缓冲制品的制作方法

1.本发明涉及对空气缓冲的改进，并且更具体地涉及从此种改进中获益的各种缓冲制品。


背景技术：

2.在各种缓冲制品比如座椅、床垫、鞋类、安全服、软机器人装置等的构造中已知包括具有气室的缓冲元件作为用于为制品的使用者和制品本身提供舒适性、身体支撑、弹性和撞击减震器的工具。
3.作为一个具体的示例，在过去的一个世纪中，数十家鞋业公司已经研发出了技术以获得在鞋底和鞋类的大底(undersoles)中采用气动气室(缓冲元件)的好处。与多数弹性材料替代品不同，气室很有吸引力，因为它们非常轻、实现了柔软缓冲的效果，并且在结构内用作弹簧的空气无论是否压缩都不会随着时间的推移产生磨损或性能降低。
4.采用一个或多个第一加压气室(例如气室)的缓冲元件具有实现改善隔震的缓冲制品的可能，并且在鞋类的情况下，例如当足部并且尤其是足跟在跑步或跳动的过程中与地面产生强烈冲击时这是需要的。典型充气腔室是由有弹力的(弹性的)可变形聚合物材料构成，这些材料特性与腔室内的加压气体一起作用，以允许腔室弹性偏转以及隔震；这类似于充气的自行车内胎。wo96/39885描述了这种系统，其中充气气囊是由基于可弹性变形、耐气体传输的聚酯多元醇的聚氯酯膜构成，其具有良好柔性和耐用性。
5.当缓冲元件(例如在鞋的鞋底内或坐垫或床垫内)包括一个或多个第一加压气室时，该气室允许响应于相当长行程以响应重冲击，实现了高水平的隔震。冲击事件的持续时间由此延长，震动强度降低。阻尼材料通常靠近此第一加压气室或者甚至在此第一加压气室中起作用，以随着第一加压气室趋近于峰值压缩而消散来自此冲击的能量。尽管具有这些好处，但是在所有应用中都不期望该第一加压气室太深，首先因为这将使得缓冲制品不必要地大，使用起来可能麻烦以及不够美观(例如在鞋类的例子中，鞋底将过厚)，其次，压缩气室越深，将越具柔性，即当承受施加的力时其将更易经历弹性变形。在许多缓冲制品中，例如床垫、坐垫、鞋类和软机器人装置，采用包括一个或多个过于柔性的第一加压气体储室的缓冲元件将无法为用户提供期望水平的支撑。这些问题中的一些看起来至少部分由wo2008/083408a2中公开的缓冲材料解决。在所描述的结构中，包括多个充气腔室的缓冲材料是由可弹性变形的聚合物片材构成。另一种材料或装置(比如织物或非织物、纸张、聚合物材料、聚合物凝胶、凝胶填充的球囊装置、弹簧或泡沫聚合物材料)可被布置在一个或多个腔室中以增强缓冲材料的减震特性。这些描述的缓冲材料的缓冲和减震特性结合内部空气依赖于构造充气腔室的聚合片材的弹性变形能力，还有在包括另一个材料时依赖于聚合物材料、凝胶材料和弹簧的固有弹性变形能力。
6.在训练鞋或运动鞋的鞋底内、包含一个或多个第一加压气体储室的缓冲元件的特定情况中，当穿着者跑步或执行快速动作时，保持脚底的“感觉”以及通过保持鞋底整体合理稳固而最大化跑动回弹效率很重要。对于足部、脚跟和脚踝而言，横向和轴向的稳定性也
很关键，并且位于鞋底或鞋跟下方或周围的过软气室将促使过度翻滚，使穿着者处于失去良好控制的风险或者更糟糕地“踩到他们的脚踝”。但是，现有已知的缓冲制品所存在的主要突出问题是缺少能够响应于冲击事件的水平和/或持续时间为用户提供缓冲和减震程度的任何装置。
7.由此，需要一种技术，其在正常使用期间控制包括在缓冲制品(比如座椅、床垫、鞋类、软机器人装置或安全佩戴物品等)中的缓冲元件的刚度，并且同时确保了在主要冲击事件期间保持此缓冲元件的柔性或柔软性的水平，由此在最需要的时候提供高水平的缓冲。
8.另外，需要一种技术，其允许缓冲制品内使用的单独空气缓冲元件在相似压力下的柔顺响应能够彼此独立地加以控制，并且允许轻松且可靠地实现这种控制。
9.此外，需要一种技术，其提供了相较于具有已知缓冲元件的类似制品具有改进的回弹特性的缓冲制品。
10.另外，需要一种技术，其提供了具有一个或多个缓冲元件的缓冲制品，与现有冲击元件的共振频率和冲击传递率相比，该缓冲元件在经受剧烈突然冲击事件时具有较低的共振频率，并且在大而温和的冲击事件下经历降低的冲击传递率。
11.最后，需要一种技术，其允许采用由本技术人提出的对空气缓冲的改进而对缓冲制品进行高效且成本低的加工，并且生产坚固且适于用途的缓冲制品。
