した。この間、ＩＰＡの蒸発によって３１７９ダイラタント材が溶液から析出し、混合物中にダイラタント材の固体の小球を形成した。そこで、蒸発段階で、混合物の性質を視覚的に観察するためにミキサーを１０分間隔で停止させて、この操作を繰り返した。４０分後、３１７９ダイラタント材の小さな粒子が懸濁液中にちょうど肉眼で検知できたが、この段階でＢ部を手で混合物中に導入し、前記と同様に開放容器に流し込んだ（ここでもＡ部のＢ部に対する比は３：１に維持した）。生じたフォームは、測定密度２９０ｋｇ／ｍ3を有する大きな独立気泡構造（気泡径、およそ０．７〜１．２ｍｍ）であった。
【００２４】
このフォームの密度を増加させるために、３１７９ダイラタント材、ＩＰＡおよびＪ−ＦｏａｍＡ部を混合する間、３５ｇのＰＢＤＭＳを添加して操作を繰り返し、混合物の粘度を増加させた。得られたフォームは、気泡サイズがはるかに小さく（気泡径、およそ０．１〜０．４ｍｍ）で、密度はより大きく６４０ｋｇ／ｍ3であった。
【国際調査報告】
2005513248.tif 000002
2005513248.tif 000003