(57)【要約】  動的衝撃用途のクッションは、押出し、膨張性ビード又は反応性発泡プロセスにおいて形成される異方性気泡ポリマーを含む。異方性挙動は、CE/CT、CV/CT及びCH/CTによって表される。ここで、CE、CV及びCHは、25%歪みまで歪み速度0.08 s-1で25〜50 mm厚の気泡ポリマー試料を圧縮することにより測定して、3つの直交方向E、V及びHのそれぞれにおける該気泡ポリマーの圧縮強度をそれぞれ表し、CTは、CE、CV及びCHの和を表し、そしてCE/CT、CV/CT及びCH/CTのうちの少なくとも1つの値は、0.40〜0.80である。気泡ポリマーは、ヘッドライナー対応手段用途に用いる場合、1.75〜約2.35ポンド／立方フィート(28〜35.2 kg/m3)の密度、及び最大強度方向において25%歪みで、290〜600kPaの圧縮強度の圧縮応力を示す。このクッションは、自動車のヘッドライナー、ドアパネル、膝用ボルスター、ピラー、ヘッドレスト、背もたれ、積荷用床、又は計器盤等の自動車用途に有用である。
2008519891.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
乗物のための衝撃吸収部材であって、該衝撃吸収部材は、使用中に該衝撃吸収部材を永久変形させるのに十分な衝撃力を吸収することが予想されており、該衝撃吸収部材は、密度が2.5ポンド/立方フィート以下のエネルギー吸収性気泡ポリマーを含み、該気泡ポリマーは、CE/CT、CV/CT及びCH/CTによって表される異方性挙動を示し、CE/CT、CV/CT及びCH/CTのうちの少なくとも1つの値は、0.40〜0.80であり、CE、CV及びCHは、3つの直交方向E、V及びHのそれぞれにおける該発泡体の圧縮強度をそれぞれ表し、そしてCTは、CE、CV及びCHの和を表す。
【請求項２】
CE/CT、CV/CT及びCH/CTのうちの少なくとも1つの値が、少なくとも0.45である請求項1に記載の衝撃吸収部材。
【請求項３】
CE/CT、CV/CT及びCH/CTのうちの少なくとも1つの値が、少なくとも0.50である請求項2に記載の衝撃吸収部材。
【請求項４】
該気泡ポリマーが、押出し方向において発泡性樹脂混合物から成る単一の連続塊を押出すことにより形成される請求項1から3までのいずれか一項に記載の衝撃吸収部材。
【請求項５】
該方向Eが、押出し方向を表し、そしてCV/CT及びCH/CTのうちの少なくとも一方が、CE/CTよりも大きい請求項4に記載の衝撃吸収部材。
【請求項６】
Vが、該気泡ポリマーが押出された後の該気泡ポリマーの鉛直膨張方向を表し、そしてCV/CTが、少なくとも0.50である請求項5に記載の衝撃吸収部材。
【請求項７】
該気泡ポリマーの連続気泡含有率が、少なくとも10 %である請求項1に記載の衝撃吸収部材。
【請求項８】
該気泡ポリマーが、最大次元において0.9〜3 mmの平均気泡サイズ気泡を有している請求項1に記載の衝撃吸収部材。
【請求項９】
該気泡ポリマーが、ポリスチレン、又はスチレンもしくはアクリロニトリルのコポリマーである請求項3に記載の衝撃吸収部材。
【請求項１０】
該気泡ポリマーが、60%歪みにおいて少なくとも80%の圧縮効率を示す請求項1に記載の衝撃吸収部材。
【請求項１１】
該気泡ポリマーが、3〜10%歪みの弾性限度を示す請求項1に記載の衝撃吸収部材。
【請求項１２】
該気泡ポリマーが、最高圧縮強度の方向が予想衝撃方向に向けられるように配向されている請求項1に記載の衝撃吸収部材。
【請求項１３】
自動車のヘッドライナー対応手段である請求項1に記載の衝撃吸収部材。
【請求項１４】
CE、CV及びCHのうちの最大のものが、25%歪みにおいて290〜600 kPaである請求項13に記載の衝撃吸収部材。
【請求項１５】
受動的なエネルギー吸収対応手段無しに、約1,430の(BIW)HIC(d)値を示すシート状金属取付具に対してFMVSS 201Uに従って計算した時、該気泡ポリマーが、公称厚25ミリメートルで800未満のHIC(d)値を示す請求項14に記載の衝撃吸収部材。
【請求項１６】
該気泡ポリマーの密度が、1.5〜2.35ポンド/立方フィート(24〜35.2 kg/m3)である請求項15に記載の衝撃吸収部材。
【請求項１７】
骨盤用ボルスターである請求項1に記載の衝撃吸収部材。
【請求項１８】
CE、CV及びCHのうちの最大のものが、25%歪みにおいて150〜900 kPaである請求項17に記載の衝撃吸収部材。
【請求項１９】
該気泡ポリマーの密度が、1.5〜4ポンド/立方フィート(24〜64 kg/m3)である請求項18に記載の衝撃吸収部材。
【請求項２０】
胸郭用ボルスターである請求項1に記載の衝撃吸収部材。
【請求項２１】
CE、CV及びCHのうちの最大のものが、25%歪みにおいて100〜500 kPaである請求項20に記載の衝撃吸収部材。
【請求項２２】
該気泡ポリマーの密度が、1.25〜3ポンド/立方フィート(20〜48 kg/m3)である請求項21に記載の衝撃吸収部材。
【請求項２３】
動的衝撃用途のための衝撃吸収部材であって、該衝撃吸収部材は、使用中に該衝撃吸収部材を永久変形させるのに十分な衝撃力を吸収することが予想されており、該衝撃吸収部材は気泡ポリマーを含み、該気泡ポリマーは、(1)押出し方向において発泡性樹脂混合物から成る単一の連続塊を押出すことにより、(2)膨張性ポリマービードを膨張させることにより、又は(3)反応性発泡プロセスにおいて形成され、そして前記特定のジオメトリーに成形され、さらに該気泡ポリマーは、CE/CT、CV/CT及びCH/CTによって表される異方性挙動を示し、CE、CV及びCHは、25%歪みまで歪み速度0.08 s-1で25〜50 mm厚の気泡ポリマー試料を圧縮することにより測定して、3つの直交方向E、V及びHのそれぞれにおける該気泡ポリマーの圧縮強度をそれぞれ表し、CTは、CE、CV及びCHの和を表し、そしてCE/CT、CV/CT及びCH/CTのうちの少なくとも1つの値は、0.40〜0.80である。
【請求項２４】
CE/CT、CV/CT及びCH/CTのうちの少なくとも1つの値が、少なくとも0.45である請求項23に記載の衝撃吸収部材。
【請求項２５】
CE/CT、CV/CT及びCH/CTのうちの少なくとも1つの値が、少なくとも0.50である請求項24に記載の衝撃吸収部材。
【請求項２６】
該気泡ポリマーが、押出し方向において発泡性樹脂混合物から成る単一の連続塊を押出すことにより形成される請求項23から25までのいずれか一項に記載の衝撃吸収部材。
【請求項２７】
該方向Eが押出し方向を表し、そしてCV/CT及びCH/CTのうちの少なくとも一方が、CE/CTよりも大きい請求項26に記載の衝撃吸収部材。
【請求項２８】
Vが、該気泡ポリマーが押出された後の該気泡ポリマーの鉛直膨張方向を表し、そしてCV/CTが少なくとも0.50である請求項27に記載の衝撃吸収部材。
【請求項２９】
該気泡ポリマーの連続気泡含有率が10 %以上である請求項23に記載の衝撃吸収部材。
【請求項３０】
該気泡ポリマーが、最大次元における平均気泡サイズが0.9〜3 mmの気泡を有している請求項23に記載の衝撃吸収部材。
【請求項３１】
該気泡ポリマーが、ポリスチレン、又はスチレンとアクリロニトリルとのコポリマーである請求項25に記載の衝撃吸収部材。
【請求項３２】
該気泡ポリマーが、60%歪みにおいて少なくとも80%の圧縮効率を示す請求項23に記載の衝撃吸収部材。
【請求項３３】
該気泡ポリマーが、3〜10%歪みの弾性限度を示す請求項23に記載の衝撃吸収部材。
【請求項３４】
該気泡ポリマーが、最高圧縮強度の方向が予想衝撃方向に向けられるように配向されている請求項23に記載の衝撃吸収部材。
【請求項３５】
自動車のヘッドライナー対応手段である請求項23に記載の衝撃吸収部材。
【請求項３６】
CE、CV及びCHのうちの最大のものが、25%歪みにおいて200〜600 kPaである請求項35に記載の衝撃吸収部材。
【請求項３７】
受動的なエネルギー吸収対応手段無しに、約1,430の(BIW)HIC(d)値を示すシート状金属取付具に対してFMVSS 201Uに従って計算して、該気泡ポリマーが、公称厚25ミリメートルで800未満のHIC(d)値を示す請求項36に記載の衝撃吸収部材。
【請求項３８】
該気泡ポリマーの密度が、1.5〜2.35ポンド/立方フィート(24〜35.2 kg/m3)である請求項37に記載の衝撃吸収部材。
【請求項３９】
骨盤用ボルスターである請求項23に記載の衝撃吸収部材。
【請求項４０】
CE、CV及びCHのうちの最大のものの値が、25%歪みにおいて150〜900 kPaである請求項39に記載の衝撃吸収部材。
【請求項４１】