12.在上文描述类型的充气缓冲元件的情况中，可以通过研究其内部的加压气体的弹性性能确定其刚度(或者压缩性)。术语“静态体积模量”(由常数“k”表示)可用于衡量加压气体在所有侧受压时承受体积变化的能力，其等于在对缓冲元件的外表面施加压力所得到的缓冲元件内部增加的压力除以所得的相对减小的体积的商。
13.该商还通过以下等式表示：
[0014][0015]
其中，v0是缓冲元件内固定量气体的初始体积，dp是压力的变化(由于施加至缓冲元件的外表面的压力导致的新的压力和初始压力之间的差值)，dv是由于施加压力的作用引起的体积变化。
[0016]
与理想气体一样，用于空气的静态体积模量通常据报道等于静态压力。(在标准压力下为101.3kpa)。出于方便，下文采用由静态压力归一化的值：
[0017][0018]
由此，密封的气体体积的归一化的体积模量的值通常约为1。
[0019]
如下文详述，由位于形成本发明的缓冲制品的部分的缓冲元件内部的吸附材料(例如活性炭)占据的空气体积分数能为＜1、优选≤0.95、非常优选≤0.8且极其优选0.5至0.8。
[0020]
动态体积模量与气体在承受快速压缩(即具有冲击频率)时的弹性有关，其中不会与周围环境进行热交换，从而在密封空腔中积聚的压力高于静态情形。此种情形被称作绝热过程并且尤其与跑鞋的鞋底相关，跑鞋的鞋底在使用时将会随着每一步反复且快速地冲击，并且鞋底内的充入加压气体的缓冲元件将反复压缩。缓冲元件的每次压缩均会产生热，该热将继而引起缓冲元件内的气体膨胀并且使其压力增加。跑鞋的穿着者体验的结果是鞋
在冲击过程中变硬、缓冲水平降低并且由此影响鞋的舒适性。
[0021]
空气的归一化动态体积模量大于1，并且通常约为1.4(等于空气的热容比)。


技术实现要素：

[0022]
本发明的申请人已经找到了控制缓冲元件内加压气体的动态体积模量的方法。具体地，本发明提供了包括一个或多个缓冲元件的缓冲制品，该缓冲元件包括包含在一个或多个第一加压气体储室中的加压气体，其中加压气体的动态体积模量在从1hz至50hz的冲击频率范围内使用时低于在缓冲元件中加压气体预期的动态体积模量。例如，空气的预期归一化动态体积模量如上所述大于1.4，但是吸附材料比如位于形成本发明的部分缓冲制品的缓冲元件内部的活性炭能占据一部分空气能够达到《1、优选≤0.95、高度优选≤0.8且极其优选0.5至0.8的结果。
[0023]
这些数据是采用任何标准高孔隙率填充材料都无法实现的；这些材料能通过充当散热器而降低刚度的绝热上升，并且这可能会略微减小动态体积模量，但k的值始终大于1。
[0024]
由此，本发明提供了一种选自鞋类、缓冲座椅、枕头、床垫、带有空气袋或气体袋的床、充气床、矫形支撑装置、矫形内底、软机器人装置、安全帽、安全防护服、防弹衣、车辆中的撞击缓冲区、气动可变形的碰撞结构或屏障以及具有多个弹簧刚度的弹簧系统的缓冲制品，该缓冲制品包括一个或多个缓冲元件，所述缓冲元件包括包含在一个或多个第一加压气体储室内的加压气体，其中位于所述一个或多个第一加压气体储室内的加压气体(优选包括空气、还优选包括氮气、并且非常优选包括二氧化碳)的归一化的体积模量k＜1。
[0025]
有利地，在从0.1赫兹(hz)至50hz的频率范围内、优选在从1hz至50hz的频率范围内、特别优选在从2hz至50hz的频率范围内并且尤其优选在从0.5hz至10hz的频率范围内，包含在一个或多个第一加压气体储室中的加压气体将具有k＜1的归一化体积模量。
[0026]
在本发明中，在不带体积模量的辅助或者不带体积模量的分量的情况下，加压气体腔室内部的加压气体的归一化体积模量小于1是由加压气体单独实现的，这是用于构造加压气体腔室的材料的模量的结果。理想情况下，加压气体腔室将由非弹性变形材料构造而成，或者以意味着它们并非弹性可变形的其它方式构造而成。
[0027]
进一步有利地，上文所述的根据本发明的缓冲制品包括一个或多个缓冲元件，该缓冲元件包括包含在一个或多个第一加压气体储室中的加压气体，其中该加压气体与一个或多个气体吸附材料源流体连通。
[0028]
本文所用的术语“吸附材料”涉及单种吸附材料以及各种不同吸附材料的混合物。适用的吸附材料必须呈现出所需的吸附和解吸动力学(吸附/解吸必须足够快速和有效)，以确保实现降低的动态体积模量。理想情况下，吸附材料不可弹性变形的、高度多孔的、优选高度微孔的，并且能够吸附包含在一个或多个第一加压气体储室内的至少其中一些加压气体。
[0029]
