能量吸收材料、包含其的头部保护装备及其制造方法

相关申请的交叉引用

本申请要求2022年10月11日提交的美国临时专利申请序列号63/379,013的优先权，该申请的公开内容通过引用整体并入本文。

技术领域

本发明涉及一种用于头部保护装备的能量吸收材料以减少佩戴者头部在多个方向上的线性冲击和角向冲击，特别是基于聚氨酯的能量吸收材料，其被构造成多个设置在头部保护装备的至少与佩戴者头部相邻的内表面上的三维(3-D)插件。本发明还涉及一种用于制造能量吸收材料的方法、相应的3-D插件以及包括该插件的头部保护装备。

背景技术

头盔是一种主要的头部保护装备，用于许多户外活动(如自行车运动)以减轻头部损伤。虽然颅骨骨折和脑震荡是自行车运动中最常见的两种头部损伤，但大多数商用头盔主要侧重于颅骨保护，而对脑震荡损伤的关注较少。直接冲击造成的头部损伤可分为线性冲击或角向冲击。如颅骨骨折和颅内出血的头部损伤主要由线性冲击引起，脑震荡和弥漫性轴索损伤(DAI)主要与角向冲击有关。在现实世界的事故场景中，大多数冲击都是斜向冲击：线性冲击和角向冲击的结合。因此，针对角向冲击的保护与针对线性损伤的保护同等重要。

自行车头盔包括外壳和内层(内衬或衬垫)。外壳通常由刚性聚碳酸酯(PC)壳外部部分和柔性发泡聚苯乙烯(EPS)泡沫内部部分制成。内层展示了各种设计，其中一些设计旨在减少角向冲击。

Peter Halldin等人在2012年11月公告的美国专利号8,578,520中公开了一种用于处理角向冲击的传统设计，描述了一种具有能量吸收外壳和位于能量吸收外壳内部的滑动促进件的头盔。在该专利公开中，滑动促进件是具有四个固定构件或弹性体的滑动件。滑动促进件安装在头盔装置上，滑动件可以侧向移动一定距离。在冲击过程中，转动能可通过滑动面的滑动运动和固定构件的变形来吸收。然而，本发明设计成减少旋转冲击。薄的滑动衬垫不能为线性冲击提供足够的保护。另外，该头盔涉及滑动衬垫和固定构件的复杂且多重的制造过程，这增加了制造成本。

Fredrik Hallander等人在2017年9月公布的国际专利申请公开号WO2017151028中公开了另一种用于处理角向冲击的常规设计，其描述了放置在头盔内部周围的衬垫。该专利公开中的衬垫由可拉伸的外部织物层、润滑硅胶和位于凝胶和外层之间的膜层制成。润滑凝胶提供剪切运动以减少斜向冲击。膜层具有低摩擦，允许在斜向冲击过程中与外层的滑移运动。然而，据报道带有这种衬垫的头盔在一定角度下无法提供足够的角向保护，因此阻止了全方位保护。

James A.Chilson等人在2015年2月公布的美国专利申请公开号US20150047110中公开了另一种解决角向冲击的常规设计，其描述了可以围绕头盔内部放置的蜂窝状插件。该插件的蜂窝形状提供了头盔的高透气性和低密度。每个蜂窝都是中空的，允许了冲击过程中的塌陷和变形，从而减少线性力和角向力。然而，在专利公开中没有提供与其他旋转保护技术的横向比较和可靠的测试。因此，保护性能仍然不清楚。此外，蜂窝插件是刚性的，可能划伤佩戴者的头部，造成佩戴者的不适。细胞状结构需要高精度的成型和热焊接技术，这增加了制造成本。

因此，需要一种用于头部保护装备的能量吸收机制的改进的材料和设计，以消除或至少减少上述缺点和问题。

发明内容

因此，本发明的第一方面提供了一种包括多个三维插件的头部保护装备。示例性地，多个三维插件由能量吸收材料制成，所述能量吸收材料为由至少两种组分组成的基于聚氨酯的复合物，至少两种组分中的第一组分包含一种或更多种异氰酸酯、一种或更多种扩链剂和任选的增塑剂；至少两种组分中的第二组分包含至少一种羟基封端的多元醇、催化剂、发泡剂、表面活性剂和聚烯烃。本发明的头部保护装备与设置在头部保护装备至少一个表面上的多个三维插件协同工作，以处理头部保护装备上的角向冲击，这可减少脑震荡对佩戴者头部的影响。

