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] 相關申請案
[0002] 本申請要求2013年11月20日提交的美國臨時申請序列號61/906,551的優先權，該 臨時申請全文以引用方式并入本文。
【背景技術】
[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，許多傳統的聚 合物材料一直出現的一個問題是它們通常太硬而在彎曲時會容易斷裂。這可導致眼鏡在使 用者頭部上的配合不佳。因此，許多傳統的鏡架需要使用鉸鏈，甚至也只能提供極低程度的 柔韌性，這使鏡架的設計過于復雜并且會增加成本。此外，使用鉸鏈可限制鏡架能彎曲的程 度和方向。因此，目前對于改進的眼鏡存在需要，所述眼鏡包括能容易地定位同時仍具有足 夠的強度和剛度以支撐鏡片的鏡架。

【發明內容】

[0004] 根據本發明的一個實施例，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 物的連續相。微米包合物添加劑和納米包合物添加劑以離散結構域的形式分散在連續相 中，并且在材料中限定了多孔網絡。
[0005] 本發明的其他特征和方面在下文更詳細地討論。
【附圖說明】
[0006] 針對本領域普通技術人員的本發明的完整且能夠實現的公開內容(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是本發明的眼鏡的一個實施例的透視圖；
[0008] 圖2是本發明的眼鏡的另一個實施例的前正視圖；
[0009] 圖3-4是實例1的未拉伸片材的SEM顯微照片，其中片材在圖3中垂直于機器方向并 在圖4中平行于機器方向進行切割；以及
[0010]圖5-6是實例1的拉伸片材的SEM顯微照片(片材平行于機器方向取向進行切割）。
[0011] 圖7-8是實例2的未拉伸片材的顯微照片，其中片材在圖7中垂直于機器方向并在 圖8中平行于機器方向進行切割；
[0012] 圖9-10是實例2的拉伸片材的SEM顯微照片(片材平行于機器方向取向進行切割）。
[0013] 圖11-12是可用于執行本文所述的彎曲保持性測試的示例性測試設備的照片；以 及
[0014] 圖13-15是可用于執行本文所述的扭曲保持性測試的示例性測試設備的照片。
[0015] 在本說明書和附圖中對附圖標記的反復使用旨在代表本發明的相同或類似的特 征或元件。
【具體實施方式】
[0016]現在將詳細參照本發明的各種實施例，其一個或多個例子在下文示出。每個例子 都以解釋本發明而不是限制本發明的方式提供。事實上，對于本領域技術人員顯而易見的 是，在不背離本發明的范圍或精神的情況下，可以在本發明中做出各種修改和變化。例如， 作為一個實施例的一部分而說明或描述的特征，可以用于另一個實施例以產生又一個實施 例。因此，本發明打算覆蓋落入所附權利要求書及其等同物的范圍內的這樣的修改和變化。 [0017] -般來講，本發明涉及包括用于支撐諸如矯正鏡片、防護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、運動眼鏡等）。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特組合。聚合物 材料可用于形成整個鏡架組件或只是形成其一個或多個部件。
[0018] 可以通過選擇性控制材料的形成方式而實現單種、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相。可 對添加劑進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和納米級相結構域分散在連續 相中。當在使用材料之前和/或之后受到變形應變時，由于材料的不相容性引起的應力集 中，可以在微米級離散相結構域附近形成強局部剪切區域和/或應力密集區域(例如，法向 應力）。這些剪切和/或應力密集區域可導致在鄰近微米級結構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/或應力密集區域還可以在與微米級區域重疊的 納米級離散相結構域附近產生。這樣的重疊的剪切和/或應力密集區域導致在聚合物基體 中發生甚至進一步的剝離，從而在納米級結構域和/或微米級結構域附近產生大量的孔。
[0019] 多孔網絡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 據的平均體積百分比可為從約15 %至約80 %每cm3，在一些實施例中從約20 %至約70 %以 及在一些實施例中從約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、更柔韌而仍實現良好特性的材料。例如，組合物可具有相對 低的密度，諸如約1.2克每立方厘米（"g/cm 3"）或更低，在一些實施例中約1. Og/cm3或更低， 在一些實施例中從約0.2g/cm3至約0.8g/cm 3以及在一些實施例中從約0. lg/cm3至約0.5g/ cm3。該網絡中的大部分孔也可以是"納米級"尺寸的（"納米孔"），諸如具有約800納米或更 小，在一些實施例中從約5至約250納米以及在一些實施例中從約10至約100納米的平均橫 截面尺寸的那些。術語"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(例如長度)基本正交并且通常還與在應變過程中施加的應力的方向基本正交。 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，在一些實施例中約 20vol. %或更多，在一些實施例中從約30vol. %至100vol. %以及在一些實施例中從約 40vol · % 至約90vol · %。