吸附材料将包括选自一种或多种沸石、一种或多种微孔有机聚合物(mop)材料和一种或多种活性炭材料中的任意一种或多种材料。
[0030]
申请人已经观察到，即使材料可具有相当高的比表面积(bet)，也不一定会获得所需的动态体积模量值。某些合成沸石(例如沸石13x)是具有约590平方米/克(m2/g)的比表面积(bet)的材料，然而尽管在沸石13x用作微孔分子筛以吸附和捕集有机分子或污染物时
这些特性非常适用，但是这种材料不能提供吸附材料的有效解吸，其需要数秒、数分钟或数小时才能释放吸附的气体。
[0031]
因此，在本发明的一个实施例中，吸附材料包括沸石材料，其具有超过600m2/g、优选至少为800m2/g、还优选至少为1000m2/g、并且仍然进一步优选至少为1500m2/g、高达最大10000m2/g的比表面积(bet)。
[0032]
在另一个实施例中，吸附材料包括不可弹性变形的泡沫材料，该泡沫材料通过聚合高内相乳液(high internal phase emulsion)以制备聚高内相乳液(polyhipe)材料，然后使其交联以制备具有多孔网状和非弹性可变形结构的泡沫材料制备而成。一种尤其适用的聚高内相乳液材料为聚二氯二甲苯(p-dcx)。
[0033]
在优选实施例中，吸附材料包括一种或多种活性炭材料，例如由碳质源材料制成的粉末状或颗粒状活性炭。通常情况下，活性炭材料可具有小的低体积孔和高表面积。出于目前尚无法很好理解的原因，本技术人已经发现活性炭材料尤其适用于实现所需的吸附/解吸动力学，以确保腔室内部的加压空气的体积模量k＜1。任何活性炭材料似乎都适用于获得所需的体积模量结果，但是活性炭材料的(bet)表面积通常已知为＞400m2/g。优选地，活性炭材料的(bet)表面积将超过600m2/g、还优选至少为800m2/g、尤其优选至少为1000m2/g、并且仍然还优选至少为1500m2/g、最大高达10000m2/g。
[0034]
还据信吸附材料的孔径对于有效的气体吸附/解吸动力学是重要的。由此，优选气体吸附材料包括至少为50％/wt(优选至少为70％/wt、进一步优选至少为80％/wt，并且非常优选至少为95％/wt)的孔，具有≥1至50纳米(nm)的平均直径并且优选≥1至10nm的平均直径。进一步优选地，本发明中采用的气体吸附材料将具有2nm的平均孔径。自然情况下，要想成为一种有效的气体吸附材料，它的孔需要可用于气体吸附；其它带有盲孔的适用吸附材料(例如由于嵌入或者封装在例如用于制成气体储室的聚合物组合物中)不在本发明的范围内。由此，上述的孔指的是可用于气体吸附的吸附材料的孔。
[0035]
吸附材料能够以固态形式使用，例如作为松散颗粒、粉末或作为自支撑单片(例如独立的固体物质)。单片可以通过以下步骤方便制备：将颗粒或者粉末状吸附材料与一系列粘合剂(比如环氧树脂或一些其他粘性材料)混合，模制该混合物然后固化(例如通过加热和/或辐射)。在制造单片结构的过程中必须注意不要堵住吸附材料的孔，这将导致无法吸附气体并且无法实现动态体积模量的降低，如上文所述。所得的自支撑单片可为刚性的，但是在如果采用高弹性粘合剂例如乳胶时它也可以是柔性的，优选与由高强度塑料例如芳族聚酰胺和/或碳纤维或玻璃纤维制成的增强纤维结合使用。一种优选的吸附材料是包括活性炭的自支撑单片。
[0036]
吸附材料的替代固体形式包括毡、非织造纤维、织造纤维或开孔泡沫基材，其浸渍有上述的吸附材料(优选呈粉末形式)，该吸附材料在使用时会减小气体动态体积模量，如上文所述。一个例子是活性炭布，比如由chemviron carbon有限公司以注册的英国商标zorflex出售。
[0037]
优选地，吸附材料不是液态材料，虽然本发明包括包含在液态材料内的固态吸附材料以由此提供多孔液体或多孔的高粘度流体。
[0038]
在操作时，一个或多个第一加压气体储室优选对环境压力条件封闭并且能够在受到施加的力时经受弹性变形，受到施加力例如为当人正靠在或躺在缓冲制品上、由缓冲制
品支撑或者在穿戴缓冲制品时，或者当缓冲制品是运行中的软机器人装置时，或者当撞击缓冲区或碰撞结构等承受冲击力时。优选地，一个或多个第一加压气体储室由具有内壁表面和外壁表面的气动包封材料形成，其中内壁表面优选为非弹性的。非常优选地，第一加压气体储室能够是非弹性变形的。
[0039]
