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专利名称:负荷平衡纱线和织物的制作方法
技术领域:
本发明背景典型的车用安全带系统被设计成当车辆经历突然的、急剧减速时,能限制乘员相对该乘员在车内的乘座位置的运动。参见共同转让的US3,322,163。一个典型的安全带系统具有三个主要部分伸缩带、躯干带、和膝带,而每一个安全带可以力转移曲线为特征。位于所述力转移曲线下面的部分被视为由所述安全限制所吸收的能量。
现有的车辆安全带是由充分拉伸的聚对苯二甲酸乙二醇酯(“PET”)纤维制成,这种纤维可部分放松(%),,断裂伸长量为14%。不过,现有的PET纤维安全带存在着问题。撞车研究表明,在起始的车辆碰撞发生之后,例如(速度大约为35英里/小时),乘员偏向于由其乘座的位置向前移动,直到所系的安全带上产生约束力。如
图1所示,由PET纤维制成的刚性较大的安全带,能在乘员身上产生至少2000磅(大约9000牛顿)的负荷,从而在所述安全带的躯干部位对乘员的胸部和胸廓产生伤害,而且,当乘员被重捆绑并且碰撞到座位装置的背部结构时,还会造成颈部和背部的伤害。
美国政府的规定,要求安全带必须能承受高达6000磅的负荷。当汽车以
35英里/小时的速度撞车时,车中普通体型的人所受到的由躯干带产生的冲击能量至少为500焦耳。尽管现有的PET纤维能够吸收所述冲击能量,但由于不希望的力转移曲线仍然会对车辆乘员造成伤害。如图1所示,在70毫秒时间内,普通体型的乘客会经历高达2000磅(大约9000牛顿)的大力。
为了吸收所述冲击能量,并降低作用于车辆乘员的安全带负荷,美国专利US3,550,957披露了一种安全肩带,该肩带具有由所述织物制成的缝合的两部分,这两部分被设置在乘员的肩部,以便所述线迹容许所述织物在预定约束力的影响下以控制的速度由原始长度向最终长度拉伸。不过,所述缝合部分不能产生所需要量的能量吸收,不能提供均匀的反应,并且不能再利用。同样参见US4,138,157。
US3,530,904披露了一种纺织物,它是通过将具有不同物理特性和能量吸收能力的两种纱线交织在一起而制成的。美国专利US3,296,062;US3,464,459;US3,756,288;US3,823,748;US3,872,895;US3,926,227;US4,228,829;US5,376,440;和日本专利4-257336还披露了由多种具有不同韧度和断裂伸长量的经纱制成的织物。该织物具有多级松弛和冲击吸收特性。本技术领域的技术人员业已认识到使用至少两种不同类型纱线的缺陷,正如前面的参考文献所披露的。US4,710,423和昭开298209(1989年12月1日公开)(“公开
298209”)披露,当使用至少两种不同类型的纱线时,能量吸收以阶梯方式进行,因此,该织物不能连续而又平滑的吸收能量。因此,在一种类型的经纱吸收一部分冲击能量之后,在另一种类型的经纱吸收另一部分冲击能量之前,人体会受到不希望的冲击。另外,这种类型的安全带不能重新利用。
US3,486,791披露了诸如卷绕装置的能量吸收装置,该装置通过夹紧装置将安全带的缓冲部分与拉紧身体的限制部分分开,所述夹紧装置在预定约束力的作用下逐渐放出所述缓冲部分,以使所述拉紧部分伸长,使得受到约束的身体以控制的速度移动。该参考文献还披露了一种装置,该装置通过一个与安全带连接的固定件将安全带固定在车辆上,并且被埋入固体塑料能量吸收器中。这种类型的机械装置昂贵而且不能再利用,产生很小的能量吸收作用,并且难于控制。在普通转让的US5,547,143中披露了对上述装置的改进,该专利披露了一种负荷吸收伸缩器,它包括一个旋转卷筒或卷轴,安全带织物就固定在该卷轴上。以及至少一个可移动的套环,该套环可相应在出现撞车时产生的负荷而运动,使所述卷轴的一部分发生变形,并在这一过程中消散一定量的能量。
US4,710,423和昭开298209披露了由PET纱线组成的织物,所述纱线的韧度至少为4克/旦,最大拉伸量为50%-80%。由于
