包含多孔聚合物材料的眼鏡的制作方法
【專利說明】包含多孔聚合物材料的眼鏡
[0001] 相關(guān)申請(qǐng)案
[0002] 本申請(qǐng)要求2013年11月20日提交的美國臨時(shí)申請(qǐng)序列號(hào)61/906,551的優(yōu)先權(quán)，該 臨時(shí)申請(qǐng)全文以引用方式并入本文。
【背景技術(shù)】
[0003] 聚合物材料已用于眼鏡的鏡架以幫助減輕重量和降低成本。然而，許多傳統(tǒng)的聚 合物材料一直出現(xiàn)的一個(gè)問題是它們通常太硬而在彎曲時(shí)會(huì)容易斷裂。這可導(dǎo)致眼鏡在使 用者頭部上的配合不佳。因此，許多傳統(tǒng)的鏡架需要使用鉸鏈，甚至也只能提供極低程度的 柔韌性，這使鏡架的設(shè)計(jì)過于復(fù)雜并且會(huì)增加成本。此外，使用鉸鏈可限制鏡架能彎曲的程 度和方向。因此，目前對(duì)于改進(jìn)的眼鏡存在需要，所述眼鏡包括能容易地定位同時(shí)仍具有足 夠的強(qiáng)度和剛度以支撐鏡片的鏡架。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例，公開了包括用于支撐鏡片的鏡架組件的眼鏡。鏡架組 件的至少一部分包含由熱塑性組合物形成的聚合物材料。熱塑性組合物包含含有基體聚合 物的連續(xù)相。微米包合物添加劑和納米包合物添加劑以離散結(jié)構(gòu)域的形式分散在連續(xù)相 中，并且在材料中限定了多孔網(wǎng)絡(luò)。
[0005] 本發(fā)明的其他特征和方面在下文更詳細(xì)地討論。
【附圖說明】
[0006] 針對(duì)本領(lǐng)域普通技術(shù)人員的本發(fā)明的完整且能夠?qū)崿F(xiàn)的公開內(nèi)容(包括其最佳模 式)在說明書的剩余部分中參照附圖更具體地闡述，在附圖中：
[0007] 圖1是本發(fā)明的眼鏡的一個(gè)實(shí)施例的透視圖；
[0008] 圖2是本發(fā)明的眼鏡的另一個(gè)實(shí)施例的前正視圖；
[0009] 圖3-4是實(shí)例1的未拉伸片材的SEM顯微照片，其中片材在圖3中垂直于機(jī)器方向并 在圖4中平行于機(jī)器方向進(jìn)行切割；以及
[0010]圖5-6是實(shí)例1的拉伸片材的SEM顯微照片(片材平行于機(jī)器方向取向進(jìn)行切割）。
[0011] 圖7-8是實(shí)例2的未拉伸片材的顯微照片，其中片材在圖7中垂直于機(jī)器方向并在 圖8中平行于機(jī)器方向進(jìn)行切割；
[0012] 圖9-10是實(shí)例2的拉伸片材的SEM顯微照片(片材平行于機(jī)器方向取向進(jìn)行切割）。
[0013] 圖11-12是可用于執(zhí)行本文所述的彎曲保持性測(cè)試的示例性測(cè)試設(shè)備的照片；以 及
[0014] 圖13-15是可用于執(zhí)行本文所述的扭曲保持性測(cè)試的示例性測(cè)試設(shè)備的照片。
[0015] 在本說明書和附圖中對(duì)附圖標(biāo)記的反復(fù)使用旨在代表本發(fā)明的相同或類似的特 征或元件。
【具體實(shí)施方式】
[0016]現(xiàn)在將詳細(xì)參照本發(fā)明的各種實(shí)施例，其一個(gè)或多個(gè)例子在下文示出。每個(gè)例子 都以解釋本發(fā)明而不是限制本發(fā)明的方式提供。事實(shí)上，對(duì)于本領(lǐng)域技術(shù)人員顯而易見的 是，在不背離本發(fā)明的范圍或精神的情況下，可以在本發(fā)明中做出各種修改和變化。例如， 作為一個(gè)實(shí)施例的一部分而說明或描述的特征，可以用于另一個(gè)實(shí)施例以產(chǎn)生又一個(gè)實(shí)施 例。因此，本發(fā)明打算覆蓋落入所附權(quán)利要求書及其等同物的范圍內(nèi)的這樣的修改和變化。 [0017] -般來講，本發(fā)明涉及包括用于支撐諸如矯正鏡片、防護(hù)鏡片等鏡片的鏡架組件 的眼鏡(例如，普通眼鏡、太陽鏡、安全眼鏡、運(yùn)動(dòng)眼鏡等）。值得注意的是，鏡架組件的至少 一部分包含聚合物材料，該材料可具有低密度、柔韌性和形狀保持特性的獨(dú)特組合。聚合物 材料可用于形成整個(gè)鏡架組件或只是形成其一個(gè)或多個(gè)部件。