在本发明的极其优选的示例中，一个或多个缓冲元件为缓冲制品提供或者替代地适于提供一个或多个美观和/或功能性的特征。由于一个或多个第一加压气体储室的外表面是由具有期望美观和/或功能特征的材料制成(或者被设计为或适于承载该材料)，可为缓冲制品提供美观和/或功能特征。这可以是一种特殊的织物，其例如向缓冲制品赋予耐磨性、颜色、设计、图案、手感、保暖、弹性、舒适性、胎面花纹等。在尤其优选的实施例中，本发明提供了如上文所述的缓冲制品，其中气动包封材料的外壁表面形成了缓冲制品的外表面的一部分。
[0040]
吸附材料的作用是降低包含在上述一个或多个第一加压气体储室中的加压气体的弹簧刚度，而气体储室中的压力保持不变。吸附材料本身不会响应于施加的载荷而本身压缩或变形。当一个或多个第一加压气体储室压缩(或者由缓冲制品的用户压缩)时，一部分加压气体被吸附材料所吸附，并且存储腔室中力以比没有吸附材料的情形更加缓慢地积聚。这继而引起一个或多个第一加压气体储室对于给定的施加力进一步压缩，使得它们表现得好像它们具有更大的物理体积并且好像它们相对于没有吸附材料的已知的加压腔室更软。结果就是得到一种缓冲制品，其柔顺性得到可控增加、减震性提高以及用户舒适性增强。
[0041]
进一步有利地，如下文所述，采用吸附材料允许第一加压气体储室内气体的压力增加，从而其将提供与处于较低压力下的气体相同程度的隔震，但是此种做法将使得存储在气体中的势能明显增加，由此提升回弹性能。一个或多个第一加压气体储室中的内部压力从略高于环境大气压力至高达5巴、优选约为2.5巴、进一步优选高达约3.5。在较高的压力下，可以设想吸附体的存在将允许改善的冲击吸附性(与没有吸附材料的冲击吸附性相比)，并且对于大振幅和小振幅的情况都将实现这一点，而不会改变柔顺性并且不会改变在正常使用中的大体感觉。一个或多个第一加压气体储室都可具有相同的内部压力，但也并非一定要这样。另外，第一加压气体储室内部的气体的弹簧刚度(以及由此缓冲元件的弹簧刚度)对于所有的存储腔室而言可能都是相同的，但是同样也并非一定要这样。保持在一个或多个第一加压气体储室中的气体优选选自空气和二氧化碳。尤其优选是空气。
[0042]
吸附性(吸附体)材料可被布置在(即“包括在”)缓冲元件的一个或多个气体储室的至少一个内并且将优选占据存储腔室的高达35％或者约三分之一体积。优选地，尤其是当吸附材料为细粉末或颗粒形式时，该吸附材料包含在柔性多孔弹性膜或者一些其他可渗透隔膜或包括一定程度的微孔的不可渗透隔膜的后方。优选地，此隔膜被粘附至第一加压气体储室的内壁表面。进一步优选地，吸附材料未被布置在承载载荷表面上并且优选将其布置为远离任何此承载载荷表面。
[0043]
最优选地，将吸附材料放在一个或多个第二腔室中。此第二腔室可位于包含与其流体连通的加压气体的第一加压气体储室中，或者该第二腔室可与第一加压气体储室分开布置(虽然优选相邻于或者至少靠近于该第一加压气体储室)。例如，当缓冲制品为鞋类物品时，一个或多个第二腔室可位于后跟、外底或中底内，并且能够通过一个或多个气体通道
得到由一个或多个第一加压气体储室保持的加压气体。本发明还可包括含有吸附材料的第二腔室，该吸附材料位于第一加压气体储室或者含有与吸附材料流体连通的加压气体的腔室的中间并且通过一个或多个气体通道径向连接至上述腔室。与一个或多个第一加压气体储室相比，第二腔室在向缓冲制品的缓冲元件施加力时通常不会压缩。
[0044]
缓冲制品可采用一系列的缓冲元件，每个缓冲元件均包括呈“泡泡”或“气囊”形式的一个或多个第一加压气体储室。
[0045]
另外，包含在一个或多个第一加压气体储室中的加压气体与吸附材料之间的流体连通可通过阀或节流器进行节流或阻塞以控制第一气体储室的压缩能力。还可能采用不同量的吸附材料以在保持位于相同压力的不同的第一加压气体储室中实现可变水平的压缩性，以在具有相似压力和载荷承受能力的一个或多个第一加压气体储室中实现压缩性梯度。
[0046]
优选地，本发明的缓冲制品还将包括阻尼机构或减震机构，例如柔性多孔弹性隔膜可以是无孔的但具有一个或多个穿孔或过滤孔口以便通过实现加压气体的孔口阻尼的方式获得可控的流体连通。或者，吸附材料可包括高粘度微孔流体或凝胶，其在极端压缩中用作阻尼元件。如上文所述，在存在吸附体的情况下短时间压缩中气体的柔顺性将发生改变，但是例如由于严重或大型冲击事件，颗粒状或粘性的流体吸附体也可在长期压缩结束时用作物理阻尼(由于材料的尺寸/形状用作离散阻尼或“缓冲止挡”元件)。