[0020] 如上所指出的那樣，在應變過程中產生的重疊的剪切和/或應力密集區域可導致 鄰近納米級結構域和/或微米級結構域形成孔。由于材料的獨特性質及其可以形成的方式， 孔可變得分布在交替的帶狀區域內，聚合物基體的脊部大致垂直于應變方向延伸地位于所 述交替的帶狀區域之間。脊部可以保持相對無空化和剛硬的。然而，聚合物基體也可以在帶 狀區域中形成橋，橋由于其中高濃度的孔而在性質上保持相對柔韌。這些特征的組合可以 產生這樣的材料，該材料由于剛性脊部的存在而具有結構完整性，還由于相對柔韌的橋的 存在而能夠撓曲和耗散能量。這尤其提高了材料的柔韌性，同時還可以保持足夠程度的強 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量度是其彈性模量，諸如根據ASTM D638-10在23°C下測 量，該彈性模量可以為約2500兆帕斯卡（"MPa"）或更低，在一些實施例中約2200MPa或更低， 在一些實施例中從約50MPa至約2000MPa以及在一些實施例中從約lOOMPa至約lOOOMPa。聚 合物材料因此可以物理變形(例如，彎曲、扭曲等)成具有一個或多個角位移的三維構型。角 位移可以例如在從約5°至約250°，在一些實施例中從約10°至約200°，在一些實施例中從約 20°至約180°以及在一些實施例中從約30°至約120°的范圍內。在某些實施例中，三維構型 可以具有多個角位移(例如，2、3、4個等），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，在一些實施例中從約0.2至約0.95，在一些實施例中從約0.4至約0.9以 及在一些實施例中從約0.5至約0.8范圍內的彎曲保持指數和/或扭曲保持指數來表征。"彎 曲保持指數"由彎曲釋放角除以彎曲角來測定，其中"彎曲角"是材料在經受彎曲力（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"由扭曲釋放角除以扭曲角來測定，其中 "扭曲角"是材料經受逆時針方向的力（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。當然，雖然能夠保 持其形狀，但本發明的關鍵益處是該構型不是永久性的。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型。
[0022] 在牽伸過程中也可以在微米級結構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，在一些實施例中從約1至約20微米以及在一些實施例中從約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則或不規則的形狀，諸如球形、 細長形等。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 寬比（縱向尺寸與橫截面尺寸之比）為從約1至約30,在一些實施例中從約1.1至約15以及在 一些實施例中從約1.2至約5。"軸向尺寸"是主軸(例如，長度)方向上的尺寸。本發明人也已 經發現，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材料中。例如， 孔可以分布成列，這些列沿著與應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，據信，這樣的均勻分布的多孔網絡的存在可導致 鏡架組件良好的機械特性。
[0023] 現在將更詳細地描述本發明的各種實施例。
[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部分散有微米包合物添加劑和納米包合 物添加劑的連續相。連續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. %，在一些實施例中從約75wt. %至約98wt. %以及在一些實施例 中從約80wt. %至約95wt. %。用于形成連續相的一種或多種基體聚合物的性質并非關鍵性 的并且通常可采用任何適合的聚合物，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，聚己二酸對苯二酸丁二醇酯、聚己二酸對苯二酸乙二醇酯、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，聚對苯二甲酸乙二 醇酯、聚對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上為剛性的并因此具有相對 高的玻璃化轉變溫度的聚酯。例如，玻璃化轉變溫度（"T g"）可為約0 °C或更高，在一些實施 例中從約5°C至約100°C，在一些實施例中從約30°C至約80°C以及在一些實施例中從約50°C 至約75°C。聚酯也可以具有從約140°C至約300°C，在一些實施例中從約150°C至約250°C以 及在一些實施例中從約160°C至約220°C的熔融溫度。熔融溫度可以根據ASTMD-3417采用差 示掃描量熱法(〃DSC〃）來測定。玻璃化轉變溫度可以根據ASTME1640-09通過動態機械分析 來測定。
[0028] -種特別適合的剛性聚酯是聚乳酸，其通常可源自乳酸的任何同分異構體的單體 單元，諸如左旋乳酸（"L-乳酸"）、右旋乳酸（"D-乳酸"）、內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體的酸酐形成，包括L-丙交酯、D-丙交酯、內消旋丙交酯 或它們的混合物。這樣的乳酸和/或丙交酯的環狀二聚體也可以被采用。任何已知的聚合方 法，諸如縮聚或開環聚合，均可以用來聚合乳酸。少量的擴鏈劑(例如，二異氰酸酯化合物、 環氧化合物或酸酐)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選為約85摩爾％或更高，在一些實施例中約90摩爾％ 或更高以及在一些實施例中約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] 在一個特定的實施例中，聚乳酸具有以下通式結構：
[0031]本發明中可使用的適合的聚乳酸聚合物的一個具體例子可從德國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，在一些實施例中從約50， 000