[0018] 可以通過選擇性控制材料的形成方式而實(shí)現(xiàn)單種、一體式聚合物材料的低密度、 柔韌性和形狀保持特性的獨(dú)特組合。更具體地講，該聚合物材料可由熱塑性組合物形成，該 熱塑性組合物包含含有基體聚合物、微米包合物添加劑和納米包合物添加劑的連續(xù)相。可 對(duì)添加劑進(jìn)行選擇以使得它們具有與基體聚合物不同的彈性模量。以此方式，微米包合物 添加劑和納米包合物添加劑可變得分別作為離散的微米級(jí)和納米級(jí)相結(jié)構(gòu)域分散在連續(xù) 相中。當(dāng)在使用材料之前和/或之后受到變形應(yīng)變時(shí)，由于材料的不相容性引起的應(yīng)力集 中，可以在微米級(jí)離散相結(jié)構(gòu)域附近形成強(qiáng)局部剪切區(qū)域和/或應(yīng)力密集區(qū)域(例如，法向 應(yīng)力）。這些剪切和/或應(yīng)力密集區(qū)域可導(dǎo)致在鄰近微米級(jí)結(jié)構(gòu)域的聚合物基體中的一些初 始剝離。然而，值得注意的是，局部剪切和/或應(yīng)力密集區(qū)域還可以在與微米級(jí)區(qū)域重疊的 納米級(jí)離散相結(jié)構(gòu)域附近產(chǎn)生。這樣的重疊的剪切和/或應(yīng)力密集區(qū)域?qū)е略诰酆衔锘w 中發(fā)生甚至進(jìn)一步的剝離，從而在納米級(jí)結(jié)構(gòu)域和/或微米級(jí)結(jié)構(gòu)域附近產(chǎn)生大量的孔。
[0019] 多孔網(wǎng)絡(luò)因此可在聚合物材料中形成。例如，在給定的單位體積的材料中由孔占 據(jù)的平均體積百分比可為從約15 %至約80 %每cm3，在一些實(shí)施例中從約20 %至約70 %以 及在一些實(shí)施例中從約30%至約60%每立方厘米材料。高孔體積的存在可顯著降低材料的 密度，這可使得可以使用更輕、更柔韌而仍實(shí)現(xiàn)良好特性的材料。例如，組合物可具有相對(duì) 低的密度，諸如約1.2克每立方厘米（"g/cm 3"）或更低，在一些實(shí)施例中約1. Og/cm3或更低， 在一些實(shí)施例中從約0.2g/cm3至約0.8g/cm 3以及在一些實(shí)施例中從約0. lg/cm3至約0.5g/ cm3。該網(wǎng)絡(luò)中的大部分孔也可以是"納米級(jí)"尺寸的（"納米孔"），諸如具有約800納米或更 小，在一些實(shí)施例中從約5至約250納米以及在一些實(shí)施例中從約10至約100納米的平均橫 截面尺寸的那些。術(shù)語"橫截面尺寸"通常是指孔的特性尺寸(例如寬度或直徑），該特性尺 寸與其主軸(例如長(zhǎng)度)基本正交并且通常還與在應(yīng)變過程中施加的應(yīng)力的方向基本正交。 這樣的納米孔可例如占聚合物材料中的總孔體積的約15vo 1. %或更多，在一些實(shí)施例中約 20vol. %或更多，在一些實(shí)施例中從約30vol. %至100vol. %以及在一些實(shí)施例中從約 40vol · % 至約90vol · %。
[0020] 如上所指出的那樣，在應(yīng)變過程中產(chǎn)生的重疊的剪切和/或應(yīng)力密集區(qū)域可導(dǎo)致 鄰近納米級(jí)結(jié)構(gòu)域和/或微米級(jí)結(jié)構(gòu)域形成孔。由于材料的獨(dú)特性質(zhì)及其可以形成的方式， 孔可變得分布在交替的帶狀區(qū)域內(nèi)，聚合物基體的脊部大致垂直于應(yīng)變方向延伸地位于所 述交替的帶狀區(qū)域之間。脊部可以保持相對(duì)無空化和剛硬的。然而，聚合物基體也可以在帶 狀區(qū)域中形成橋，橋由于其中高濃度的孔而在性質(zhì)上保持相對(duì)柔韌。這些特征的組合可以 產(chǎn)生這樣的材料，該材料由于剛性脊部的存在而具有結(jié)構(gòu)完整性，還由于相對(duì)柔韌的橋的 存在而能夠撓曲和耗散能量。這尤其提高了材料的柔韌性，同時(shí)還可以保持足夠程度的強(qiáng) 度以便可以在使用期間維持所需的形狀。