[0047]
另外优选地，在本发明的缓冲制品中采用的缓冲元件中的至少两个优选通过它们对应的第一加压气体储室中的一个或多个彼此流体连通。理想情况下，本发明包括用于选择性地控制一个或多个缓冲元件中的任意缓冲元件之间的流体连通的选择控制机构。设想的选择控制机构包括阀机构，其能够在打开位置和关闭位置之间操作并且设置为与一个或多个缓冲元件相关联，以允许或限制加压气体在所述缓冲元件之间流动。
[0048]
另外，优选缓冲元件中的至少一个与一个或多个吸附材料源封闭性地流体连通。在采用多于一个的吸附材料源的情况下，它们可包含相同或不同的吸附材料成分。“不同的”吸附材料包括具有不同化学成分的材料或具有相同化学成分但采用不同量和/或呈不同物理形式和/或为不同材料等级的材料。
[0049]
缓冲元件可包括具有相似或不同尺寸或体积的一个或多个第一加压气体储室，并且它们可以在相似或不同的压力操作。在以具有相似高度、容积和/或以相似压力运行的多个密封的第一加压气体腔室为特征的缓冲制品中，可采用处理不同量的吸附材料来调节每个第一加压气体储室中气体的弹簧刚度，由此允许腔室的压缩能力在缓冲制品上变化并且允许沿横向、径向或纵向对缓冲制品的柔顺性进行区域控制。有利地，在使用时将要承受更高的冲击力的缓冲制品的区域中可提供更深或更软的柔顺性以及减震性。例如，在鞋类制品中，尤其是在下坡跑步时，在后跟处通常需要这些改进。
[0050]
本发明尤其适用于提供包括由两个或多个缓冲元件组成的阵列、优选分层阵列的缓冲制品，该缓冲元件具有尺寸和压力近似的第一加压气体储室，但可包括渐变的柔顺指数，该渐变的柔顺指数能够通过逐渐增加吸附材料填充因子或者改变吸附材料的(化学或物理)成分而得到。此分层阵列可在上文描述的任意应用中、且尤其是在比如头盔、防弹衣、车辆中的撞击缓冲区和空气弹簧系统等应用中获得极高水平的减震性。根据线性偏移的程度，可以调整具有不同弹簧刚度的多个缓冲元件以通过非线性或渐进方式起作用。在高度
理想的情况中，缓冲元件将包括由多个第一加压气体储室组成的单向维度阵列(一片)，优选呈“泡泡”或“气囊”的形式，其包含一个或多个吸附材料源或者与其流体连通，或者其例如由选自耐用塑料材料、金属化塑料材料和薄金属箔材料中的一种或多种材料构造而成。需要承受极端震动/冲击力的缓冲制品可包括多层此种重型增强气泡包装。可为缓冲元件提供指数渐变的吸附体填料或指数渐变的吸附体特性，其中压缩量最大的层保持在最外表面，面对任何潜在的冲击。
[0051]
在另一个示例中，本发明提供了包括一个或多个缓冲元件的缓冲滑雪靴、滑雪板靴或步行靴。优选地，一个或多个缓冲元件嵌入位于靴子内部的气垫圈内以在滑雪、单板滑雪或步行时为穿靴者提供支撑。
[0052]
本发明还提供了包括外表面和内部结构的缓冲制品，其中内部结构适于容置一个或多个包括一个或多个第一加压气体储室的缓冲元件，该第一加压气体储室优选对环境压力条件封闭并且优选能够在承受施加力时经受弹性变形，其中一个或多个第一加压气体储室优选由气动包封材料形成，该气动包封材料具有优选是非弹性的内壁表面和优选是适于为缓冲制品提供一个或多个美观和/或功能性特征的外壁表面，并且进一步地其中至少一个缓冲元件的第一加压气体储室与一个或多个吸附材料源流体连通。
[0053]
本发明的非常优选的缓冲制品是鞋类物品。
附图说明
[0054]
现参照附图描述本发明，其中：
[0055]
图1示出了示例1和2中采用的测试缸装置的示意图；
[0056]
图2示出了第一加压气体储室内的力(n)与第一腔室行进的压缩距离(mm)的曲线图，以说明受压的第一加压气体储室内布置有吸附材料和未布置有吸附材料的影响，示出了实验1取得的结果。
[0057]
图3示出了刚度(n/mm)与压缩量(mm)的曲线图，示出了实验1取得的结果。
[0058]
图4示出了第一加压气体储室内的力(n)与第一腔室行进的压缩距离(mm)的曲线图，以说明受压的第一加压气体储室内布置有吸附材料和未布置吸附材料的影响，示出了实验2取得的结果。
[0059]
图5示出了刚度(n/mm)与压缩量(mm)的曲线图，示出了实验2取得的结果。
[0060]
图6示出了绑带鞋的侧视图，其包括形成在其后跟和鞋底内的根据本发明的多个缓冲元件。