PET纱线所固有的物理特性,这些例子表明当伸长量为50%,负荷就已达到700kg(大约1500磅以上)。安全带对乘员的伤害仍然存在,因此,需要对安全带作进一步的改进。以上两件专利中的例子还表明,如果PET纱线过分松弛,。
于1995年4月4日公开的昭开90717披露了基于高强度聚对苯二甲酸丁二醇酯同聚物(“PBT”)纤维的能量吸收织物。,%,而在10%。不过,该参考文献未能披露PBT纤维具有起始张力要求,该张力能结合安全带以保护乘员,并且没有披露控制所述起始张力保护的方法。
需要提供一种改进的能量吸收安全带,该安全带与用已知的缝合织物制成的安全带或至少两种不同纤维的已知用途相比具有更平滑的性能,而且与已知的夹紧方法不同,可以再利用,并具有控制起始保护张力和冲击能量吸收能力。
本发明概述我们业已开发出了针对本领域的上述需要的织物。该织物如果用于安全带,会在撞车时表现出从大约450磅(约2000牛顿)至大约1800磅(约8000牛顿)的不同负荷平衡能力。为了满足以上要求,构成该织物的经纱具有一定的力转移曲线,其特征为(a)/旦的起始保护应力时,纱线的伸长量低于3%,而起始模量的范围为大约20克/旦至大约150
克/旦;(b),该纱线会进一步伸长至少大约10%,/旦·米;和(c),所述模量急剧增加,而所述纱线进一步伸长,直到该纱线在抗拉强度至少为大约5克/旦时断裂,其中,所述纱线包括若干纤维,所述所有经纱都具有大体上相同的力转移曲线,由玻璃化温度为大约-40℃至大约+70℃的聚合物制成,而不是由聚对苯二甲酸丁二醇酯同聚物制成。
本文所说的“模量”一词是指所述力转移曲线的斜率。
图2表示本发明纱线和织物之一的力转移曲线。所述起始保护应力在图2中用IBS表示。本发明织物的优点在于,与现有的缝合织物方法或已知的至少两种不同纤维的用途相比,它具有更好的冲击能量吸收和更平滑的性能,它与已知的夹紧方法不同,可以再利用,并且,还具有控制起始保护应力和冲击能量吸收的能力。
通过阅读下面的说明书、附图、和所附权利要求书,可以了解本发明的其它优点。
附图的简要说明图1表示位于躯干部位的已知PET安全带的性能。
图2表示本发明纱线和织物之一的力转移曲线。
图3表示本发明例3纱线的力转移曲线。
图4表示本发明例4纱线的力转移曲线。
图5表示本发明例5纱线的力转移曲线。
-转移-能量曲线。
-转移-能量曲线。
图8表示位于躯干部位的本发明例8的织物的性能。
图9表示位于躯干部位的本发明例9的织物的性能。
优选实施方案的详细说明本发明的纱线具有以下力转移特性。
(a)/旦的起始保护应力时,纱线的伸长量低于3%,而起始模量为大约20克/旦至大约150克/旦。需要高的起始模量,以接合所述安全带,而所述起始保护应力的高度能确保所有的乘员碰撞能量会在随后的力转移曲线的负荷平衡部分的下部被吸收。
(b),该纱线会进一步伸长至少大约10%,/旦·米。所述力转移曲线的这一部分是纤维负荷平衡部分,它能避免乘员经历过大的负荷。
(c),所述模量急剧增加,而所述纱线进一步伸长,一直到该纱线抗拉强度至少为大约
5克/旦时断裂。在包括上述纱线的安全带组件中,即使撞车速度为35英里/小时,乘员躯干部位的负荷也可以降低到450磅(大约2000牛顿)。力的减弱可以减轻或消除乘员的潜在危害。
所述纱线是由一种聚合物制成,该聚合物的玻璃化温度为大约-40℃-大约+70℃,优选大约-20℃-大约+60℃,更优选大约-10℃-大约+40℃。所述聚合物可以是同聚物、无规共聚物、二嵌段共聚物、三嵌段共聚物、或嵌段共聚物。优选同聚物的例子包括聚对苯二甲酸亚丙基酯;聚对苯二甲酸异丁基酯;和长链聚对苯二酸亚烃酯和萘二酸亚烃酯聚合物。
优选无规共聚多酯的例子包括这样的共聚多酯,它除了对苯二酸乙二醇酯之外,该含有己二酸乙酯、癸二酸乙酯、或其它长链对苯二酸亚烃酯单位的成分。该成分的含量优选大于10%。
优选嵌段共聚物的例子包括二嵌段、三嵌段、和嵌段结构。嵌段共聚物包括至少一种硬的结晶芳族聚酯嵌段和至少一种软的非晶形脂族聚酯嵌段。所述晶形芳族聚酯包括同聚物(如聚对苯二甲酸乙二醇酯;聚对苯二甲酸亚丙基酯;聚对苯二甲酸丁二醇酯;聚对苯二甲酸异丁基酯;聚(2,2-二***对苯二甲酸丙二醇酯);聚[二-(羟***)对苯二甲酸环己基酯];聚萘二酸乙二醇酯;聚萘二酸丁二醇酯;聚[二-(