該気泡ポリマーの密度が、1.5〜4ポンド/立方フィート(24〜64 kg/m3)である請求項40に記載の衝撃吸収部材。
【請求項４２】
胸郭用ボルスターである請求項23に記載の衝撃吸収部材。
【請求項４３】
CE、CV及びCHのうちの最大のものが、25%歪みにおいて100〜500 kPaである請求項42に記載の衝撃吸収部材。
【請求項４４】
該気泡ポリマーの密度が1.25〜3ポンド/立方フィート(20〜48 kg/m3)である請求項43に記載の衝撃吸収部材。
【請求項４５】
乗物のための衝撃吸収部材であって、該衝撃吸収部材は、押出し方向Eにおいて単一のオリフィスを通して発泡性熱可塑性ポリマー組成物から成る塊を押出し、そして得られた押出されたポリマーを成形して前記特定のジオメトリーにすることにより形成されるエネルギー吸収性気泡ポリマーを含み、該気泡ポリマーの気泡は、押出し方向に対して直交する少なくとも1つの方向Vにおいて、基準0.80≧DV/DT≧0.40 (ここで、DVは、該押出し方向に対する前記直交方向における該気泡の平均寸法を表す)、及びDT＝DV＋DE＋DH (ここで、DEは、押出し方向Eにおける該気泡の平均寸法であり、DHは、E及びV双方の方向に対して直交する方向Hにおける該気泡の平均寸法である)を満たす平均寸法を有する。
【請求項４６】
DV/DTの値が、少なくとも0.50である請求項28に記載の衝撃吸収部材。
【請求項４７】
該気泡ポリマーの連続気泡含有率が、少なくとも10 %である請求項46に記載の衝撃吸収部材。
【請求項４８】
DVの平均値が、0.9〜2 mmである請求項45から47までのいずれか一項に記載の衝撃吸収部材。
【請求項４９】
該気泡ポリマーが、ポリスチレン、又はスチレンとアクリロニトリルとのコポリマーである請求項27から31までのいずれか一項に記載の衝撃吸収部材。
【請求項５０】
該気泡ポリマーが、60%歪みにおいて少なくとも80%の歪み効率を示す請求項45に記載の衝撃吸収部材。
【請求項５１】
該気泡ポリマーが、3〜10%歪みの弾性限度を示す請求項45に記載の衝撃吸収部材。
【請求項５２】
自動車のヘッドライナー、ドアパネル、膝用ボルスター、ピラー、ヘッドレスト、背もたれ、積荷用床、又は計器盤である請求項49に記載の衝撃吸収部材。
【請求項５３】
CE、CV及びCHのうちの最大のものが、25%歪みにおいて200〜600 kPaである請求項52に記載の衝撃吸収部材。
【請求項５４】
該気泡ポリマーの密度が、1.5〜2.35ポンド/立方フィート(24〜35.2 kg/m3)である請求項53に記載の衝撃吸収部材。
【請求項５５】
受動的なエネルギー吸収対応手段無しに、約1500のHIC(d)値を示すシート状金属取付具に対してFMVSS 201Uに従って計算して、該気泡ポリマーが、公称厚25 mmで800未満のHIC(d)値を示す請求項54に記載の衝撃吸収部材。
【請求項５６】
骨盤用ボルスターである請求項49に記載の衝撃吸収部材。
【請求項５７】
CE、CV及びCHのうちの最大のものが、25%歪みにおいて350〜900 kPaである請求項56に記載の衝撃吸収部材。
【請求項５８】
該気泡ポリマーの密度が、2.0〜5ポンド/立方フィート(32〜80 kg/m3)である請求項57に記載の衝撃吸収部材。
【請求項５９】
胸郭用ボルスターである請求項49に記載の衝撃吸収部材。
【請求項６０】
CE、CV及びCHのうちの最大のものが、25%歪みにおいて200〜500 kPaである請求項59に記載の衝撃吸収部材。
【請求項６１】
該気泡ポリマーの密度が、1.25〜3ポンド/立方フィート(20〜48 kg/m3)である請求項61に記載の衝撃吸収部材。
【請求項６２】
該気泡ポリマーが、ポリウレタン、ポリエポキシド、又はポリウレタン-ポリイソシアヌレートである請求項3に記載の衝撃吸収部材。
【請求項６３】
該気泡ポリマーが、ポリウレタン、ポリエポキシド、又はポリウレタン-ポリイソシアヌレートである請求項25に記載の衝撃吸収部材。
【請求項６４】
該気泡ポリマーが、ポリウレタン、ポリエポキシド、又はポリウレタン-ポリイソシアヌレートである請求項47に記載の衝撃吸収部材。
【請求項６５】
自動車のヘッドライナー、ドアパネル、膝用ボルスター、ピラー、ヘッドレスト、背もたれ、積荷用床、又は計器盤である請求項23に記載の衝撃吸収部材。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本出願は、2004年11月12日付けで出願された米国特許仮出願第60/627,278号明細書の優先権を主張する。
【０００２】
本発明は、動的衝撃用途のための緩衝材料、例えば自動車及び他の乗物のためのエネルギー吸収材料に関する。
【背景技術】
【０００３】
種々の緩衝用途においてポリマー発泡体が幅広く使用されている。軟質ポリウレタン発泡体が、枕、椅子の座部、マットレス、及び軟らかさと快適さとが主なファクターであるような同様の用途において一般に使用されている。熱可塑性発泡体、例えば独立気泡型押出しポリオレフィン発泡体が、多種多様なパッケージング用途において普及している。
【０００４】
ほとんどの緩衝用途及びパッケージング用途において、発泡体材料は通常、低い程度から中程度の圧縮応力に耐えるように構成される。発泡体は、これらの条件下で、通常の使用中に圧縮応力が加えられる結果として発泡体中に誘発された歪みが、発泡体のいわゆる弾性限度内で用いられるように構成される。弾性限度内で、誘発される歪み(発泡体の圧縮)は、加えられる圧縮応力に対してほぼ比例的であるので、例えば、応力が二倍になると、これにより誘発される歪みもほぼ二倍になる。加えて、弾性限度内で圧縮される発泡体は、圧縮力が除去されると、発泡体を圧縮するのに必要とされたものとほぼ同じ量のエネルギーを回復する。このことは、発泡体を永久変形させることなしに、又は同様の規模の更なる衝撃事象を緩衝する能力を著しく減少させることなしに、発泡体が低レベルから中レベルの衝撃からエネルギーを吸収するのを可能にする。一般に使用される高分子パッケージング用発泡体の場合、元の発泡体厚の約3〜10 %の歪みを超えると、弾性限界を超える。
【０００５】
或る他の緩衝用途においては、クッションは、著しく高いエネルギーを散逸させるように意図される。このタイプの用途は特に、事故時の乗物乗員の負傷を防止するか又は最小限に抑えるように意図されるエネルギー吸収用自動車部材を含む。多くの自動車内装品は、ニーボルスター、計器盤、ヘッドライナー、ルーフピラー及びドアを含む、この種の緩衝材を含む。極めて多くの場合、これらのエネルギー吸収クッションは、他のエネルギー管理構造物、例えば正面エアバッグ又はサイドカーテン・エアバッグと併用されるように構成される。椅子の座部又は多くのパッケージング用途とは異なり、これらの用途において使用されるクッションは、高い歪み速度で高レベルのエネルギーを吸収するように構成される。このような条件は、エネルギーを散逸させて負傷を低減するために、クッションの弾性限度を超え、これを永久変形させる。
【０００６】
自動車事故における人身傷害の重症度はしばしば、乗員が自動車構成部分と接触するのに伴って被る最大減速度の結果である。最大減速度は2つの方法で低減することができる。第一に、最大減速度は、減速が発生している時間を長くすることにより低減することができる。第二に、衝撃エネルギーが、より長い時間にわたってより均一に散逸されると、最大減速度を低減することができる。従って、緩衝用発泡体は、その元の厚さのわずかな割合まで圧縮されるので、程度の差こそあれ一定の速度でエネルギーを望ましく吸収し続ける。
【０００７】
ほとんどの気泡ポリマーの挙動は、歪みを誘発するのに必要とされる圧縮応力が、弾性限度まで、すなわち、元の発泡体厚の約3〜10 %の歪みが生じるまで、程度の差こそあれ線形に増大するようになっている。弾性限度を超えた後、圧縮応力は、最大20又は30%の歪みが生じるまでほぼ一定のままである傾向があり、次いで、発泡体により大きな歪みが誘発されるにつれて劇的に増大する。圧縮応力が、より高い歪み、例えば40〜60 %以上の歪みが生じるまでほぼ一定のままであるならば、このことはより望ましい。このことは、(より大きい歪みが生じるまで気泡ポリマーを圧縮するのに必要となるより長い時間にわたってエネルギーを分配することにより)減速が発生している時間を長くし、そして、気泡ポリマーが圧縮されるに伴ってより均一にエネルギーが吸収されるので、最大減速度を低減することになる。
【０００８】