在某些实施方案中，基于聚氨酯的复合物被配制成具有0.3g/cm

在某些实施方案中，基于聚氨酯的复合物被配制成具有等于或低于30kN的穿透力。

在某些实施方案中，头部保护装备的至少一个表面包括头部保护装备的内表面。

在某些实施方案中，由能量吸收材料制成的多个三维插件设置在头部保护装备的内表面上，并构造成多个中空构件。

在某些实施方案中，通过将第一组分和第二组分的均匀混合物在升高的温度、升高的压力下置入模具中持续一段时间直到形成“布丁状”三维结构，多个三维插件被构造成多个中空构件。

在某些实施方案中，多个中空构件在空间上分布在头部保护装备的内表面上。

在某些实施方案中，每个中空构件具有与其他中空构件相同的形状和尺寸(即，长度、宽度、高度、顶表面积/底表面积和/或侧表面积)。

在其他实施方案中，一些中空构件可具有与其他中空构件不同的形状和/或尺寸。

在某些实施方案中，一个或更多个中空构件的形状为圆柱形、近圆柱形或截头圆锥形。

在某些实施方案中，圆柱形、近圆柱形或截头圆锥形中空构件中的每一个具有约9.33mm至约15mm的顶表面直径或底表面直径。

在某些实施方案中，截头圆锥形中空构件的底表面大于其顶表面。

在某些实施方案中，截头圆锥形中空构件具有约10.67mm至约15mm的平均底表面直径和约9.33mm至约13.5mm的平均顶表面直径。

在某些实施方案中，圆柱形、近圆柱形或截头圆锥形中空构件中的每一个具有与另一个相同的侧表面积和从约6mm至约10mm的侧高。

在某些实施方案中，每个中空构件具有至少一个开口端和腔。

在某些实施方案中，一个或更多个中空构件具有两个相对的开口端。

在某些实施方案中，头部保护装备的内表面具有泡沫层作为支承中空构件的基底的基底层，且多个中空构件设置在泡沫层上。

在某些实施方案中，头部保护装备内表面的泡沫层由发泡聚苯乙烯(EPS)泡沫制成。

在某些实施方案中，基底层被构造成碗状或半球形。

在某些实施方案中，基底层被构造成条状结构。

在某些实施方案中，基底层具有约2mm至约5mm的厚度。

在某些实施方案中，基底层上两个相邻中空构件之间的最短距离为约1mm至约2mm。

在某些实施方案中，中空构件的底表面面向头部保护装备的内表面，而中空构件的顶表面面向佩戴者的头部。

在某些实施方案中，中空构件可针对由施加在三维插件上的一轴、二轴或三轴运动产生的线速度或角速度或加速度而变形(可压缩)和/或反应于由施加在三维插件上的一轴、二轴或三轴运动产生的线速度或角速度或加速度。

根据本发明各种实施方案的头部保护装备包括但不限于安全头盔、防撞帽、自行车头盔、摩托车头盔、骑马头盔和登山头盔。

本发明的第二方面提供了一种用于制造在本文所述的第一方面和/或某些实施方案中所述的能量吸收材料的方法，其中该方法包括：

提供第一组分，其包含一种或更多种异氰酸酯、一种或更多种扩链剂和任选的增塑剂；

提供第二组分，其包含至少一种羟基封端的多元醇、催化剂、发泡剂、表面活性剂，以及任选的聚烯烃；和

将第一组分和第二组分以构成至少100的异氰酸酯指数的重量比混合，直到获得均匀混合物。

根据某些实施方案制造的基于聚氨酯的复合物具有0.3g/cm

在某些实施方案中，第一组分和第二组分之间的重量比不小于1∶1。例如，重量比为1:1.1、1:1.2、1:1.3、1:1.4、1:1.5。

在某些实施方案中，第一组分的一种或更多种异氰酸酯选自二苯基甲烷二异氰酸酯、亚苯基二异氰酸酯、甲苯二异氰酸酯、萘二异氰酸酯或其任意混合物。

在某些实施方案中，第一组分的一种或更多种扩链剂选自乙二醇、1,3-丙二醇、二丙二醇、1,4-丁二醇、1,5-戊二醇、1,6-己二醇、二亚乙基三胺、1,2-乙二胺、1,3-丙二胺、1,4-丁二胺、1,5-戊二胺、1,6-己二胺或其任意混合物。

在某些实施方案中，第二组分的至少一种羟基封端的多元醇包括一种或更多种具有30mgKOH/g至350mgKOH/g的羟基值的羟基封端的聚醚多元醇、一种或更多种具有30mgKOH/g至350mgKOH/g的羟基值的羟基封端的聚酯多元醇、一种或更多种具有30mgKOH/g至350mgKOH/g的羟基值的羟基封端的聚烯烃多元醇，或其任意混合物。