[0061]
图7a、7b和7c分别示出了沿平行于图6中所示鞋结构的纵轴线的竖向平面对三种可能的鞋底结构形式进行截取得到的三个不同的侧视横截面图。
[0062]
图8a示出了穿过图6所示鞋底的后跟区的横截面，该截面沿穿过鞋的后跟区且与鞋的横轴平行的竖向平面截取，并且示出了两个独立的缓冲元件，每个缓冲元件均包括含有吸附材料的第一加压气体储室。
[0063]
图8b示出了与图8a中示出的横截面近似的横截面，但是示出了图8a中示出的后跟结构的替代形式，其带有第二腔室，该第二腔室填充有定位在两个缓冲元件之间并且与该两个缓冲元件流体连通的吸附材料，两个缓冲元件分别包括含有吸附材料的第一加压气体储室。
[0064]
图8c示出了与图8a和8b中示出的横截面类似的横截面，但为图8a中示出的后跟结构的第二替代形式，其具有第二腔室，该第二腔室填充有定位在两个缓冲元件之间且与该两个缓冲元件流体连通的吸附材料，该两个缓冲元件分别包括没有吸附材料的第一加压气体储室。
[0065]
图9示出了缓冲元件的又一种替代形式的分解立体图，该缓冲元件适用于定位在鞋的后跟区中。
[0066]
图10a示出用于实验3所取得结果的第一加压气体储室中的压力变化(dp)与冲击事件的频率(hz)的曲线图。
[0067]
图10b示出了用于实验3所取得结果的体积模量(k)和原始压力(p0)与冲击事件的频率(hz)的商的曲线图。
具体实施方式
[0068]
关于流体的静态和动态体积模量的概念是现有技术中众所周知的，因为其是在许多工程领域中采用的基本量，并且通常为了确定相关流体的静态和动态体积模量，极其普遍的做法是测量或模拟空气弹簧系统的刚度。本技术人已经设计了下文详述的测试装置和实验过程，以提供便捷的方式来确定测试材料的体积模量。
[0069]
如下面的实验1至3所述，采用在图1中示出的气缸装置测试第一加压空腔内包括部分活性炭的影响。在图2至4、10a和10b中给出了示出测试结果的视图。
[0070]
实验1：确定向第一存储腔室添加活性炭的影响
[0071]
为样品空腔充气至2.5巴的压力，活塞沿着气缸缓慢地向下驱动，并在沿着行程的规定位置处测量力。在读取每个力测量值的读数之前，该装置停10秒，以允许由于气体压缩形成的任何热通过缸壁而消散。这允许形成静态弹簧曲线，其示出了对抗压缩的积聚的力。
[0072]
采用放在测试腔室内的活性炭颗粒重复相同的实验。在测试中，活性炭在压缩循环开始时占据压缩气体体积的33％。
[0073]
图2示出了在每种情况下积聚力随着气缸活塞压缩气体的变化。黑实线示出了不存在活性炭的系统的力曲线；虚线示出了存在活性炭的系统中的积聚的力。在两种情况下，受压空腔体积和压力在测试开始时是相等的。
[0074]
实验1说明了采用吸附材料减小了受压空腔中空气或气体的弹簧刚度或刚度。系统的弹簧刚度是对力的变化速率的量度，弹簧刚度的下降将导致力曲线梯度的减小。图3中示出了实验1的设置所获得结果的刚度(n/mm)和压缩量(mm)的关系图。
[0075]
实验1的结果示出了通过存在吸附材料，空腔内空气的刚度下降。这将意味着系统具有更大的隔震和降低的共振频率。但是，鞋底需要一定程度的刚度，尤其是在其周缘附近。从测试中得出的曲线还示出了对于给定的力或载荷，如果存在吸收体，那么空腔将被更大程度地压缩。这将表示穿鞋人士的体重将使得气垫更大地压缩，对于较大或较重冲击事件来说可用行程减少，这与预期情况相反。这些问题可以通过提高系统内的压力来简单克服。
[0076]
实验2：确定向第一加压气体容器内部增加压力的影响
[0077]
重复实验1，但此次在压缩循环开始时、当活性炭在测试腔室内部时腔室内的压力升高。
[0078]
图4示出了在2.5巴起始压力下空的情况(黑实线)和在3.5巴起始压力下包含活性炭的腔室的情况下(虚线)力的上升情况。
[0079]
具有活性炭的系统由于其更高的压力而在压缩开始就施加了更大的力。但是在行程结束时，由具有活性炭的系统在其移行中同一位置处所施加的力小于空的情况。
[0080]
图5示出了弹簧刚度(不是力)随着移行的变化情况。腔室中的压力如所上所述，对于空的情况为2.5巴，对于具有活性炭的腔室为3.5巴。该曲线示出了在开始压缩时保持处于更高压力的具有活性炭的腔室的刚度近似于处于较低压力的空腔室。但是随着腔室被压缩，空系统的刚度比具有活性炭的系统中的刚度随着行程更加快速地增加。