合体ストランド発泡体として知られることもある、高分子発泡体の異方性形態が、これらの用途において使用されている。Dow Chemical CompanyによってStrandfoam(商標)という商品名で販売されているこの発泡体は、押出し方向において、直交方向におけるよりも著しく高い圧縮強度を示す。この異方性挙動は、発泡体が形成される具体的な方法に一部起因すると考えられる。発泡性樹脂混合物の小さな直径の「ストランド」は、別々に押出され、そして押出し物を冷却前に一緒にして、多数の別々のストランドから形成されたより大きい複合体を形成する。この合体ストランド発泡体は、動的衝撃用途において良好な性能を発揮するが、しかし若干高価であるという欠点を有する。動的衝撃用途において使用されているこのタイプの発泡体は、より高密度の材料であり、このことはコストをさらに増大させる。これらの発泡体の更なる問題は、最高圧縮強度の方向が押出し方向にあることである。ほとんどのエネルギー吸収クッションは、予想される衝撃の方向においてむしろ薄く、このことは、効果的に使用するために、これらの異方性発泡体をカットして薄い切片にしなければならないことを意味する。このことは製作コストを高くし、また過剰の廃棄物をもたらす。このことはまた、更なるコストを負担して発泡体片を集成してより大きい断片にするのでない限りは、エネルギー吸収部材の断面を、押出された状態での発泡体の断面に限定する。
【０００９】
ドイツ国特許出願公開第44089298号明細書には、ヘルメット用途の衝撃吸収要素として有用なものとして高異方性ポリエーテルスルホン発泡体が記載されている。この発泡体は、密度50 kg/m3以上を有すると述べられており、また、その密度で、圧縮強度600 kPaを有すると述べられている。この発泡体は、長さ／直径比が約10であり、また直径(最小寸法)が約0.8 mmである、極めて大きく細長い気泡を有している。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
結果として、比較的低廉であり、また動的衝撃用途において良好な性能を発揮するクッションを提供することが望ましい。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
本発明は、乗物のための衝撃吸収部材であって、該衝撃吸収部材は、使用中に該衝撃吸収部材を永久変形させるのに十分な衝撃力を吸収することが予想されており、該衝撃吸収部材は、密度が2.5ポンド/立方フィート以下のエネルギー吸収性気泡ポリマーを含み、該気泡ポリマーは、CE/CT、CV/CT及びCH/CTによって表される異方性挙動を示し、CE/CT、CV/CT及びCH/CTのうちの少なくとも1つの値は、0.40〜0.80であり、CE、CV及びCHは、3つの直交方向E、V及びHのそれぞれにおける該発泡体の圧縮強度をそれぞれ表し、そしてCTは、CE、CV及びCHの和を表す。
【００１２】
本発明はまた、動的衝撃用途のための衝撃吸収部材であって、該衝撃吸収部材は、使用中に該衝撃吸収部材を永久変形させるのに十分な衝撃力を吸収することが予想されており、該衝撃吸収部材は気泡ポリマーを含み、該気泡ポリマーは、(1)押出し方向において発泡性樹脂混合物から成る単一の連続塊を押出すことにより、(2)膨張性ポリマービードを膨張させることにより、又は(3)反応性発泡プロセスにおいて形成され、そしてさらに該気泡ポリマーは、CE/CT、CV/CT及びCH/CTによって表される異方性挙動を示し、CE、CV及びCHは、25%歪みまで歪み速度0.08 s-1で、圧縮される試験片表面よりも広い平面状プラテン間で25〜50 mm厚の気泡ポリマー試料を圧縮することにより測定して、3つの直交方向E、V及びHのそれぞれにおける該気泡ポリマーの圧縮強度をそれぞれ表し、CTは、CE、CV及びCHの和を表し、そしてCE/CT、CV/CT及びCH/CTのうちの少なくとも1つの値は、約0.40〜約0.80である。
【００１３】
本発明はまた、乗物のための衝撃吸収部材であって、使用中に該衝撃吸収部材は、該衝撃吸収部材を永久変形させるのに十分な衝撃力を吸収することが予想されており、該衝撃吸収部材はエネルギー吸収性気泡ポリマーを含み、該エネルギー吸収性気泡ポリマーは、押出し方向Eにおいて単一のオリフィスを通して発泡性熱可塑性ポリマー組成物から成る塊を押出し、そして、得られた押出されたポリマーを成形して前記特定のジオメトリーにすることにより形成され、該気泡ポリマーの気泡は、押出し方向に対して直交する少なくとも1つの方向Vにおいて、基準0.80≧DV/DT≧0.40 (DVは、該押出し方向に対する前記直交方向における該気泡の平均寸法を表す)、及びDT＝DV＋DE＋DH (DEは、押出し方向Eにおける該気泡の平均寸法であり、DHは、E及びV双方の方向に対して直交する方向Hにおける該気泡の平均寸法である)を満たす平均寸法を有する。
【発明の効果】
【００１４】
本発明の衝撃吸収部材は、動的衝撃用途において予期せぬ良好な性能を発揮する。衝撃吸収部材が、気泡ポリマーの最高圧縮強度の方向が衝撃方向とぴたりと整列するように配向されると、気泡ポリマーは、弾性限度をちょうど超えた歪みまで、40%以上の歪み、そして好ましい事例では50%を上回る歪み及び60%を上回る歪みが生じるまで圧縮されたときに、ほぼ一定の圧縮応力を示す。この特徴は高速動的衝撃用途において発泡体を極めて効果的にする。圧縮応力は、発泡体を変形するのに使用される部材に対して、発泡体によって加えられる力の尺度であり、変形用部材によって発泡体に加えられる力に等しく、この力に対して相反する。この歪み範囲全体にわたる一定の応力は、この範囲の任意の部分内で発泡体を徐々に圧縮するのに必要となる力が、この範囲の任意の他の部分内で発泡体を徐々に圧縮するのに必要となる力とほぼ等しいことを意味する。
【００１５】
この効果は、政府、工業界、及び保険業界による種々の試験によって、これらの発泡体の性能において明示されている。例えば頭部衝撃保護装置のための重要な試験は、連邦自動車安全基準(FMVSS) 201Uである。この試験は、下でより詳しく説明するが、乗物の衝突による頭部負傷のリスクを示すように意図された「HIC(d)」値を定義する。FMVSS 201Uによれば、この試験に基づくHIC(d)は1000未満であるが、しかし製造業者は、追加の安全性ファクターを提供し、そして部品間の変化に対応するために、一般に850以下の値を好む。本発明は、これらのレベルを十分に下回るHIC(d)を示す頭部衝撃保護装置を容易に提供し、そしてしばしば、低廉な低密度ポリマー発泡体を使用してこれらの装置を得る。衝撃吸収部材は加えて、下でより詳しく説明する条件下で試験すると、高変形レベルで、高い圧縮効率を示す。
【００１６】
本発明の別の驚くべき特徴は、高分子発泡体が高い連続気泡含有率を有していても、これらの性能レベルを達成できることである。これは予期せぬことである。なぜならば、多くのエネルギー管理発泡体の緩衝性能は、閉じ込められたガスを含有する主に独立した気泡を有することに大きく依存するからである。これらの独立気泡を圧縮すると、気泡内の圧力が高まり、そしてこのような圧縮は、発泡体の圧縮強度に関与する。主に連続気泡を有する気泡構造によって良好な圧縮特性が得られることは予期せぬことである。なぜならば、気泡内ガス圧の関与が大幅に低減されるからである。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１７】
本発明の衝撃吸収部材は、エネルギー吸収性気泡ポリマーを含む。たいていの場合、気泡ポリマーは、何らかの特定のジオメトリーを有することになる。「特定のジオメトリー」とは、単に、気泡ポリマーの外部寸法及び形状が、その具体的な用途に必要とされる特定のデザイン及び／又は審美的外観に見合うように或る特定の方法で適合されることを意味する。これらの適合はとりわけ、例えば衝撃吸収部材の別の構成部分又は別の部品又は集成体に気泡ポリマーを装着するのに必要な具体的な形状、スタイル又は外観を考慮するのに必要とされる、又は所望される具体的な形状、又は所望の衝撃吸収特性を提供するのに必要とされる、又は所望される具体的な形状を含んでよい。たいていの事例において、特定のジオメトリーは、気泡ポリマーを押出し又はモールディングにより所望の形状にするか、又は予め調製された発泡体を加工(すなわち切削、フライス削り及び／又は旋盤加工)することにより、気泡ポリマーに付与される。
【００１８】
この気泡ポリマーは、その異方性挙動によって特徴付けられる。気泡ポリマーの異方性挙動は、種々異なる方向において圧縮されたときに、その圧縮強度によって確立される。或いは、気泡ポリマーの異方性挙動は、下で述べるように、1つの方向において、他の2つの直交方向におけるよりも平均して大きい気泡を有することにより達成される。
【００１９】