在某些实施方案中，羟基封端的聚醚多元醇、羟基封端的聚酯多元醇或羟基封端的聚烯烃多元醇中的每一个具有至少两个羟基基团。

在某些实施方案中，第二组分的催化剂是化合物或多种化合物的混合物，所述化合物各自含有以下化学基团中的至少一者的：吡啶、咪唑、哌嗪、双(2-二甲氨基乙基)、三甲胺、三乙醇胺、1,4-二氮杂二环[2.2.2]辛烷、环烷酸锌和二月桂酸二丁基锡。

在某些实施方案中，第二组分的发泡剂选自水。

在某些实施方案中，第二组分的表面活性剂选自聚硅氧烷。

在某些实施方案中，烯烃是羟基封端的聚烯烃，其包括羟基封端的聚丁二烯(HTPB)。

提供该发明内容是为了以简化的形式介绍构思的选择，这些构思将在下面的具体实施方案中进一步描述。该发明内容不旨在确认所要求保护的主题的关键特征或基本特征，也不旨在用作确定所要求保护主题的范围的辅助。如下文的实施方案所示，公开了本发明的其他方面。

附图说明

附图(相同的附图标记指代相同或功能相似的元件)包含某些实施方案的图，以进一步说明和阐明本发明的上述和其他方面、优点和特征。应当理解的是，这些附图描绘了本发明的实施方案，而不旨在限制其范围。将通过使用附图以附加的具体性和细节描述和解释本发明，其中：

图1是根据本发明一个实施方案的头部保护装备的示意图的仰视图。

图2是根据与图1中相同的实施方案的头部保护装备的示意图的俯视图。

图3是根据与图1中相同的实施方案的头部保护装备的示意图的前视图。

图4是根据与图1中相同的实施方案的头部保护装备的示意图的后视图。

图5是根据与图1中相同的实施方案的头部保护装备的示意图的左侧视图。

图6是根据与图1中相同的实施方案的头部保护装备的示意图的右侧视图。

图7是根据与图1中相同的实施方案的头部保护装备的内表面上的中空构件的等距视图。

图8是根据本发明另一个实施方案的头部保护装备的示意图的仰视图。

图9是根据与图8中相同的实施方案的头部保护装备的示意图的俯视图。

图10是根据与图8中相同的实施方案的头部保护装备的示意图的前视图。

图11是根据与图8中相同的实施方案的头部保护装备的示意图的后视图。

图12是根据与图8中相同的实施方案的头部保护装备的示意图的左侧视图。

图13是根据与图8中相同的实施方案的头部保护装置的示意图的右侧视图。

图14是根据与图8中相同的实施方案的头部保护装备的内表面上的中空构件的等距视图。

图15是根据本发明一个实施方案的布置在条状结构上的中空构件的等距视图。

图16是根据本发明另一个实施方案的布置在条状结构上的中空构件的等距视图。

图17A示意性地示出了根据本发明一个实施方案的中空构件的尺寸。

图17B示意性地示出了根据本发明另一个实施方案的中空构件的尺寸。

图18示意性地示出了根据某些实施方案的中空构件如何对来自多个方向的线性(左列)冲击和角向(右列)冲击作出不同的反应。

图19示意性地描述了如何根据瑞典研究院(RI.SE)制定的标准方案，在头部保护设备或装备覆盖的模拟头部上进行角向冲击试验，其中第一排、第二排和第三排分别描述了x轴、y轴和z轴旋转加速度冲击试验。

图20示出了施加在覆盖有根据如图1至7所示的实施方案的头部保护装备的模拟头部上的沿x轴、y轴和z轴的平移加速度。

图21示出了施加在覆盖有根据与图20中相同实施方案的头部保护装备的模拟头部上的沿x轴、y轴和z轴的角加速度。

图22示出了施加在覆盖有根据与图20中相同实施方案的头部保护装备的模拟头部上的沿x轴、y轴和z轴的角速度。

图23示出了施加在覆盖有根据如图8至14所示的实施方案的头部保护装备的模拟头部上的沿x轴、y轴和z轴的平移加速度。

图24示出了施加在覆盖有根据与图23中相同实施方案的头部保护装备的模拟头部上的沿x轴、y轴和z轴的角加速度。

图25示出了施加在覆盖有根据与图23中相同实施方案的头部保护装备的模拟头部上的沿x轴、y轴和z轴的角速度。

图26示出了施加在分别覆盖有根据图17A和17B所示的两个不同实施方案(4a、4b)的结合有中空构件的头部保护装置的模拟头部上的沿x轴、y轴和z轴的角速度(rot.vel.)(单位为rad/s)(分别为点状纹和斜条纹)，与覆盖有没有任何空心构件的对照头盔的模拟头部上的沿x轴、y轴和z轴的角速度(rot.vel.)(单位为rad/s)(波浪纹)相比。

