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TWI870355B - 施加包含可熔性聚合物並具有封端nco基團的材料之方法 - Google Patents

施加包含可熔性聚合物並具有封端nco基團的材料之方法 Download PDF

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TWI870355B
TWI870355B TW108124218A TW108124218A TWI870355B TW I870355 B TWI870355 B TW I870355B TW 108124218 A TW108124218 A TW 108124218A TW 108124218 A TW108124218 A TW 108124218A TW I870355 B TWI870355 B TW I870355B
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德克 阿契丹
湯瑪士 布斯詹
喬治 堤爾拉克
尼可拉斯 迪吉奧吉歐
喬納斯 坤恩索
喬治 布契納
沃夫岡 安德堤
馬汀 麥爾契奧斯
哈拉德 克勞斯
法比恩 舒斯特
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德商科思創德意志股份有限公司
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Abstract

施加包含可熔性聚合物之材料的方法,包含下列步驟:
- 將包含可熔性聚合物的至少部分熔融的材料之細絲從排放元件的排出開口施加至第一基板。
可熔性聚合物具有下列性質:
- 熔點(DSC,微差掃描熱卡計;以5℃/min的加熱速率第二次加熱)在
Figure 108124218-A0202-11-0001-11
35℃至
Figure 108124218-A0202-11-0001-14
150℃的範圍;
- 玻璃轉化溫度(DMA,動態機械分析,依據DIN EN ISO 6721-1:2011)在
Figure 108124218-A0202-11-0001-13
-70℃至
Figure 108124218-A0202-11-0001-12
110℃的範圍;
其中在施加過程中,細絲的施加溫度比可熔性聚合物的熔點高
Figure 108124218-A0202-11-0001-15
100℃,計
Figure 108124218-A0202-11-0001-16
20分鐘。
仍有封端NCO基團在包括可熔性聚合物的材料中。