発泡体の圧縮強度を3つの直交方向E、V及びHにおいて評価すると、異方性圧縮強度が確立される。測定されたこれらの圧縮強度CE、CV及びCHはそれぞれ、これらの圧縮強度の和CTに関連していて、CE/CT、CV/CT及びCH/CTのうちの少なくとも1つの値が、少なくとも0.40、好ましくは少なくとも0.44、より好ましくは少なくとも0.45、さらに好ましくは少なくとも約0.48、そして特に少なくとも約0.50、最大で約0.80(例えば最大約0.70又は最大約0.65)であるようになっている。CE/CT、CV/CT及びCH/CTの和は、もちろん常に1となる。完全等方性気泡ポリマーの場合には、CE/CT、CV/CT及びCH/CTのそれぞれが等しく0.33となる。しかし、CE/CT、CV/CT及びCH/CTのうちのいずれかが0.33を上回ると、他の2つのうちの少なくとも一方の値は0.33未満となる。好ましい押出し型気泡ポリマーの場合、方向Eは押出し方向であり、方向Vは、押出しダイから出た後の気泡ポリマーの鉛直膨張方向であり、そして方向Hは、押出しダイから出た後の気泡ポリマーの水平膨張方向である。方向E、V及びHは、他の方法で形成された気泡ポリマーに関しては、任意に指定される。押出し型気泡ポリマーの場合、CV/CT及びCH/CTのうちの一方又は両方は少なくとも0.40であり、そしてCE/CTの値は0.33未満である。それというのもこのことは、製作コストを削減し、より多くの部分が気泡ポリマーの単一片から形成されるのを可能にするからである。
【００２０】
CE/CT、CV/CT及びCH/CTの圧縮強度値は、圧縮される試料表面の面積よりもそれぞれ広いサイズの可動平板と定置平板との間で25〜50 mm厚の気泡ポリマー試料をほぼ23℃で圧縮することにより、別々に測定される。試料は、歪み速度0.08 s-1で直交方向E、V及びHのそれぞれで別々に圧縮され、そして気泡ポリマーの圧縮強度は、それぞれの事例において、25%歪み(すなわち気泡ポリマーはその元の厚さの75%まで圧縮される)で計算される。材料試験システム又はInstron圧縮機械がこの目的に適している。歪み速度は、試料が圧縮される速度(mm/秒)を元の試料厚(mm)で割算したものと定義される。歪み速度0.08 s-1を得るためには、試料厚に対して可動板の速度を調節することが必要である。圧縮強度値CE、CV及びCHは、25%歪みにおける負荷変換器によって記録された過渡的な力を、圧縮力に対して法線方向の試料断面積で割算することにより計算される。CTは、CE、CV及びCHの和である。
【００２１】
気泡寸法の異方性は、標準的な気泡サイズ測定法、例えばASTM D3576を用いて検出される。気泡を直交方向E、V及びHのそれぞれにおいて測定することにより、これらの方向のそれぞれにおける平均寸法(それぞれDE、DV及びDH)を検出する。DE、DV及びDHの和を計算し、そしてこれをDTと称する。比DE/DT、DV/DT及びDH/DTのうちのいずれかが少なくとも0.40、好ましくは少なくとも0.44、より好ましくは少なくとも0.45、さらにより好ましくは少なくとも約0.48、そして特に、少なくとも約0.50、最大約0.80、好ましくは最大約0.70、そして特に最大約0.65である。前述のものと同様に、好ましい押出し型気泡ポリマーの場合、方向Eは好ましくは押出し方向であり、方向Vは、押出された後の発泡体の鉛直膨張方向であり、そして方向Hは、押出された後の発泡体の水平膨張方向である。好ましい押出し型発泡体の場合、DV/DT及びDH/DTのうちの少なくとも一方の値は、少なくとも0.40であり、そしてDE/DTの値は好ましくは0.33未満である。
【００２２】
一般に、異方性気泡構造は、異方性圧縮強度挙動と十分に相関し、最大気泡サイズの方向は、最高圧縮強度の方向に緊密に対応する。
【００２３】
この異方性挙動を示す気泡ポリマーはいくつかの方法で調製することができる。
【００２４】
所要の異方特性を付与するように適合された押出し法を用いて、熱可塑性ポリマーを気泡材料に形成することができる。これらの押出し法の場合、溶融物を形成し、これをダイを通して、より低い圧力の領域に押出す。ダイは好適には、単一開口、例えばスリット、円形オリフィス、又は犬用骨状開口を含有する。溶融物は典型的には、ポリマー、発泡剤、及び任意には他の添加剤、例えば成核剤、色素、界面活性剤、及び架橋剤などを含む。ダイを出た後、溶融物は、典型的には押出し方向に対して直交する鉛直方向及び水平方向で膨張し、そして冷却することにより、気泡ポリマーを形成する。
【００２５】
異方特性は、少なくとも2つの方法で押出し型気泡ポリマーに付与することができる。一方の方法の場合、押出された溶融物の膨張は、少なくとも1つの方向で制約されるのに対して、気泡は少なくとも1つの直交方向で自由に膨張することが許される。これは細長い気泡、及び気泡の細長い寸法方向に最高圧縮強度を有する気泡ポリマーを生成する傾向がある。任意の特定の方向における溶融物の完全な膨張を防止する物理的バリヤを導入することにより、気泡の膨張を前記方向で制約する一方、直交方向における自由な又はほぼ自由な膨張を許すことができる。典型的には、この方法は、鉛直方向又は水平方向(押出し方向に対して直交方向)に伸長された気泡を生成するのに好都合である。この方法を用いて、鉛直方向に伸長された気泡を生成することが最も好ましい。
【００２６】
押出し型気泡ポリマー中に異方特性を導入する別の方法は、押出された溶融物が制約されない状態で膨張し、続いて、結果として生じた気泡ポリマーを延伸又は圧縮するのを可能にすることにより、気泡を特定の方向に伸長又は短縮することである。連続的な押出しライン上では、このことは、ポリマーがまだ若干軟質である間に、押出し速度よりも僅かに高い又は僅かに低い速度で、発泡体をラインから引出し、押出し方向においてそれぞれ伸長又は圧縮することにより、達成することができる。このことは、膨張させられたばかりの発泡体を鉛直方向又は水平方向(押出し方向に対して直交方向)に機械的に圧縮することにより、行うこともできる。押出し方向に圧縮された気泡を生成することが好ましい。
【００２７】
熱可塑性発泡体を形成するための押出し法が、極めてよく知られている。具体的なこのような方法は、例えば米国特許第3,644,230号、同第4,129,530号、同第4,395,510号、同第4,554,293号、同第4,623,671号、同第4,624,969号、同第4,640,933号、同第5,059,376号、同第5,242,016号、同第5,527,573号、同第5,405,883号、同第5,567,742号、同第6,174,471号、及び同第6,417,240号の各明細書に記載されている。伸長された気泡を有する押出し型気泡ポリマーの具体的な製造方法は、例えば英国特許第1,099,313号明細書、国際公開第03/102064号パンフレット、米国特許第4,510,268号明細書、及びドイツ国第4408928号明細書に記載されている。
【００２８】
押出された発泡体は、異方特性を導入するための後続の処理工程において、発泡体をこれが形成され得る温度まで加熱し、そして発泡体を1つの方向に圧縮且つ／又は伸長することにより、処理することもできる。
【００２９】
気泡ポリマーはいわゆる「ビード発泡体」法で形成することもできる。この方法の場合、発泡剤を含有する粒状熱可塑性樹脂粒子を加熱することにより、樹脂を軟化し、そして発泡剤を揮発させ、これにより、個々の粒子が膨張して、気泡塊を形成する。このような「ビード発泡体」及びこれらの形成方法は、例えば米国特許第3,066,382号、同第3,188,264号、同第3,251,728号、同第4,839,396号、同第4,866,098号、同第4,912,140号の各明細書に記載されている。少なくとも1つの方向では、膨張しつつある塊を束縛する一方、少なくとも1つの直交方向では膨張塊が自由に又はほぼ自由に膨張するのを許すことにより、結果として生じる気泡ポリマーに異方特性を付与することができる。ポリエチレン、ポリプロピレン、ポリスチレン及びポリフェニレンオキシド／ポリスチレン・ブレンドが、このタイプの発泡体に特に適したポリマーである。
【００３０】
気泡ポリマーは、反応性発泡法で形成することもできる。この方法の場合、前駆体材料が発泡剤の存在において反応して、気泡ポリマーを形成する。このタイプのポリマーは、最も一般的にはポリウレタン及びポリエポキシド、特に、例えば米国特許第5,234,965号明細書及び同第6,423,755号明細書に記載されているような構造ポリウレタン発泡体である。やはりこの場合にも、少なくとも1つの方向では、膨張しつつある反応混合物を束縛する一方、少なくとも1つの直交方向では反応混合物が自由に又はほぼ自由に膨張するのを許すことにより、このような発泡体に異方特性が付与される。
【００３１】
気泡ポリマーを製造するために、射出成形法を用いることもできる。
【００３２】