图27示出了施加在覆盖有根据与图26中相同实施方案的结合有中空构件的头部保护装置的模拟头部上的沿x轴、y轴和z轴的角加速度(rot.acc.)(单位为rad/s

图28示意性地示出了分别根据图15和16中所示的两个实施方案布置的中空构件的六种不同的条状布置(5a-5c和6a-6c)，并且显示了根据本发明的某些实施方案通过三种不同制剂(A、B和C)制备的它们相应的3-D插件的硬度(以肖氏A计)。

图29示出了施加在覆盖有结合有根据如图28中所示对应实施方案(5a-5c)的条状布置的中空构件的头部保护装备的模拟头部上沿x轴、y轴和z轴的角速度(rot.vel.)(单位为rad/s)(分别为点状纹、斜条纹和波浪纹)，与覆盖有没有任何空心构件的对照头盔的模拟头部上的沿x轴、y轴和z轴的角速度(rot.vel.)(单位为rad/s)(棋盘格)相比。

图30示出了施加在覆盖有根据有与图29中所用相同的条状布置的中空构件的头部保护装备的模拟头部上沿x轴、y轴和z轴的角加速度(rot.acc.)(单位为rad/s

图31示出了施加在覆盖有结合有根据如图28中所示对应实施方案6a-6c的条状布置的中空构件的头部保护装备的模拟头部上沿x轴、y轴和z轴的角速度(rot.vel.)(单位为rad/s)(分别为点状纹、斜条纹和波浪纹)，与覆盖有没有任何空心构件的对照头盔的模拟头部上的沿x轴、y轴和z轴的角速度(rot.vel.)(单位为rad/s)(棋盘格)相比。

图32示出了施加在覆盖有结合有与图31中所用相同的条状布置的中空构件的头部保护装备的模拟头部上沿x轴、y轴和z轴的角加速度(rot.acc.)(单位为rad/s

图33示出了根据本发明某些实施方案的由基于聚氨酯的复合物(PU)制成的能量吸收材料与两种常规能量吸收材料(发泡聚苯乙烯或EPS)相比的斜向冲击试验的结果。

本领域的技术人员将理解，图中的元件是为了简单明了而示出的，而不一定是按比例描绘的。

具体实施方式

对于本领域的技术人员显而易见的是，在不脱离本发明的范围和精神的情况下，可以进行修改，包括添加和/或替换。可以省略具体细节以免混淆本发明；然而，撰写本公开是为了使本领域技术人员能够在没有过度实验的情况下实践本文的教导。

如本文所用，术语“异氰酸酯指数”是指所用异氰酸酯当量相对于理论当量的比率乘以100。理论当量等于每当量OH基团一个当量异氰酸酯。例如，当异氰酸酯与一种或更多种多元醇反应时，一个NCO基团与一个OH基团反应。在该实例中，NCO基团的数量等于OH基团的数量，结果是化学计量的NCO:OH比为1.0。

以下实施例旨在帮助理解本发明，但不应被视为限制本发明的范围。本发明的范围应当由所附权利要求限定。

实施例1–能量吸收材料的第一制剂

在该实施例中，提供了包含由两种组分制成的基于聚氨酯的复合物的能量吸收材料的第一制剂。基于聚氨酯的复合物的第一组分包含芳香族二异氰酸酯和扩链剂。特别是，二苯基甲烷二异氰酸酯(MDI)与二丙二醇以90:10的重量比混合以形成第一混合物。第一混合物在使用前于室温搅拌4小时。

聚氨酯复合物的第二组分包含4种不同的多元醇，即多元醇A、B、C和D，其中多元醇A是具有2个羟基基团且羟基值为100mgKOH/g至120mgKOH/g的聚醚多元醇；多元醇B是具有3个羟基基团且羟基值为30mgKOH/g至35mgKOH/g的聚醚多元醇；多元醇C是具有2个羟基基团且羟基值为300mgKOH/g至350mgKOH/g的聚醚多元醇；多元醇D是具有2个羟基基团且羟基值为270mgKOH/g至290mgKOH/g的聚醚多元醇。多元醇A、B、C和D首先以58:30:4:8的重量比混合以形成多元醇混合物，然后与双(2-二甲氨基乙基)、三甲胺、二月桂酸二丁基锡、水、硅油和羟基封端的聚丁二烯(HTPB)以1:10:25:1:5:40的重量比混合，直到获得第二混合物，其中多元醇混合物与其余化合物/化学品之间的重量比为10:1。第二混合物在使用前进一步搅拌。