Description

施加包含可熔性聚合物並具有封端NCO基團的材料之方法
本發明係關於施加包含可熔性聚合物之材料的方法,包含將包含可熔性聚合物的至少部分熔融的材料之細絲從排放元件的排出開口施加至第一基板的步驟。
積層製造法係指逐層堆建物件的方法。故其明顯不同於其他製造物件的方法,例如銑削或鑽孔。在後者方法中,物件經加工移除材料,使之呈現最終幾何形狀。
積層製造法使用不同材料和加工技術來逐層堆建物件。在融合沉積成型(FDM)法中,例如,熱塑性線材液化及藉助噴嘴逐層沉積至可動建構平台上。凝固後形成固體物件。噴嘴和建構平台基於物件的CAD圖控制。此技術的早期專利文獻為US 5,121,329。若物件的幾何形狀很複雜,例如具底切幾何形狀,則在完成物件後還需再次列印及移除支撐材料。
根據WO 2015/197515 A1,熱塑性聚胺酯具有20-170℃的熔化範圍(DSC,微差掃描熱卡計;以5K/min的加熱速率第二次加熱操作),及依據DIN ISO 7619-1,50-95的蕭氏A硬度,具有依據ISO 1133,5-15cm3/10min之在 溫度T下的熔體容積速率(MVR),在溫度T增加20℃的情況下,MVR變化小於90cm3/10min。最終用途係以粉末應用積層製造法製造物件。
WO 2016/198425 A1揭示導熱熱熔膠組成物,包含a)至少一導熱填料,其中導熱填料包含比例10:1的片狀顆粒與第一球形顆粒混合物,其中片狀顆粒的縱橫比為1.27:7。或者,導熱填料含有平均粒徑35至55μm的第二球形顆粒和平均粒徑2至15μm的第三球形顆粒的混合物,比例為10:1。導熱填料選自由氧化錫、氧化銦、氧化銻、氧化鋁、氧化鈦、氧化鐵、氧化鎂、氧化鋅、稀土金屬氧化物、鹼金屬與鹼土金屬硫酸鹽、白堊、氮化硼、鹼金屬矽酸鹽、氧化矽、鐵、銅、鋁、鋅、金、銀、錫、鹼金屬與鹼土金屬鹵化物、鹼金屬與鹼土金屬磷酸鹽及其混合物所組成的群組。此外,組合物包含b)選自聚醯胺、熱塑性聚醯胺、共聚醯胺、丁基橡膠、聚丁烯、聚(甲基)丙烯酸酯、聚苯乙烯、聚胺酯、熱塑性聚胺酯、聚酯、乙烯共聚物、乙烯-乙烯基共聚物、SB橡膠、SEBS橡膠、SI橡膠、SIS橡膠、SBS橡膠、SIB橡膠、SIBS橡膠、聚乳酸、聚矽氧、環氧樹脂、聚醇及其混合物的至少一(共)聚合物。根據用途請求項,材料亦可用作3D列印的細絲。
DE 10 2012 020000 A1係關於多段3D列印法和可用於此方法的裝置。此專利申請案指出,在稱作拆包加工步驟後,塑形物件送往最終固結步驟。隨後,塑形物件送至進一步後續加工。此加工步驟較佳當作熱處理步驟執行。藉由此方法製得的由Croning砂製造的零件即為一例。拆包後,較佳將其再次嵌入其他粒狀材料。然此不具任何黏結塗層且較佳具有良好導熱性。之後,零件在高於黏結劑熔化溫度的烘箱中熱處理。在一較佳具體實例中,塗層的特定酚醛樹脂為交聯的且強度明顯增高。通常,熱熔膠較佳用於最終固結加工步驟。所用基礎聚合物較佳為PA(聚醯胺)、PE(聚乙烯)、APAO(無定形聚α-烯烴)、EVAC(乙烯-乙酸乙烯酯共聚物)、TPE-E(聚酯彈性體)、TPE-U(聚 胺酯彈性體)、TPE-A(共聚醯胺彈性體)和乙烯基吡咯酮/乙酸乙烯酯共聚物。可添加熟諳此技術者已知的其他習用添加劑,例如成核劑。
反應性熱熔膠已描述於先前技術。EP 1 036 103 B1係關於如無溶劑水分固化聚胺酯熱熔膠組成物,其在室溫下為固體及包含以下組分之組合的產物:
a)95-3重量%的第一聚異氰酸酯與分子量小於60 000的烯鍵式不飽和單體的聚合物的反應產物,其中聚合物具有活性氫基團;及非乙烯、乙酸乙烯酯與具有至少一個一級羥基之烯鍵式不飽和單體的共聚物;
b)5-90重量%的具有游離異氰酸酯基團的至少一聚胺酯預聚物,其由出自聚酯二醇、聚酯三醇、聚酯聚醇、芳族聚醇及其混合物群組的至少一聚醇和至少一第二聚異氰酸酯製備,其可同於或不同於第一聚異氰酸酯;及
c)0-40重量%、出自催化劑、增黏劑、塑化劑、填料、顏料、穩定劑、黏著促進劑、流變改良劑及其混合物群組的至少一添加劑,其中a)、b)和c)的總和為100重量%。
EP 1 231 232 B1揭示自持反應性熱熔膠元件,包含反應性單組分熱熔膠,其在室溫下為固體並包含在室溫下為固體或液體的至少一異氰酸酯和至少一異氰酸酯反應聚合物及/或樹脂,其在室溫下為固體。在一具體實例中,所用異氰酸酯係隱蔽或封端異氰酸酯,其特別可在熱及/或水分作用下消除封端或隱蔽基團。EP 1 232 232 B1所述方法未描述在>160℃的溫度下使用。實施例本質上係未蒸餾異氰酸酯官能低分子量預聚物,其具有過量單體或二聚異氰酸酯。由於製造方法具有明顯過量的異氰酸酯官能度,故無線性高分子量聚合物形成。
WO 2018/046726 A1係關於製造物件的方法,包含下列步驟:
I)施加至少部分熔融的構材細絲至載具,以獲得對應物件的第一選定截面之構材層;
II)施加至少部分熔融的構材細絲至先前施加構材層,以獲得另一構材層,其對應物件的另一選定截面並接合先前施加層;
III)重複步驟II),直到形成物件;
其中至少步驟II)和III)係在腔室內進行,構材包括可熔性聚合物。可熔性聚合物具有>20℃至<100℃的熔化範圍(DSC,微差掃描熱卡計;以5K/min的加熱速率第二次加熱),及>10Pa.s至<1 000 000Pa.s之複數黏度量值|η*|(利用黏度測量法,以板/板振動剪切黏度計在100℃下測定熔體,剪切速率為1/s),且腔室溫度為<50℃。
本發明欲解決的問題為至少部分彌補先前技術的缺點。特定解決問題乃述明用於(潛在)反應性熱熔膠的新穎加工方法。