気泡ポリマーは有利には、動的衝撃用途のために気泡ポリマーを特に有用にするいくつかの追加の特性を有する。気泡ポリマーは有利には、発泡体が、圧縮される試料表面の面積よりも広いサイズの平板間で、歪み速度0.08 s-1で圧縮されたときに、約10%から少なくとも40%歪みまでの歪み範囲全体にわたってほぼ一定の圧縮応力値を示す。このことと関連した「ほぼ一定」とは、この歪み範囲内で、比C/C25(Cは特定の歪みレベルにおける圧縮応力を表し、そしてC25は25%歪みにおける圧縮応力を表す)が常に0.85〜1.15の範囲内にあることを意味する。好ましくは、気泡ポリマーは、約10%から少なくとも50%歪みまでの歪み範囲全体にわたって、そしてさらにより好ましくは、約10%から少なくとも60%歪みまでの歪み範囲全体にわたって、ほぼ一定の圧縮応力値を示す。
【００３３】
加えて、気泡ポリマーは有利には、少なくとも0.08 s-1の歪み速度で圧縮されたときに、3〜10 %歪みの弾性限度を示す。弾性限度を上回って圧縮されると、気泡ポリマーは永久に歪まされるようになり、そして、圧縮力が解放されたときに気泡ポリマーを圧縮するのに使用されたエネルギーのすべてをもはや回復することができない。このような弾性限度の存在は有意義である。それというのも、このような弾性限度のない発泡体は、広い歪み範囲全体にわたって上述のような応力−歪みの所望の関係を示すことはないからである。
【００３４】
頭部負傷軽減用途のために意図される衝撃吸収部材、例えばヘッドライナー対応手段、及びヘルメットなどの場合、この気泡ポリマーは、0.08 s-1の歪み速度で25〜50 mm厚の試料上で測定して、最大強度方向において25%歪みで、少なくとも200 kPa、好ましくは少なくとも250 kPa、より好ましくは少なくとも290 kPa、最大約700 kPa、特に最大約600 kPaの圧縮強度を示す。気泡ポリマーの密度は一般に、所望の圧縮強度特性を提供するように選択される。気泡ポリマーが高密度であればあるほど、高い圧縮強度を示す傾向がある。頭部負傷軽減用途の場合、気泡ポリマーは有利には、2.5ポンド／立方フィート(40 kg/m3)以下、そして好ましくは2.35ポンド／立方フィート(37.6 kg/m3)以下の密度を有する。好ましくは、密度は少なくとも1.5ポンド／立方フィート(24 kg/m3)である。特に好ましい密度は、約1.75〜約2.2ポンド／立方フィート(28〜35.2 kg/m3)である。これらの圧縮強度及び密度を有する気泡ポリマーは、下により詳細に説明するように、FMVSS 201Uに従って計算して、特に低いHIC(d)を有する傾向がある。頭部負傷軽減用途に使用するための特に好ましい気泡ポリマーは、上述のように試験すると、25%歪みにおける圧縮強度が最大圧縮強度方向で290〜600 kPa、密度1.5〜2.2ポンド／立方フィート(24〜35.2 kg/m3)、及び弾性限度3〜10 %歪みとなる。
【００３５】
連邦自動車安全基準(FMVSS) 214、側方衝撃新車両評価プログラム(LINCAP)、及び米国道路安全保険協会の場合、骨盤負傷保護軽減用途、例えば骨盤用ボルスターにおいて、気泡ポリマーは有利には、0.08 s-1の歪み速度で25〜50 mm厚の試料上で測定して、最大強度方向において25%歪みで、少なくとも150 kPa、好ましくは少なくとも250 kPa、最大約1000 kPa、特に最大約900 kPaの圧縮強度を示す。この広範囲の性能はこれらの用途において、第5パーセンタイルの女性、第50パーセンタイルの男性、及び第95パーセンタイルの女性をシミュレートする広範囲の擬人化衝突試験ダミーを保護するために所望される。これらの用途の場合、気泡ポリマーの密度は有利には、5ポンド／立方フィート(80 kg/m3)以下、そして好ましくは4.5ポンド／立方フィート(72 kg/m3)以下である。好ましくは、密度は少なくとも1.5ポンド／立方フィート(24 kg/m3)である。特に好ましい密度は、約2.1〜約4.0ポンド／立方フィート(34〜64 kg/m3)である。これらのより高い剛性の気泡ポリマーはなおも、幅広い歪み範囲全体にわたって、前述のような所望の応力−歪みプロフィールを示す傾向がある。骨盤負傷防護用途において使用するのに特に好ましい気泡ポリマーは、上述のように試験すると、25%歪みにおける圧縮強度が最大強度方向で200〜900 kPa、密度2.1〜4.0ポンド／立方フィート(34〜64 kg/m3)、及び弾性限度3〜10 %歪みとなる。
【００３６】
胸郭負傷軽減用途、例えば胸郭用ボルスターなどの場合、気泡ポリマーは有利には、前記のように測定して、最大強度方向において25%歪みで、少なくとも100 kPa、好ましくは少なくとも150 kPa、最大約700 kPa、特に最大約500 kPaの圧縮強度を示す。これらの用途の場合、気泡ポリマーの密度は有利には、3.0ポンド／立方フィート(48 kg/m3)以下、好ましくは2.0ポンド／立方フィート(32 kg/m3)以下である。好ましくは、密度は少なくとも約1.25ポンド／立方フィート(20 kg/m3)である。特に好ましい密度は、約1.5〜約2.0ポンド／立方フィート(24〜32 kg/m3)である。これらのより高い可撓性の気泡ポリマーはなおも、幅広い歪み範囲全体にわたって、所望のほぼ一定の圧縮応力を示す傾向がある。胸郭負傷防護用途において使用するのに特に好ましい気泡ポリマーは、上述のように試験すると、25%歪みにおける圧縮強度が最大強度方向で150〜500 kPa、密度1.5〜2.0ポンド／立方フィート(24〜32 kg/m3)、及び弾性限度3〜10 %歪みとなる。
【００３７】
この気泡ポリマーは主に連続気泡型又は独立気泡型であってよい。連続気泡含有率は、ASTM D6226-98に従って好都合に測定される。連続気泡含有率が1〜35%、1〜20%、1〜10%又は1〜5%である主に独立気泡型の気泡ポリマーが有用である。本発明の驚くべき特徴は、材料が前記異方特性を有するのであれば、高い連続気泡含有率、例えば連続気泡含有率が少なくとも35%、40%、又は50%の気泡ポリマーが、この用途において良好に機能する。これらの気泡ポリマーの連続気泡含有率は、90%又は100%という高さであってよい。
【００３８】
気泡ポリマーはさらに有利には、60%歪みで測定して少なくとも70%、好ましくは少なくとも80%、65%歪みで測定して少なくとも60%、好ましくは少なくとも75%、70%歪みで測定して少なくとも55%、好ましくは少なくとも70%、且つ／又は、75%歪みで測定して少なくとも50%、好ましくは少なくとも65%の圧縮効率を示す。60〜65%歪みで本発明により、85%以上の圧縮効率を得ることができる。上記のように歪み速度0.08 s-1で発泡体を圧縮し、そして瞬間荷重及びクロスヘッド変位量を記録することにより、圧縮効率が計算される。圧縮方向に対して法線方向の発泡体試験片の元の断面積で瞬間荷重を割算することにより、過渡応力が計算される。厚さの変化を元の厚さで割算することにより、過渡歪みが計算される。次いで下記関係：
【００３９】
【数１】
2008519891.tif 000003
【００４０】
を用いて、圧縮効率が計算される。上記式中、σは瞬間応力をmPaで表し、εは歪みをmm/mmで表し、そしてσmaxは達成された最大応力をMPaで表す。
【００４１】
気泡ポリマーの気泡の平均サイズ(最大次元)は、ASTM 3756によって測定して、約0.05〜約5.0 mm、特に約0.1〜約3.0 mmであってよい。最大次元において特に約0.9〜約3.0 mm、又は約0.9〜約2.0 mmの、より大きい平均気泡サイズの気泡ポリマーが特に重要である。気泡ポリマーの気泡サイズが上述の範囲内で大きければ大きいほど、気泡ポリマーはしばしばより良好な圧縮効率を高い歪みレベルで有することが判っている。このことはいくつかの事例において、優れた特性が中程度の配向レベル(例えば0.40〜0.50)で達成されるのを可能にする。最小気泡寸法は好ましくは、約0.03〜約0.75 mmである。
【００４２】
発泡体のポリマー相を構成する樹脂は、上記異方特性を有する発泡体に形成することができる任意のものであってよい。頭部損傷防護、骨盤損傷防護、及び胸郭損傷防護用途の場合、このポリマーは好ましくは、前述の圧縮強度特性、密度特性、及び弾性限度特性を有する発泡体を形成することができるポリマーである。
【００４３】