第一组分和第二组分以1:1.3的重量比混合以形成均匀的混合物。然后将均匀混合物倒入模具中，以形成具有所需三维几何形状的中空构件，然后在加热炉中在50℃的温度下以600psi的压力成型15分钟。所制备的能量吸收材料被构造为具有0.5g/cm

实施例2–能量吸收材料的第二制剂

在该实施例中，提供了包含由两种组分制成的基于聚氨酯的复合物的能量吸收材料的第二制剂。基于聚氨酯的复合物的第一组分包含芳香族二异氰酸酯、扩链剂和增塑剂。特别是，二苯基甲烷二异氰酸酯(MDI)与乙二醇和邻苯二甲酸二(2-乙基己基)酯以87:7:5的重量比混合以形成第一混合物。第一混合物在使用前于室温搅拌4小时。

基于聚氨酯的复合物的第二组分包含2种多元醇，即多元醇A和多元醇B，其中多元醇A是具有2个羟基基团且羟基值为270mgKOH/g至290mgKOH/g的聚醚多元醇；多元醇B是具有3个羟基基团且羟基值为50mgKOH/g至60mgKOH/g的聚醚多元醇。多元醇A和多元醇B以1:1的重量比混合，然后与延迟作用催化剂A400、二月桂酸二丁基锡、水、表面活性剂硅油和羟基封端的聚丁二烯(HTPB)以5:3:1:3:40的重量比混合，直到获得第二混合物，其中多元醇混合物与其余化合物/化学品之间的重量比为15:1。第二混合物在使用前进一步搅拌。

第一组分和第二组分以1:1.3的重量比混合以形成均匀的混合物。然后将均匀混合物倒入模具中，以形成具有所需三维几何形状的中空构件，然后在加热炉中在50℃的温度下以600psi的压力成型15分钟。所制备的能量吸收材料被构造为具有0.35g/cm

应当理解，能量吸收材料的制剂不限于本文所述的实施例，而是可以根据满足个人保护设备的某些标准(例如RI.SE(瑞典研究院)对头盔的旋转冲击测试)的需要或要求而变化。

实施例3–能量吸收材料的第三制剂

在该实施例中，提供了包含由两种组分制成的基于聚氨酯的复合物的能量吸收材料的第三制剂。基于聚氨酯的复合物的第一组分包含芳香族二异氰酸酯和扩链剂。特别是，二苯基甲烷二异氰酸酯(MDI)与二丙二醇以90:10的重量比混合以形成第一混合物。第一混合物在使用前于室温搅拌4小时。

聚氨酯复合物的第二组分包含4种不同的多元醇，即多元醇A、B、C和D，其中多元醇A是具有2个羟基基团且羟基值为100mgKOH/g至120mgKOH/g的聚醚多元醇；多元醇B是具有3个羟基基团且羟基值为30mgKOH/g至35mgKOH/g的聚醚多元醇；多元醇C是具有2个羟基基团且羟基值为300mgKOH/g至350mgKOH/g的聚醚多元醇；多元醇D是具有2个羟基基团且羟基值为270mgKOH/g至290mgKOH/g的聚醚多元醇。多元醇A、B、C和D首先以58:30:4:8的重量比混合以形成多元醇混合物，然后与双(2-二甲氨基乙基)、三甲胺、二月桂酸二丁基锡、水和硅油以1:10:25:1:5的重量比混合，直到获得第二混合物，其中多元醇混合物与其余化合物/化学品之间的重量比为10:1。第二混合物在使用前进一步搅拌。

第一组分和第二组分以1:1.3的重量比混合以形成均匀的混合物。然后将该均匀的混合物倒入模具中，以形成具有所需三维几何形状的中空构件，然后在加热炉中在50℃的温度下以600psi的压力成型15分钟。所制备的能量吸收材料被构造为具有0.5g/cm

下表1比较了根据实施例1和实施例3的制剂制备的能量吸收材料的穿透力，其中两种制剂之间的差异是在基于聚氨酯的复合物的第二组分中一种含有聚烯烃(例如，实施例1中的HTPB)，而另一种不含聚烯烃(实施例3)。