羟***)萘二酸环己基酯];其它聚萘二酸亚烃或环亚烃酯和混合的聚酯,该聚酯除了所述对苯二甲酸乙二醇酯之外,还含有诸如间苯二酸乙二醇酯;己二酸乙二醇酯,癸二酸乙二醇酯;1,4-环己基对苯二甲酸二甲酯;或其它长链对苯二甲酸亚烃酯单位的成分。还可以使用芳族聚酯的混合物。更优选的芳族聚酯包括PET和PEN。对于非晶形芳族聚酯嵌段来说,它是由内酯单体制成,ε-己内酯是最优选的。另外,还可以使用丙醇酸内酯、丁内酯、戊内酯、高级环内酯,以及两种或两种以上类型的内酯。在使用PBT时,所述非晶形脂族聚酯嵌段的用量大于10%。
申请日为1997年1月22日的普通转让的待批专利申请流水号08/788,895(题为二嵌段聚酯共聚物及其生产方法)和申请日为1997年3月18日(与本申请的申请日相同)的普通转让的部分后续待批专利申请流水号——(题为二嵌段聚酯共聚物及其生产方法)所披露的内容被收作本文的参考文献。
优选的二嵌段共聚物的例子包括这样的共聚物,它包括(a)由聚酯组成的第一种嵌段,其中所述第一种嵌段是由芳族聚酯组成,和(b)由聚酯组成的第二种嵌段,其中所述第二种嵌段是由内酯单体组成。更优选地,所述芳族聚酯具有(ⅰ)用重量比为60/40的苯酚和四***,和(ⅱ)在280℃下的牛顿熔化稠度至少大约为7000泊。优选芳族聚酯的例子包括聚对苯二甲酸乙二醇酯
(“PET”);聚萘二酸乙二醇酯(“PEN”);聚对苯二甲酸丁二醇酯(“PBT”);聚萘二酸丁二醇酯;聚[二-(羟***)对苯二甲酸环己基酯];聚[二-(羟***)萘二酸环己基酯];聚对苯二甲酸亚丙基酯;聚对苯二甲酸异丁基酯;聚(2,2-二***对苯二甲酸丙二醇酯);其它聚萘二酸亚烃或环亚烃酯和混合的聚酯,该混合聚酯除了对苯二甲酸乙二醇酯单位之外,还含有诸如间苯二酸乙二醇酯;己二酸乙二醇酯,癸二酸乙二醇酯;1,4-环己基对苯二甲酸二甲酯;或其它长链对苯二甲酸亚烃酯单位的成分。还可以使用芳族聚酯的混合物。还可以使用市售芳族聚酯。更优选的芳族聚酯包括PET和PEN。用重量比为60/40的苯酚和四***,。对于PET的更优选Ⅳ,。优选的内酯包括ε-己内酯,丙醇酸内酯,丁内酯,戊内酯,和高级环内酯。可以同时使用两种或两种以上类型的内酯。
为了用于负荷平衡安全带,所述PET-聚己内酯二嵌段共聚物的聚己内酯的浓度优选为大约10%-大约45%,更优选大约20%-大约30%的重量百分比。在二嵌段共聚物中,所述聚己内酯的浓度可以改变,以便获得需要的起始保护应力和冲击能量吸收,并具有负荷平衡性能。
用于内酯聚合的催化剂可用于所述二嵌段的共聚化。优选的催化剂是基于以下金属的有机金属,如锂、钠、钾、铷、铯、镁,无机酸盐,氧化有机酸盐和钙、钡、锶、锌、锂、钛、钴、锗、锡、铅、锑、***、铈、硼、镉和锰的醇盐;及其有机金属复合物。更优选的催化剂是锡、铝和钛的有机酸盐和有机金属化合物。最优选的催化剂是二酰化锡、四酰化锡、氧化二丁基锡、二丁基二月桂酸锡、辛酸锡、四乙酸锡、三异丁基锂、四丁基钛、二氧化锗、三氧化锑,这些金属的卟啉和酞菁复合物。可以同时使用两种或两种以上类型的催化剂。有用的催化剂可以通过商业渠道获得。
优选地,%-%。
将所述芳族聚酯加入压出机。可以将所述芳族聚酯熔化然后再加入所述压出机,或者先将芳族聚酯加入所述压出机,然后再在压出机中熔化。我们已发现优选的压出机是双螺杆压出机,因此,使得该聚合熔融物与具有很大稠度差别的材料的混合和反应变得较容易。有用的双螺杆压出机可以通过商业渠道获得。
优选的双螺杆压出机是反转双螺杆压出机,它具有一个反向的模,因此,与其它压出机相比,它具有良好的分散混合,紧凑的驻留时间分布,和有效的脱挥发分作用。该螺杆的特征被设计成能输入聚酯颗粒、聚酯颗粒熔化、内酯单体注射、混合、反应、脱挥发分作用、和最终的丸化或纺丝。所述压出机的设计还能输送所述原始芳族聚酯熔融物。最有效的分散和分布混合必须发生在所述内酯单体注入该聚酯熔融物的部位。