好適なプラスチック樹脂の例は、熱可塑性樹脂及び熱硬化性樹脂を含む。好適な熱可塑性樹脂は、低密度ポリエチレン、高密度ポリエチレン、線状低密度ポリエチレン、実質的に線状の低密度ポリエチレン、ポリプロピレン、エチレン又はプロピレンと他の共重合性モノマー、例えばアクリル酸、酢酸ビニル、メタクリル酸、アクリル酸エステル又はその他のα-オレフィンとの種々のコポリマー、ポリ(アルケニル芳香族)樹脂、1つ又は2つ以上のアルケニル芳香族モノマーとエチレン系不飽和型ニトリルとのコポリマー、アクリロニトリル-スチレン-ブタジエンポリマー、エチレン及びプロピレン以外のα-オレフィンのポリマー、ポリエステル、例えばポリエチレンテレフタレート、及びポリブチレンテレフタレートなど、ポリ塩化ビニル、ポリカーボネート、及びその他の熱可塑性樹脂を含む。好ましい樹脂は熱可塑性樹脂であり、特に低密度ポリエチレン、ポリプロピレン、及びポリ(アルケニル芳香族)樹脂、例えばポリスチレン、スチレンコポリマー、例えばポリスチレン-アクリロニトリル(SAN)樹脂などを含む。特に重要なのは、ポリスチレン、及びスチレンとアクリロニトリルとのブロック又はランダムコポリマーであり、これらのコポリマーは、約0.1〜40重量%、特に約10〜35重量%、そしてより好ましくは約15〜33重量%のアクリロニトリルを含有し、そして重量平均分子量70,000〜約200,000、特に約80,000〜約190,000を有する。このタイプの好適なスチレン-アクリロニトリル樹脂は、ほぼ25重量%のアクリロニトリル及びほぼ150,000のMw、ほぼ31重量%のアクリロニトリル及びほぼ96,000のMw、ほぼ28重量%のアクリロニトリル及びほぼ100,000のMw、ほぼ30重量%のアクリロニトリル及びほぼ168,000のMw、又はほぼ20重量%のアクリロニトリル及びほぼ173,000のMwの樹脂を含む。
【００４４】
好適な熱可塑性樹脂は、発泡剤で溶融処理することにより気泡発泡体構造を形成できるような分子量を有する。好ましい熱可塑性樹脂は、約100℃〜約310℃の温度で気泡ポリマーを形成するように溶融処理可能である。好ましい熱可塑性樹脂の溶融温度は、100℃を上回るがしかし220℃未満であり、特に160℃未満である。好ましい熱可塑性樹脂は、下記例14及び15に関して記載した高温老化試験を用いて、最大80℃、特に最大90℃、そして好ましくは最大100℃の温度まで寸法安定性の気泡ポリマーを形成する。
【００４５】
好適な熱硬化性樹脂は、ポリウレタン、ポリエポキシド、ポリウレタン-ポリイソシアヌレート、及びフェノール樹脂などを含む。
【００４６】
前記のもののうちの2種又は3種のブレンドを使用することができる。樹脂は衝撃改質することができる。
【００４７】
このポリマーは、発泡プロセス、又は結果として生じる発泡体の特性を不所望に妨害することのない添加剤を含有することができる。酸化防止剤、着色剤、充填剤、色素、スリップ剤、及び難燃剤などが共通の添加剤である。
【００４８】
気泡ポリマーは一般に、発泡剤を使用して形成される。好適な発泡剤は物理的発泡剤及び化学的発泡剤の両方を含む。物理的発泡剤は、気体、及び発泡プロセスの条件下で揮発する液体を含むのに対して、化学的発泡剤は、何らかの化学的手段、通常は分解によって発泡プロセスの条件下で気体を生成する。
【００４９】
好適な物理的発泡剤は、二酸化炭素、窒素、アルゴン、及び水などを含む。特に好適な物理的発泡剤は、炭素原子数1〜4のハロカーボン、例えば塩化メチル、塩化エチル、塩化n-プロピル、塩化イソプロピル、及びトランス-ジクロロエチレン；ヒドロフルオロカーボン、例えばフッ化メチル、ジフルオロメタン(HFC-32)、ペルフルオロメタン、フッ化エチル(HFC-161)、1,1-ジフルオロエタン(HFC-152a)、1,1,1-トリフルオロエタン(HFC-143a)、1,1,2,2-テトラフルオロエタン(HFC-134)、1,1,1,2-テトラフルオロエタン(HFC-134a)、ペンタテトラフルオロエタン(HFC-125)、ペルフルオロエタン、2,2-ジフルオロプロパン(HFC-272fb)、1,1,1-トリフルオロプロパン(HFC-263fb)、及び1,1,1,2,3,3,3-ヘプタフルオロプロパン(HFC-227ea)、1,1,1,3,3-ペンタフルオロプロパン(HFC-245fa)、及び1,1,1,3,3-ペンタフルオロブタン(HFC-365mfc)を含む。炭素原子数1〜9の不飽和型又は飽和型の脂肪族及び環状炭化水素、例えばメタン、エタン、プロパン、n-ブタン、イソブタン、n-ペンタン、イソペンタン、シクロペンタン、ヘキサン、シクロヘキサン、ヘプタン、オクタン、プロペン、1-ブテン、1-ペンテン、イソペンタン、及び2,2-ジメチルブタン；炭素原子数1〜5の脂肪族アルコール、例えばメタノール、エタノール、n-プロパノール、及びイソプロパノール；カルボニル含有化合物、例えばアセトン、2-ブタノン、及びアセトアルデヒド；エーテル含有化合物、例えばジメチルエーテル、ジエチルエーテル、及びメチルエチルエーテルも好適である。他の発泡剤とともに水が使用されることがある。
【００５０】
好適な化学的発泡剤は、アゾジカルボンアミド、アゾジイソブチロニトリル、ジニトロソペンタメチレンテトラミン、ベンゼンスルホヒドラジド、4,4-オキシベンゼンスルホニルセミ-カルバジド、p-トルエンスルホニルセミ-カルバジド、トルエンスルホニルヒドラジド、バリウムアゾジカルボキシレート、N,N'-ジメチル-N,N'-ジニトロソテレフタルアミド、トリヒドラジノトリアジン、重炭酸ナトリウム、及びクエン酸を含む。
【００５１】
これらの物理的発泡剤及び化学的発泡剤の混合物を使用することができる。
【００５２】
成核剤(又は気泡制御剤)を使用して、気泡のサイズを制御するのを助けることができる。気泡制御剤は微粒子状固形物、例えばタルク、並びに重炭酸ナトリウムとクエン酸又はクエン酸ナトリウムとの混合物を含む。
【００５３】
気泡ポリマーは、ポリマーの性質及び用途の要件に応じて、難燃剤パッケージを含有してもしなくてもよい。好適な難燃剤は、脂肪族又は芳香族のハロゲン化難燃剤、リン難燃剤、又は窒素含有難燃剤である。単一の難燃剤又は2種又は3種以上の難燃剤の組み合わせを、純粋な形態又は化合物形態で使用することができる。難燃剤は、1種又は2種以上の難燃相乗剤との組み合わせで使用することもできる。
【００５４】
好適なハロゲン化難燃剤が当業者に知られており、これらの一例としては、ヘキサブロモシクロドデカン、トリス(2,3-ジブロモプロピル)ホスフェート、テトラブロモシクロオクタン、ジブロモエチルジブロモシクロヘキサン、ペンタブロモクロロシクロヘキサン、1,2-ジブロモ-4-(1,2-ジブロモエチル)シクロヘキサン、ヘキサブロモ-2-ブテン、1,1,1,3-テトラブロモノナン、トリス(2,3-ジブロモイソプロピル)イソシアヌレート、ジブロモネオペンチルグリコール、トリブロモネオペンチルアルコール、ペンタエリトリチルテトラブロミド、2,4,6-トリブロモフェニルアリールエーテル、テトラブロモビスフェノール-A(TBBA)、テトラブロモビスフェノールAビス(2,3-ジブロモプロピルエーテル)、テトラブロモビスフェノールA-ジアリルエーテル、デカブロモジフェニルエタン、臭素化トリメチルフェニルインダン、ヘキサブロモジフェニルエーテル、オクタブロモジフェニルエーテル、デカブロモジフェニルエーテル、デカブロモジフェニルエタン、1,2-ビス(トリブロモフェノキシ)エタン、1,2-ビス(ペンタブロモフェノキシ)エタン、テトラブロモフタレートのジ-2-エチルヘキシルエステル、臭素化トリメチルフェニルインダン、トリス(トリブロモネオペンチル)ホスフェート、エチレン(N,N')-ビス-テトラブロモフタリミド、テトラブロモフタル酸無水物、ヘキサブロモベンゼン、臭素化インダン、臭素化リン酸エステル、臭素化ポリスチレン、臭素化エポキシ樹脂、及び臭素化ビスフェノールAとエピクロロヒドリンとのポリマー、及びこれらの混合物、又は同様の動態を有するハロゲン化難燃剤が挙げられる。
【００５５】
リン化合物の一例としては、1)トリフェニルホスフェート、トリブチルホスフェート、トリエチルホスフェート、トリメチルホスフェート、トリプロピルホスフェート、トリオクチルホスフェート、ジフェニルメチルホスフェート、トリス-(2-エチルヘキシル)ホスフェート、イソデシルジフェニルホスフェート、イソオクチルジフェニルホスフェート、ビフェニルジフェニルホスフェート、レゾルシノールジクレシルホスフェート、トリキシリルホスフェート、又はトリイソプロピルフェニルフェニルホスフェート、から選択されたホスフェート；2)ホスホネート；3)ホスフィネート；4)ホスフィンオキシド；5)ホスフィン；6)ポリリン酸アンモニウム；及び7)式R4PXのホスホニウム塩(各Rは独立して、置換型又は無置換型、飽和型又は不飽和型、分枝状又は直鎖状の脂肪族部分、又は置換型又は無置換型の芳香族部分から選択され、そしてXは好適な対イオンである)が挙げられる。
【００５６】