[0021] 聚合物材料柔韌性的一個(gè)量度是其彈性模量，諸如根據(jù)ASTM D638-10在23°C下測(cè) 量，該彈性模量可以為約2500兆帕斯卡（"MPa"）或更低，在一些實(shí)施例中約2200MPa或更低， 在一些實(shí)施例中從約50MPa至約2000MPa以及在一些實(shí)施例中從約lOOMPa至約lOOOMPa。聚 合物材料因此可以物理變形(例如，彎曲、扭曲等)成具有一個(gè)或多個(gè)角位移的三維構(gòu)型。角 位移可以例如在從約5°至約250°，在一些實(shí)施例中從約10°至約200°，在一些實(shí)施例中從約 20°至約180°以及在一些實(shí)施例中從約30°至約120°的范圍內(nèi)。在某些實(shí)施例中，三維構(gòu)型 可以具有多個(gè)角位移(例如，2、3、4個(gè)等），這些角位移可以位于相同或不同的平面中。不論 變形的具體方式如何，所得的聚合物材料都能夠保持其變形形狀。材料的這種形狀保持特 性可由從約0.1至1，在一些實(shí)施例中從約0.2至約0.95，在一些實(shí)施例中從約0.4至約0.9以 及在一些實(shí)施例中從約0.5至約0.8范圍內(nèi)的彎曲保持指數(shù)和/或扭曲保持指數(shù)來表征。"彎 曲保持指數(shù)"由彎曲釋放角除以彎曲角來測(cè)定，其中"彎曲角"是材料在經(jīng)受彎曲力（例如， 9.90千克-力/厘米)30秒后的角，諸如圍繞與材料的縱向維度垂直的線，而"彎曲釋放角"是 材料在力釋放30秒后的角。同樣，"扭曲保持指數(shù)"由扭曲釋放角除以扭曲角來測(cè)定，其中 "扭曲角"是材料經(jīng)受逆時(shí)針方向的力（例如，3.50千克-力/厘米)30秒后的角，諸如圍繞與 材料的縱向維度平行的線，而"扭曲釋放角"是材料在力釋放30秒后的角。當(dāng)然，雖然能夠保 持其形狀，但本發(fā)明的關(guān)鍵益處是該構(gòu)型不是永久性的。完全相反的是，即使在其變形成某 一形狀后，聚合物材料也能在之后變形成其他形狀(如果期望這樣的話）。因此，聚合物材料 可以容易成形和再成形為幾乎任何三維構(gòu)型。
[0022] 在牽伸過程中也可以在微米級(jí)結(jié)構(gòu)域處或附近形成微米孔，該微米孔具有從約 0.5至約30微米，在一些實(shí)施例中從約1至約20微米以及在一些實(shí)施例中從約2微米至約15 微米的平均橫截面尺寸。微米孔和/或納米孔可具有任何規(guī)則或不規(guī)則的形狀，諸如球形、 細(xì)長(zhǎng)形等。在某些情況下，微米孔和/或納米孔的軸向尺寸可以大于橫截面尺寸，以使得長(zhǎng) 寬比（縱向尺寸與橫截面尺寸之比）為從約1至約30,在一些實(shí)施例中從約1.1至約15以及在 一些實(shí)施例中從約1.2至約5。"軸向尺寸"是主軸(例如，長(zhǎng)度)方向上的尺寸。本發(fā)明人也已 經(jīng)發(fā)現(xiàn)，孔(例如微米孔、納米孔，或二者)可以按基本均勻的方式分布在整個(gè)材料中。例如， 孔可以分布成列，這些列沿著與應(yīng)力施加方向大致垂直的方向取向。這些列可以跨過材料 的寬度大致彼此平行。無意受理論的限制，據(jù)信，這樣的均勻分布的多孔網(wǎng)絡(luò)的存在可導(dǎo)致 鏡架組件良好的機(jī)械特性。
[0023] 現(xiàn)在將更詳細(xì)地描述本發(fā)明的各種實(shí)施例。
[0024] I.熱塑性組合物
[0025] A.基體聚合物