[0081]
这个实验示出了可以调节具有活性炭的腔室内部的压力以在较小移行中提供类似的(如果并非更大的)刚度，意味着在类似的载荷下，二者均将压缩相似的量。但是通过更大的载荷(比如严重的冲击事件)，具有活性炭的腔室会允许更深的压缩。
[0082]
就性能而言，其所带来的结果是提供了一种缓冲制品，其在通常使用中具有类似或更大的支撑水平，但是提供了更长的压缩以及抵抗于重冲击和振动的更大。在缓冲制品比如鞋类或校正插入件的制品的情况中，这意味着更小的压力作用在足部、脚踝、膝盖和臀部上，针对疲劳和受伤(比如例如肌肉和肌腱扭伤和应力性骨折)提供更大的保护，并且提高舒适度，所有这些均不会影响跑步效率、沿横向或轴向的支撑或感觉。
[0083]
实验3：比较不同材料对第一加压气体容器内空气动态体积模量的影响。
[0084]
本次实验采用了类似于在图1中示出的测试装置，除了在此版本中，样品空腔或腔室在带有50毫米(mm)直径活塞的气动气缸中具有106mm的高度。将如下表中详细示出的测试样品插入样品空腔或腔室中，然后用空气将腔室加压至约3巴，并且在等待充分的时间以允许压力稳定后，活塞以在0.5hz至10hz之间的1/3带频下的 -5毫米(mm)振幅的正弦波被激励。直接测量腔室的压力以及活塞的位移。
[0085]
在没有测试材料样品的情况下还进行了对照实验，即样品空腔仅包含空气。
[0086]
活塞从平衡位置处的位移可根据气缸中每种材料的压力和体积模量获得(假设相对于腔室长度的小位移)。在频域中(角频率ω)，其为：
[0087][0088]
其中k和d分别为材料的体积模量和厚度；空气由下标a表示，测试样品由下标s表示。采用相对于静态压力的压力，其中p为总压力，p0为气缸中的平衡静态压力。
[0089]
通过重新表示等式1，计算出测试样品的有效流体体积模量ks：
[0090][0091]
此值接下来关于静态压力p0进行归一化：
[0092][0093]
归一化的体积模量值1.4对应于空气的理论动态体积模量(ka＝1.4p0)，而值1是空气的等温体积模量(ka＝p0)。低于1的值可通过(比如是具有比典型压缩循环更快起效的吸附的活性炭)材料得到。
[0094]
虽然值低于1.4表示与空气相比刚度降低，但在感兴趣的频率范围(1-50hz)内低于1的值只能通过具有快速吸附速率的吸附材料实现。
[0095]
结果
[0096][0097][0098]
**针对类似硅藻土材料的典型值
[0099]
***针对于微晶石墨材料的典型值
[0100]
****从另一种测试方法推断的结果
[0101]
结论
[0102]
在测试各种吸附材料以降低空气弹簧内空气的动态体积模量或刚度的能力时，只有活性炭在考虑的频率下引起有用的走势差异。硅胶实际上导致空腔内的空气变得更具刚性，因为其低孔隙率意味着其占据了相当大比例的体积。另外，硅胶不以落入本发明范围内所需的量或速度吸收空气分子(主要是氮气)。在其他材料中，只有硅藻土和膨胀石墨引起了一些明显改变，分别使体积模量从1.4降到1.2和1.3，而其他材料均给出了约为1.4的相似结果。
[0103]
原理上讲，低于1.4但高于1的值能够通过单独的额外散热(由接触空气的高材料表面积提供)得到，但是石墨和硅藻土在这些频率下实现了一定程度的有用吸附，这可能是导致结果的部分原因。活性炭导致体积模量下降至0.7，远低于非吸附材料的理论极限1。
[0104]
本发明的具体说明
[0105]
具有多个缓冲元件的鞋子和/或其部分的特征在于如图6至9所示的本发明的吸附空气增强件，其中该缓冲元件包括包含在加压空气存储腔室中的加压空气。
[0106]
详细参见图6，鞋(10)设置有鞋帮(12)和鞋底(14)，鞋帮辅助将鞋保持在穿着者脚上，鞋底是鞋的底部并且在使用时接触地面。如图所示，鞋底(14)具有多层构造，包括内底(16)、外底(20)和中底(18)，内底定位在鞋帮(12)内并且形成了直接位于鞋床(footbed)(通常称作鞋垫，未示出)下方的鞋的内底部，外底(20)的外表面(21)具有纹理层(22)，其设置用于在与地面直接接触时增大牵引力，中底是位于外底(20)和内底(16)之间的层。从鞋(10)的前方(脚趾端)到后方(后跟端)，该鞋底(14)被分成前足区(24)、中足区(26)和后跟区(28)。在此示例中，在中底(18、32)的后跟区部分和外底(20)的后跟区部分(28)的内表面之间在后跟内形成具有第一加压气体存储后跟腔室(30)的缓冲元件(29)。第一加压气体储室(30)包含加压气体(例如超过环境压力的空气)和气体吸附材料(36)。