表1：实施例1和实施例3之间的穿透力测试结果

从以上比较中可以看出，第二组分中的聚烯烃在提高能量吸收性能(通过显著降低穿透力)方面发挥着重要作用。

实施例4–碗状基座上能量吸收材料的三维插件的第一种构造

转向图1至图7，从不同的正交视图和等距视图示意性地描绘了作为头盔的头部保护装备。从图1的仰视图中可以看出，头盔的内表面在空间上设置有多个中空构件。从图7中的等距视图来看，中空构件显示为具有近圆柱形的形状，即，其顶表面和底表面都是圆形但尺寸不同，或者是截头圆锥形。顶表面和底表面中的每一个都是端部开放的，从而形成了截头圆锥形结构，在中空构件的中心提供了中空空间。本实施例中的每个中空构件的尺寸为13.5mm(顶表面直径)×15mm(底表面直径)×10mm(高度)。中空构件的基底由厚度为约5mm的基底层支承。在图17A中提供了这种构造和尺寸的图示。在该实施例中，每对两个相邻的中空构件之间的距离从约5mm至25mm变化。在该实施例中，总共30个中空构件在空间上分布在头盔的内表面上。本实施例中的中空构件由根据下文描述的制剂之一制备的能量吸收材料制成。在该实施例中，基底层可以由EPS制成，并且构造成碗状或半球形。中空构件可以通过施用粘合剂或与基底层一起模制而固定在基底层上。基底层和中空构件可以通过任意手段固定在头盔的内表面上，这些手段包括但不限于粘合剂如胶水、树脂、胶带，或联锁机制如魔术胶带(magic tape)或魔术贴/粘扣(Velcro tape/stick)。

实施例5-碗状基座上能量吸收材料的三维插件的第二种构造

转向图8至图14，从不同的正交视图和等距视图示意性地示出了类似于实施例1中头盔形式的另一种头部保护装备。在该实施例中，头盔的内表面也结合有多个中空构件，每个中空构件具有近圆柱形或截头圆锥形，并且分别在其顶表面和底表面处具有两个开口端。每个中空构件的顶表面和底表面是圆形的，但尺寸不同。每个中空构件的顶表面为9.33mm，而其底表面为10.67mm。每个中空构件具有的高度为约6mm。中空构件的基底由厚度为约2mm的基底层支承。在图17B中提供了这种构造和尺寸的图示。在该实施例中，每对两个相邻的中空构件之间的距离从约5mm至25mm变化。在该实施例中，总共60个中空构件在空间上分布在头盔的内表面上。类似于实施例1，本实施例中的中空构件由根据下文描述的制剂之一制备的能量吸收材料制成；基底层可以由EPS制成，并且构造成碗状或半球形；中空构件可以通过施用粘合剂或与基底层一起模制而固定在基底层上；基底层和中空构件可以通过任意手段固定在头盔的内表面上，这些手段包括但不限于粘合剂如胶水、树脂、胶带，或联锁机制如魔术胶带或魔术贴/粘扣。

实施例6–碗状基座上能量吸收材料的三维插件的第三和第四种构造

除了碗状或半球形之外，根据某些实施方案支承中空构件的基底的基底层可以制成条状结构。所述条状结构的两个实施方案分别在图15和图16中示意性地示出。

图15中，在带状基底层上提供了总共9个中空构件，其中每个中空构件的尺寸为13.5mm(顶表面直径)×15mm(底表面直径)×10mm(高度)；基底层具有2mm的厚度。在该构造中，除了沿带状结构的第一对和最后一对中空构件之外，其间的每个中空构件与相邻的中空构件均匀地间隔开(w)2mm。

图16中，在带状基底层上提供了总共16个中空构件，其中每个中空构件的尺寸为9.33mm(顶表面直径)×10.67mm(底表面直径)×10mm(高度)；基底层具有的厚度为2mm。与图15所示的构造不同的是，图16所示构造中的中空构件交替布置成两排以形成“之字形”图案，其中一排上的中空构件与另一排(w)上的相邻中空构件间隔开1.5mm。

图17A和17B示意性地示出了包括其对应基底层的两个截头圆锥形中空构件。这两个中空构件已经在本发明的某些实施方案中使用，但不应被视为对本发明中中空构件的尺寸的限制。通常，中空构件的顶表面和底表面具有相同的形状，但尺寸不同。面向头部保护装备佩戴者头部的至少一个表面(例如，顶表面)是端部开放的，腔限定在中空构件的中心。优选地，两个相对的表面，即顶表面和底表面是端部开放的，使得中空空间从中空构件的顶表面穿过中空构件的中心到达底表面，留下布置在基底层上的中空构件的“管”。应当理解，中空空间的横截面的形状或顶部开端的形状不一定与顶表面或底表面的形状匹配。也就是说，中空空间或顶部开端的横截面可以是圆形的，而中空构件的顶表面可以是非圆形的，例如椭圆形的。