[0026] 如上所指出的那樣，熱塑性組合物包含內(nèi)部分散有微米包合物添加劑和納米包合 物添加劑的連續(xù)相。連續(xù)相包含一種或多種基體聚合物，基體聚合物通常占熱塑性組合物 的從約60wt. %至約99wt. %，在一些實(shí)施例中從約75wt. %至約98wt. %以及在一些實(shí)施例 中從約80wt. %至約95wt. %。用于形成連續(xù)相的一種或多種基體聚合物的性質(zhì)并非關(guān)鍵性 的并且通?？刹捎萌魏芜m合的聚合物，諸如聚酯、聚烯烴、苯乙烯聚合物、聚酰胺等。在某些 實(shí)施例中，例如，可在組合物中采用聚酯來形成聚合物基體。通常可以采用多種聚酯中的任 一種，諸如脂族聚酯，諸如聚己內(nèi)酯、聚酰胺酯、聚乳酸(PLA)及其共聚物、聚乙醇酸、聚碳酸 亞烷基酯（例如，聚碳酸亞乙酯）、聚-3-羥基丁酸酯(PHB)、聚-3-羥基戊酸酯(PHV)、3-羥基 丁酸酯與4-羥基丁酸酯的共聚物、3-羥基丁酸酯與3-羥基戊酸酯的共聚物(PHBV)、3-羥基 丁酸酯與3-羥基己酸酯的共聚物、3-羥基丁酸酯與3-羥基辛酸酯的共聚物、3-羥基丁酸酯 與3-羥基癸酸酯的共聚物、3-羥基丁酸酯與3-羥基十八烷酸酯的共聚物和基于琥珀酸酯的 脂族聚合物(例如，聚琥珀酸丁二醇酯、聚琥珀酸己二酸丁二醇酯、聚琥珀酸乙二醇酯等）； 脂族-芳族共聚酯(例如，聚己二酸對(duì)苯二酸丁二醇酯、聚己二酸對(duì)苯二酸乙二醇酯、聚己二 酸間苯二酸乙二醇酯、聚己二酸間苯二酸丁二醇酯等）；芳族聚酯（例如，聚對(duì)苯二甲酸乙二 醇酯、聚對(duì)苯二甲酸丁二醇酯等）；等等。
[0027] 在某些情況下，熱塑性組合物可包含至少一種在性質(zhì)上為剛性的并因此具有相對(duì) 高的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度的聚酯。例如，玻璃化轉(zhuǎn)變溫度（"T g"）可為約0 °C或更高，在一些實(shí)施 例中從約5°C至約100°C，在一些實(shí)施例中從約30°C至約80°C以及在一些實(shí)施例中從約50°C 至約75°C。聚酯也可以具有從約140°C至約300°C，在一些實(shí)施例中從約150°C至約250°C以 及在一些實(shí)施例中從約160°C至約220°C的熔融溫度。熔融溫度可以根據(jù)ASTMD-3417采用差 示掃描量熱法(〃DSC〃）來測(cè)定。玻璃化轉(zhuǎn)變溫度可以根據(jù)ASTME1640-09通過動(dòng)態(tài)機(jī)械分析 來測(cè)定。
[0028] -種特別適合的剛性聚酯是聚乳酸，其通?？稍醋匀樗岬娜魏瓮之悩?gòu)體的單體 單元，諸如左旋乳酸（"L-乳酸"）、右旋乳酸（"D-乳酸"）、內(nèi)消旋乳酸或它們的混合物。單體 單元也可以由乳酸的任何同分異構(gòu)體的酸酐形成，包括L-丙交酯、D-丙交酯、內(nèi)消旋丙交酯 或它們的混合物。這樣的乳酸和/或丙交酯的環(huán)狀二聚體也可以被采用。任何已知的聚合方 法，諸如縮聚或開環(huán)聚合，均可以用來聚合乳酸。少量的擴(kuò)鏈劑(例如，二異氰酸酯化合物、 環(huán)氧化合物或酸酐)可以被采用。聚乳酸可以是均聚物或共聚物，諸如含有源自L-乳酸的單 體單元和源自D-乳酸的單體單元的那些。雖然不要求，但源自L-乳酸的單體單元和源自D-乳酸的單體單元中之一的含量比率優(yōu)選為約85摩爾％或更高，在一些實(shí)施例中約90摩爾％ 或更高以及在一些實(shí)施例中約95摩爾％或更高。多種聚乳酸可以以任意百分比共混，其中 每種具有不同的源自L-乳酸的單體單元與源自D-乳酸的單體單元之比。當(dāng)然，聚乳酸也可 以與其他類型的聚合物(例如，聚烯烴、聚酯等)共混。
[0029] 在一個(gè)特定的實(shí)施例中，聚乳酸具有以下通式結(jié)構(gòu)：
[0031]本發(fā)明中可使用的適合的聚乳酸聚合物的一個(gè)具體例子可從德國Krailling的 Biomer，Inc.以名稱BIOMER? L9000商購獲得。其他適合的聚乳酸聚合物可從Minnesota的 Minnetonka的Natureworks LLC(NA i '.WORKS·%)或Mitsui Chemical (LACEA?)商 購獲得。還有其他適合的聚乳酸可見述于美國專利號(hào)4,797,468、5,470,944、5,770,682、5， 821，327、5，880，254和6，326，458。
[0032] 聚乳酸通常具有在從約40，000至約180，000克每摩爾，在一些實(shí)施例中從約50， 000