難燃相乗剤は、難燃剤、特にハロゲン化難燃剤の効果を高める無機又は有機化合物である。無機難燃剤の一例としては、金属酸化物(例えば酸化鉄、酸化錫、酸化亜鉛、三酸化アルミニウム、アルミナ、三酸化アンチモン及び五酸化アンチモン、酸化ビスマス、三酸化モリブデン、及び三酸化タングステン)、金属水酸化物(例えばアルミニウム三水和物、水酸化マグネシウム)、グラファイト及び膨張可能なグラファイト、ホウ酸亜鉛、ケイ酸アンチモン、スズ酸亜鉛、ヒドロキシスズ酸亜鉛、フェロセン及びこれらの混合物が挙げられる。有機難燃相乗剤の一例としては、ジメチルジフェニルブタン(又はジクミル)、3,4-ジメチル-3,4-ジフェニルヘキサン、ポリ-1,4-ジ-イソプロピルベンゼン(又はポリクミル)、イソシアヌル酸、ハロゲン化パラフィン、リン化合物、及びこれらの混合物が挙げられる。
【００５７】
本発明の衝撃吸収部材に好都合に加工される商業的に入手可能なポリスチレン発泡体は、例えば、全てThe Dow Chemical Companyから入手可能なSTYROFOAM(商標) FREEZERMATE(商標)ポリスチレン発泡体；STYROFOAM(商標) FLOORMATE(商標)ポリスチレン発泡体、STYROFOAM(商標) Highload 40、Highload 60、及びHighload 100ポリスチレン発泡体；Owens Corningから入手可能なFOAMULAR(商標) 250、400、600及び1000ポリスチレン発泡体、Pactivから入手可能なGreenGuard(商標) CMポリスチレン発泡体、及びBASF Aktiengesellschaftから入手可能なSTYRODUR(商標) 2800C、3035CS、4000CS及び5000CSポリスチレン発泡体である。
【００５８】
本発明の衝撃吸収部材は、単一の気泡ポリマー区分を使用して、又は2つ又は3つ以上の気泡ポリマー区分から成る集成体から形成することができる。2つ又は3つ以上の気泡ポリマー区分が使用される場合、前記異方性基準を満たしていることを条件として、個々の区分は同じ又は異なる気泡材料から成っていてよい。好ましい衝撃吸収部材は、気泡材料から成る単層である。本発明の衝撃吸収部材は、追加の構成部分、例えば発泡体が衝撃発生中に押し付けられることになる剛性支持体又は「反応性表面」を含む。衝撃吸収部材は装飾用ボード又は審美的又は機能性構成部材を含むこともできる。
【００５９】
本発明の衝撃吸収部材は、動的衝撃用途において使用するために適合される。この用途の場合、部材は、その弾性限度を超えてこれを圧縮する衝撃条件に曝され、これにより、部材を永久変形させる一方でエネルギーを散逸させるようになっている。このタイプの多くの用途は、衝突時の乗員の安全性が問題となる乗物、例えば自動車、トラック、バン、列車、飛行機、ヘリコプター、及びスノーモービルなどの種々の安全管理部品及び集成体である。具体的な乗物用途は、乗物乗員負傷対応手段、例えば乗物内部(乗員室)内で使用されるものを含む。これらの用途は例えば、ヘッドライナー対応手段、ドアパネル及びこれらの構成部分、例えば骨盤用ボルスター、アームレスト、胸郭用ボルスター、ニーボルスター、ピラー、ヘッドレスト、背もたれ、積荷用床、又は計器盤を含む。
【００６０】
これらの前記用途の多くにおいて、部材は、或る特定の方向から来るエネルギーを散逸させるように構成される。このような事例において、気泡ポリマーは望ましくは、その最大圧縮強度の方向が予想衝撃方向と或る程度整列するように、部材内部で配向される。圧縮強度方向と予想衝撃方向とは望ましくは、互いに45°以内、好ましくは互いに20°以内、そしてさらにより好ましくは互いに15°以内の角度を成している。
【００６１】
頭部負傷軽減用途に使用される場合、本発明の衝撃吸収部材はまた好適には、受動的なエネルギー吸収対応手段の不存在においてほぼ1,430のHIC(d)値を示す3''×16''(7.5×41 cm)プロトタイプシート状金属区分(ボディ・イン・ホワイト(BIW))を有するシート状金属取付具に対して、ほぼ25ミリメートル厚の試料として試験されると、FMVSS 201Uに従って計算して、1000以下、好ましくは850以下、より好ましくは800以下、特に750以下のHIC(d)値を示す。いくつかの事例において、700未満のHIC(D)値が得られる。FMVSS 201Uに従って、部材は試験用サイドレール・ボディ・イン・ホワイト取付具に対する成分レベルの頭部衝撃試験を部材に施す。直交座標系を成して配列された3つのピエゾ抵抗型加速度計を備えたハイブリッドIII自由動作頭型を、衝撃速度約24 km/hrで部材に対して発射する。加速時間中に個々の加速度計の測定値から、頭型の重心の加速度を連続的に計算する。
【００６２】
下記式：
HIC(d)＝0.75446×HIC＋166.4
に従ってHIC(d)を計算する。上記式中HICは、
【００６３】
【数２】
2008519891.tif 000004
【００６４】
であり、上記式中、aRは、合成加速度規模を頭型の重心におけるgの単位で示し、そしてt2及びt1は、36ミリ秒以下だけ離された、衝撃事象中の任意の2つの時点である。
【実施例】
【００６５】
本発明の説明のために下記例を示すが、これらは本発明の範囲を限定するものではない。特に断りのない限り、全ての部分及びパーセンテージは重量で示す。特に断りのない限り、全ての頭部衝撃試験は、公称発泡体厚25ミリメートル、及び3'×16'(7.5×41 cm)反応性表面を用いて実施する。
【００６６】
例1及び2
気泡ポリマー例1は、密度約29.5 kg/m2のStyrofoam(商標) Freezermate(商標)として知られる商業的に入手可能なポリスチレン発泡体から調製される。この製品は、発泡性塊を単一ダイを通して押出すことにより調製されている。その連続気泡含有率は5%未満である。この製品は、圧縮強度が鉛直方向(押出されたときに発泡体が隆起する方向)において最大であるように構成されている。CE/CT、CV/CT及びCH/CTは、この製品ではそれぞれ0.198、0.568、及び0.234であることが測定される。E、V及びHは、それぞれ押出し、鉛直、及び水平方向である。
【００６７】
この製品が60〜70%歪みまで歪み速度0.08 s-1で圧縮されるのに伴って、圧縮応力を測定する。このことは、押出し、鉛直、及び水平方向のそれぞれにおいてくり返す。結果は、図1においてグラフで示した通りである。各事例のデータは、25%歪みにおける過渡応力で割算することにより正規化されている。符号1は、鉛直方向(すなわち最高圧縮強度の方向)における圧縮応力応答を示す。図1に示されているように、この方向における圧縮応力は、約5%歪みにおける弾性限度までシャープに上昇し、次いで、60%以上の歪みに達するまでほぼ一定のままである。このことは動的衝撃用途にとって極めて好ましい応答である。水平方向及び押出し方向(それぞれ符号2及び3で示す)において、圧縮応力はここでもやはり弾性限度までシャープに上昇するが、しかし次いで試料がさらに歪まされるのにつれて上昇し続ける。このデータは、この発泡体が予想衝撃方向と整列した鉛直方向を有するように配向されると、高動的衝撃用途において良好に性能を発揮することを示唆する。
【００６８】
気泡ポリマー例1の圧縮効率が、上述の方法において、60%歪みではほぼ91%、65%歪みではほぼ85%、70%歪みではほぼ77%、75%歪みではほぼ67%と測定される。
【００６９】
気泡ポリマー例1の試料は、受動的なエネルギー吸収対応手段の不存在において1,430のBIW HIC(d)値を示すプロトタイプ取付具に対して、衝撃方向にその鉛直方向を有するように配向されると、HIC(d)値724を示す。
【００７０】
気泡ポリマー例2は、Styrofoam(商標)1〜1/2'' Blue Boardとして商業的に入手可能なポリスチレン発泡体ボード素材から調製される。この製品は、発泡性塊を単一ダイを通して押出すことにより調製されている。その密度は約25.3 kg/m2である。その連続気泡含有率は5%未満である。その最高圧縮強度は鉛直方向にあり、CV/CTは0.443である。
【００７１】
例1に関して記載したのと同様に、気泡ポリマー例2の圧縮応力を60〜70%歪みまで歪み速度0.08 s-1で圧縮させながら、その圧縮応力を測定する。結果は、図1においてグラフで示した通りである。データは、25%歪みにおける過渡応力で割算することにより正規化されている。符号4は、鉛直方向(すなわち最高圧縮強度の方向)における圧縮応力応答を示す。この事例において、圧縮応力は、約5%歪みにおける弾性限度までシャープに上昇し、次いで、約40%の歪みに達するまでほぼ一定のままである。水平方向(それぞれ符号5で示す)において、圧縮応力はここでもやはり弾性限度までシャープに上昇するが、しかし次いで試料がさらに歪まされるのにつれて上昇し続ける。