图18示意性地示出了本发明的中空构件的示例性实施方案，该构件被构造成近圆柱形或截头圆锥形三维几何形状，其圆形中空空间从中空构件的顶表面穿过中空构件的中心到达底表面。在图18的左列中，当这个近圆柱形或截头圆锥形的中空构件受到施加在中空构件的顶表面上的线性力时，中空构件被朝向基底层压缩。由于中空构件的“管状”几何形状和形成中空构件的基于聚氨酯的复合物材料的可压缩性，在其顶表面上施加线性压缩力的情况下，中空构件的侧向侧壁倾向于向外弯曲，并且中空构件的高度减小。这表明了本发明的能量吸收材料的一个特征，即当受到线性力时的挤压变形(crushing)行为。另一方面，当本发明的示例性中空构件经受非线性力时，例如，围绕中空构件的顶表面在多于一个轴线方向上施加的旋转力，中空构件可以通过旋转和/或剪切来抵消旋转力(图18的右列)。这表明了本方面的能量吸收材料除了抵抗施加在中空构件上的角向冲击的挤压变形行为之外的其他特征。

以下实施例将提供根据本发明不同实施方案的不同构造的能量吸收材料的三维插件的斜向冲击测试的结果，遵循RI.SE提出的头盔旋转加速度测试的标准方案(图19)关于其在吸收和/或减小施加在模拟物体头部上的平移加速度(图20和23)、角加速度(图21、24、27、30和32)和角速度(图22、25、26、29和31)方面的性能。根据该方案，头盔原型被放置在模拟头上。带头盔的头部在三个不同的接触点垂直于45°倾斜砧座(anvil)以6.3m/s自由下落，从而导致沿x轴、y轴和z轴方向的旋转。冲击时，分别记录相对于时间的峰值平移加速度、角加速度和角速度。

实施例7–原型4a和4b针对线性冲击和角向冲击的反应机制

转向图20至图22，测量施加在覆盖有头盔的原型(即原型4a)的模拟头部上的沿三个不同方向(x轴、y轴和z轴)的平移加速度、角加速度和角速度，该原型如图1-7所示，其结合具有图17A所示尺寸的中空构件并由能量吸收材料的制剂A形成。

在图20中，施加在模拟头部上的沿x轴的平移加速度的峰值最小，而沿y轴和z轴的平移加速度峰值相似。在图21中，施加在模拟头部上的沿x轴的角加速度的峰值最小，其次是沿y轴的角加速度，沿z轴的最大。在图22中，施加在模拟头部上的沿x轴的角速度的峰值最小，其次是沿y轴的角速度峰值，沿z轴的角速度峰值最大。

转向图23至图25，测量施加在覆盖有头盔的原型(即原型4b)的模拟头部上的沿三个不同方向(x轴、y轴和z轴)的平移加速度、角加速度和角速度，该原型如图8-14所示，其结合有具有图17B所示尺寸的中空构件并由能量吸收材料的制剂B形成。

在图23中，沿x轴、y轴和z轴的平移加速度的峰值相似。在图24中，施加在模拟头部上的沿y轴的角加速度的峰值最小，其次是沿z轴的角加速度，沿x轴的角加速度最大。在图25中，施加在模拟头部上的沿z轴的角速度的峰值最小，其次是沿x轴的角速度峰值，沿y轴的角速度最大。

转向图26和图27，就施加在模拟头部上的沿三个不同方向(x轴、y轴和z轴)的旋转速度(图26)和旋转加速度(图27)而言，提供了头盔原型4a和4b与未结合任何中空构件而仅具有EPS泡沫层的对照头盔(坯件)的比较。总体而言，与原型4a相比，具有比原型4a更小尺寸的中空构件且更高密度的中空构件的原型4b导致沿三个不同方向的旋转速度较低；原型4b导致沿x轴和z轴的旋转加速度比原型4a更低，但沿y轴的旋转加速度略高于原型4a。