[0107]
在中底(18、38)的前足区和外底(42)的前足区的内表面之间形成分别具有鞋底受压气体储室(40)的另外几个缓冲元件(37)。如第一受压气体储室(30)那样，每个第一鞋底加压气体储室(40)均包含加压气体(例如超过环境压力的空气)和气体吸附材料(44)。
[0108]
在使用时，例如在走路、奔跑或跳跃过程中，由穿着者的脚施加在鞋(10)的鞋底(14)上的力将引起一个或多个第一加压气体储室(30、40)压缩，并且包含在所述第一加压气体储室(30、40)中的至少一部分加压气体将被吸附材料所吸附，从而在与没有任何吸附材料的类似鞋底结构的性能相比，在一个或多个第一加压气体储室中形成增大的柔顺性以及增大的隔震。
[0109]
图7a、7b和7b示出了图6中所示的用于鞋(10)的相同鞋底(14)，但是没有鞋帮(12)。但是，此处鞋底受压气体储室(30、40、43、48)包含不同量的吸附材料。例如，图7a示出了比另一个鞋底受压气体储室(43、46)具有更多的吸附材料(44)的一个鞋底受压气体储室(40)，和其它空的鞋底受压气体储室(48)。图7b示出含有类似量吸附材料(47)的两个鞋底受压气体储室(45)和两个空的鞋底受压气体储室(50)。图7c示出的所有鞋底受压气体储室(51)均是空的。
[0110]
图8a至8c示出了在穿过平行于横向轴线(即与从前方延伸至后方或从后跟延伸至脚趾的纵轴线相反地从一侧延伸至另一侧)的鞋(10)的后跟区(28)的竖向平面中图6的鞋
底结构的横截面视图。具体地，图8a示出了鞋(10)的后跟区处鞋底结构具有一对缓冲元件(60)的一种形式，每个缓冲元件均具有压缩的气体鞋底存储腔室(52、53)和独立的吸附材料源(54、55)。图8b示出了鞋(10)的后跟区处的鞋底结构具有一对缓冲元件(61)的第一替代形式，每个缓冲元件均具有带有对应吸附材料源(56、57)的压缩气体鞋底存储腔室(63、64)和具有填充有吸附材料(59)并且定位在它们之间的第二腔室(58)，并且由于限定压缩气体储室(63、64)的壁内的开口(63a、64a)，第二腔室与包含在加压气体储室(63、64)之内的压缩气体流体连通。图8c示出了鞋(10)的后跟区处具有一对缓冲元件(62)的鞋底结构的第二替代形式，每个缓冲元件均具有第一鞋底加压气体储室(66)和第二腔室(67)，该第二腔室填充有吸附材料(68)并且定位在第一鞋底加压气体储室之间，第二腔室与包含在第一鞋底加压气体储室(66)内的压缩气体流体连通。
[0111]
图9是示出了缓冲元件(70)的构造的分解立体视图，其可用于不同于图6中所示的鞋类物品的后跟区中。缓冲元件(70)由马蹄形空气充气球囊(72)、位于吸附材料的固件(76)内的吸附材料单片(74)以及中底层(78)形成。充气球囊(72)(由气动包封材料制成)包括中空突起(73)，其从充气球囊(72)伸出并且具有双重功能，即提供气体入口/出口端口(经由突起开口(72a))以允许空气经过进入充气球囊(72)内或从充气球囊(72)流出，和提供如下文所述的定位机构的第一部分。吸附材料固件(76)通常呈柱形并且由侧壁(82)形成，在该侧壁中具有小开孔(80)，其形成了下文所述定位机构的第二部分。通常呈柱形的固件(76)的一端由端壁(75)所封闭，柱形固件(76)的另一端具有敞开端(77)，其适于收纳吸附材料单片(74)。该敞开端(77)还具有上边缘表面(79)。
[0112]
缓冲元件(70)构造用于鞋类物品，从而吸附材料固件(76)被定位在马蹄形充气球囊(72)的两个臂(81)之间并且通过定位机构保持就位，该定位机构由球囊(72)内的中空突起(73)构成，该中空突起容置在吸附材料固件(76)内的侧壁(82)内的开口(80)中。吸附材料(74)通过敞开端口(77)被插入吸附材料固件(76)中，固件(76)的敞开端口(77)的上边缘表面(79)以气密密封被粘结至中底(78)的下侧(78a)以形成闭合的气动系统。在使用时，充气球囊(72)内的空气与吸附材料单片(74)流体连通，但是不能逸入环境空气。