【００７２】
気泡ポリマー例2の試料は、受動的なエネルギー吸収対応手段の不存在において1,430のボディ・イン・ホワイト(BIW) HIC(d)値を示すプロトタイプ取付具に対して、衝撃方向にその鉛直方向を有するように配向されると、HIC(d)値753を示す。
【００７３】
例3
気泡ポリマー例3は、Styrofoam(商標) 40 HLとして販売されている商業的に入手可能なポリスチレン発泡体から調製される。この製品は、発泡性塊を単一ダイを通して押出すことにより調製されている。気泡ポリマー例3は、密度が約30.4 kg/m2であり、連続気泡含有率が5%未満である。CE/CT、CV/CT及びCH/CTは、この製品ではそれぞれ0.278、0.447、及び0.271である。E、V及びHは、それぞれ押出し、鉛直、及び水平方向である。この製品は、気泡ポリマー例1よりも配向性がいくらか低い。この製品は、気泡ポリマー例1又は2よりも気泡が若干大きい。
【００７４】
例1に記載されているように、この製品を圧縮するのに必要となる圧縮応力を測定する。結果は、図2においてグラフで示した通りである。データはこの場合、正規化されていない。符号11は、鉛直方向における圧縮応力応答を示す。図1に示されているように、この方向における圧縮応力は、約4%歪みにおける弾性限度までシャープに上昇し、次いで、約45%の歪みに達するまでほぼ一定のままである。押出し方向及び水平方向(それぞれ符号12及び13で示す)において、圧縮応力はここでもやはり弾性限度までシャープに上昇するが、しかし次いで試料がさらに歪まされるのにつれて上昇し続ける。このデータは、この発泡体が予想衝撃方向と整列した鉛直方向を有するように配向されると、動的衝撃用途において良好に性能を発揮することを示唆する。
【００７５】
気泡ポリマー例3の試料は、衝撃方向に発泡体の鉛直方向が配向され、そして受動的なエネルギー吸収対応手段の不存在において1,430のBIW HIC(d)値を示すプロトタイプ取付具に対して試験されると、HIC(d)値720を示す。
【００７６】
例4〜19
気泡ポリマー例4-19及び比較試料A、B及びCは、下記表に記載されているような種々の配向型発泡体から調製される。気泡ポリマー例4〜19はすべて、発泡性塊を単一ダイを通して押出すことにより調製されたポリスチレン発泡体である。3つの直交方向(押出し、鉛直、及び水平方向)における圧縮強度に関して、全ての例及び比較試料を評価する。これらの値の最高値を配向度とともに表に示す。密度及びHIC(d)の値も例1と同様に測定し、これらの値は表に報告した通りであり、この場合HIC(d)値は、受動的なエネルギー吸収対応手段の不存在において1,430のBIW HIC(d)値を示すプロトタイプ取付具に対して測定される。
【００７７】
【表１】
2008519891.tif 000005
【００７８】
例5及び比較例Aは配向の効果を示す。例5は中程度に配向されており、その密度及び最大圧縮強度は、比較例Aのものと同様である。しかし、そのHIC(d)は、比較例Aの867に対して839であり、中程度の配向及び若干低めの最大圧縮強度にかかわらず、ほぼ3%の改善を示す。
【００７９】
前記表のデータは、最大圧縮強度が約250〜700 KPa、特に約290〜600 KPaの気泡ポリマーが最適なHIC(d)値を提供することを示唆する。例17で示されるように、最大圧縮強度が高くなればなるほど、気泡ポリマーは著しく剛性になり、HIC(d)値は増大する傾向がある。例4及び18によって、そして或る程度例5によっても示されるように、最大圧縮強度が低くなると、より高いHIC(d)を示す傾向がある。配向は、ポリマーが低密度でこれらの最大圧縮強度を達成するのを可能にすると考えられる。このことはコスト及び重量の観点から望ましい。密度は望ましくは2.5ポンド／立方フィート(40 kg/m3)未満であり、特に約1.75〜2.2ポンド／立方フィート(28〜35.2 kg/m3)である。例、例えば7、8、12及び13によって示されるように、気泡ポリマーが50〜65%まで配向されていると、低い気泡ポリマー密度で、高い最大圧縮強度値を達成することができる。配向度が少なくとも50%であると、極めて良好な結果をもたらす傾向がある。
【００８０】
例6及び7は注目に値する。なぜならばこれらの気泡ポリマーは、最長方向でほぼ1 mmの平均サイズの気泡を有するからである。例6のように、気泡ポリマーが中程度にしか配向されていなくても、大きい気泡はHIC(d)値に恩恵を与えるように見える。例7に示すように、ほぼ1〜2 mmの気泡サイズが50%を上回る配向度と組み合わされると、極めて良好なHIC値が得られる。
【００８１】
例14及び15は驚くべきことに、高い比率の連続気泡を有する気泡ポリマーを使用すると、極めて良好なHIC(d)値を得ることができることを示す。連続気泡型発泡体の使用は、寸法安定性においてさらなる利点を有する。別個の試料を約72時間にわたって85℃及び90℃まで加熱することにより、気泡ポリマー例15と同様の気泡ポリマーを寸法安定性に関して試験する。加熱の前及び後の高さ、幅、及び長さを測定することにより、寸法安定性を見極める。この気泡ポリマーは、85℃で約1.5%、そして約90℃で約7.5〜9.5%の寸法変化を示す。同様の密度を有する独立気泡型気泡ポリマーは典型的には、85℃で5〜10%、そして90℃で20〜30%の寸法変化を示す。
【００８２】
例20
下記配合物からポリウレタン-ポリイソシアヌレート発泡体を調製する：
270-OH#ポリエーテルポリオール      91.9重量部
触媒                                1.0重量部
三量体化触媒                        2.5重量部
有機シリコーン界面活性剤            2.0重量部
水                                  2.6重量部
134当量の3.2官能性高分子MDI          209イソシアネート指数まで
【００８３】
ポリイソシアネートを除いて全ての成分をブレンドし、そしてポリイソシアネートを次いで添加して混合する。混合物を、内径3インチ(7.6 mm)及び長さ12インチ(30.4 mm)の鉛直方向に配向されたポリ塩化ビニル管内に注ぎ込む。この管は、内面にワックス剥離塗膜を有する。発泡体が硬化するにつれて、発泡体を管内部で上方に向かって自由に隆起させておく。指触乾燥状態になるまで発泡体が室温で硬化した後、これを60℃の炉内で2時間にわたって硬化させ、冷却し、そして離型する。結果として生じた発泡体(気泡ポリマー例20)の気泡の細長さはわずかではあるが、しかしこの発泡体の挙動は完全に不透性であり、この発泡体のCV/CTは約0.45である。
【００８４】
同じ発泡体試料を再び試験し、このときの試料は、最大圧縮強度を示す方向に対して直交する方向に配向する。
【００８５】
気泡ポリマー例20は、衝撃方向に発泡体の鉛直方向が配向され、そして受動的なエネルギー吸収対応手段の不存在において1,400のBIW HIC(d)値を示すプロトタイプ取付具に対して試験されると、HIC(d)値706を示す。異なる配向を用いて再び試験すると、このポリマーは、これらの条件下で762のHIC(d)値しか示さない。
【００８６】
例21〜23
気泡ポリマー例21は、約85重量%のスチレンと15重量%のアクリロニトリルとのランダムコポリマーの押出し型発泡体である。押出し条件は、押出し方向に対して直交する方向に伸長された主に独立した気泡を生成するように選択される。押出し方向における平均気泡サイズは0.27 mmである。気泡ポリマー例21のコア密度は25.0 kg/m2である。この発泡体のCV/CTは約77.4である。
【００８７】
気泡ポリマー例22〜23は、下記表に示すような特性を有する同様の発泡体である。HIC(d)値は、気泡ポリマー例22〜23の25 mm厚の試料上で、そして受動的なエネルギー吸収対応手段の不存在において1,414のBIW HIC(d)値を示すプロトタイプ取付具に対して試験されることにより測定される。発泡体は、衝撃方向と整列した最大圧縮強度方向を有するように配向される。結果は下記表において報告した通りである。
【００８８】
【表２】
2008519891.tif 000006
【図面の簡単な説明】
【００８９】
なし
【図１】
2008519891.tif 000007
【図２】
2008519891.tif 000008
【国際調査報告】
2008519891.tif 000009
2008519891.tif 000010
2008519891.tif 000011