实施例8–原型5a-6c针对角向冲击的反应机制

转向图28至图32，与没有任何中空构件的对照头盔相比，测试了具有条状布置的中空构件的六种不同的头盔原型在对抗模拟头部上的角向冲击(旋转速度和加速度)方面的性能。

在图28中，分别参照图15和图16中所示的条状布置，六个不同的原型，即5a-5c和6a-6c提供了中空构件的条状布置。原型5a-5c基本上遵循图15中所示的条状布置，以布置分别由能量吸收材料的三种不同制剂(A、B和C)形成的对应的中空构件，并依据图17A中所示尺寸。另一方面，原型6a-6c遵循图16中所示的条状布置，以布置分别由能量吸收材料的三种不同制剂(A、B和C)形成的对应的中空构件，并依据图17B中所示尺寸。由能量吸收材料的不同制剂形成的中空构件的硬度排名如下(按降序排列)：制剂B>制剂A>制剂C。

在图29中，原型5a产生沿所有三个方向的最小旋转速度，其次是原型5b，原型5c产生最大旋转速度。

在图30中，原型5a产生沿x轴的最小旋转加速度，其次是原型5b，原型5c产生沿x轴的最大旋转加速度。然而，原型5b产生沿y轴和z轴的最小旋转加速度，其次是原型5a，原型5c产生沿z轴和y轴的最大旋转加速度。

从图28和图29中的结果可以看出，具有中等硬度(25N/mm

在图31中，原型6a产生沿x轴的最小旋转速度，其次是原型6b，其产生比原型6a稍大的旋转速度，原型6c产生沿x轴的最大旋转速度，尽管差异很小。另一方面，原型6c产生沿z轴的最小旋转速度，其次是原型6b，原型6a产生最大旋转速度，但差异同样很小。有趣的是，原型6a-6c每个都产生沿y轴的旋转速度高于对照头盔(没有任何中空构件)的旋转速度，尽管差异很小。

在图32中，原型6a产生沿x轴的最小旋转加速度，其次是原型6c，原型6b产生沿x轴的最大旋转加速度，尽管差异很小。原型6b和6c产生沿y轴的相似旋转加速度，原型6a产生最大的旋转加速度，但差异非常小。类似地，原型6a和6b产生沿z轴的相似旋转加速度，而原型6c产生最小的旋转加速度，但差异同样很小。此时，与图31中观察到的原型6a-6c相比，对照头盔(没有任何中空构件)产生沿所有三个方向的旋转加速度的差异比旋转速度的差异大得多。

表2总结了通过图28中所示的不同原型施加在模拟头部上的角(旋转)速度(Rot.vel.)和加速度(Rot.acc.)的测量结果。

表2：

总体而言，与对照头盔相比，原型6a-6c可以减少施加在模拟头部上的某些角向冲击，但似乎不如原型5a-5c有效。

另外，表明本发明中具有较低第一组分与第二组分重量比的能量吸收材料的制剂通常比具有较高第一组分和第二组份重量比的制剂更软。换言之，本发明的能量吸收材料的硬度更多地归因于第一组分，而其柔软度更多地归因于第二组分。

为了进一步比较能量吸收材料和EPS泡沫的保护能力，并证明在制造过程中用能量吸收材料代替一定量的EPS泡沫而不损害头部保护装备的保护能力的可能性，对根据本发明一个实施方案制备的密度为0.35g/cm

除了能量吸收材料本身的密度之外，本发明还提出了由能量吸收材料形成的近圆柱形或截头圆锥形的3-D插件的中空构造以及插件在头部保护装备的至少内表面上的空间分布，以形成能量吸收层或衬垫，从而使头部保护装备的能量吸收潜力最大化。特别是，当在道路事故、体育赛事和其他场合(如履行某些具有潜在头部损伤风险的法定职责)发生头部损伤时，对佩戴者头部的影响通常是非线性的。由于要保护的物体(即头部)的表面不是平面，并且对其的冲击通常包括围绕头部的x轴、y轴和z轴的旋转，因此所提出的根据某些实施方案的头部保护装置的内表面上空间分布的中空3-D插件不仅提供了对抗线性冲击的挤压变形机制，还提供了诸如旋转和剪切的其他机制以有效地对抗佩戴者头部上的角向冲击，从而减轻对佩戴者的大脑和他/她的头部的其他结构的任何潜在损伤。

尽管已经根据某些实施方案描述了本发明，但是本领域普通技术人员显而易见的其他实施方案也在本发明的范围内。因此，本发明的范围仅由权利要求限定。

工业实用性

包括构造成由能量吸收材料制成的中空构件的多个三维插件的本发明的头部保护装备不仅适用于自行车头盔头部保护装备，还适用于其他用于不同头盔的保护装备，用作或需要吸收和/或减少线性和非线性冲击的手段。