上述問題可由根據申請專利範圍第1項之方法解決。有利的開發結果述明於申請專利範圍附屬項。除非上下文明顯對立,否則可依需求結合。
根據本發明,提出施加包含可熔性聚合物之材料的方法,包含下列步驟:
- 將包含可熔性聚合物的至少部分熔融的材料之細絲從排放元件的排出開口施加至第一基板;
其中可熔性聚合物具有下列性質:
- 熔點(DSC,微差掃描熱卡計;以5℃/min的加熱速率第二次加熱)在
Figure 108124218-A0202-12-0004-23
35℃至
Figure 108124218-A0202-12-0004-24
150℃(較佳為
Figure 108124218-A0202-12-0004-25
40℃至
Figure 108124218-A0202-12-0004-26
130℃,更佳為
Figure 108124218-A0202-12-0004-27
45℃至
Figure 108124218-A0202-12-0004-28
120℃)的範圍;
- 玻璃轉化溫度(DMA,動態機械分析,依據DIN EN ISO 6721-1:2011)在
Figure 108124218-A0202-12-0004-33
-70℃至
Figure 108124218-A0202-12-0004-32
110℃(較佳為
Figure 108124218-A0202-12-0004-31
-50℃至
Figure 108124218-A0202-12-0004-30
50℃,更佳為
Figure 108124218-A0202-12-0004-29
-45℃至
Figure 108124218-A0202-12-0004-34
20℃)的範圍;
其中在施加過程中,細絲的施加溫度比可熔性聚合物的熔點高
Figure 108124218-A0202-12-0005-35
100℃(較佳
Figure 108124218-A0202-12-0005-36
120℃,更佳
Figure 108124218-A0202-12-0005-41
180℃,再佳
Figure 108124218-A0202-12-0005-40
200℃),計
Figure 108124218-A0202-12-0005-39
20分鐘(較佳為
Figure 108124218-A0202-12-0005-38
1秒至
Figure 108124218-A0202-12-0005-37
10分鐘,更佳為
Figure 108124218-A0202-12-0005-42
1秒至
Figure 108124218-A0202-12-0005-44
5分鐘,再佳為
Figure 108124218-A0202-12-0005-45
1秒至
Figure 108124218-A0202-12-0005-47
2分鐘,特佳為
Figure 108124218-A0202-12-0005-48
1秒至
Figure 108124218-A0202-12-0005-49
30秒);及其中在包括可溶性聚合物的材料中仍存在有用封端劑封端的NCO基團。
施加細絲的第一基板可為平面或曲面,或係3D列印法施加的最後一層。
可熔性聚合物(通常為半結晶聚合物且不期給予任何限制)可稱作熱熔膠(hotmelt adhesive)。驚人地發現,此類熱熔體(hotmelts)可在遠高於熔化溫度、甚至分解溫度的溫度下短暫加工,又不會顯著失去預定性質。崩解溫度在此應理解成意指聚合物材料的儲存模數G’(DMA,動態機械分析,依據DIN EN ISO 6721-1:2011,頻率為1/s)在
Figure 108124218-A0202-12-0005-50
1小時內超過兩倍或儲存模數G’降至小於起始值一半之值時的溫度。
排放元件的排出開口較佳為噴嘴。
特別適於施加包含可熔性聚合物之材料的裝置據悉為可依FDM 3D列印機原理工作的列印頭。此一般涉及將預押出熱塑性材料股線(實心細絲)輸送通過短暫加熱區,以於加熱區末端由噴嘴押出,噴嘴的截面積小於輸送實心細絲的截面積。押出期間,列印頭可在XYZ方向的空間自由移動,但通常係在基板表面上方的恆定距離,與基板表面的距離通常小於平均噴嘴直徑,使押出物在沉積至基板時受壓變形。列印頭的移動速度通常大於噴嘴押出押出物的速度,致使其將遭到額外拉伸變形。在用於製造積層製造組件的FDM法中,移動速度一般選擇為20-50mm/s。低移動速度通常可達成較佳結果。
在根據本發明方法中,反之,有利的是令移動速度(施加速度)大於20mm/s,較佳>50mm/s,最佳>100mm/s。施加層厚度和施加層寬度可由排放噴嘴的材料排出速率、噴嘴幾何形狀、材料壓力、噴嘴的移動速度和噴嘴 距基板表面的距離的比率控制。若噴嘴排出速率小於移動速度且噴嘴與基板的距離小於噴嘴直徑,將產生施加層厚度小於噴嘴直徑的塗層。當基板距噴嘴的距離大於噴嘴直徑且移動速度不等於排出速率時,無連續均勻層沉積,故此具體實例非較佳的。
若噴嘴出口的熱熔體黏度太高,則排出速率受限於列印頭的積累壓力和最大輸送輸出。再者,因高熱熔體黏度所致,噴嘴頭的高壓通常會造成明顯模具膨脹,以致在噴嘴出口發生週期性模具膨脹脈動。
故可連續層沉積的最大移動速度且層厚度直徑小於噴嘴直徑係對於穩定加工狀態的良好指標。移動速率仍係FDM列印機的較佳調整參數,由此可計算在給定層距離和噴嘴幾何形狀下列印編程的預定排出速率,及相應建立材料輸送速率。
使用具0.4mm圓形噴嘴之列印頭的移動速度並假設基板距離為0.2mm,亦可計算在列印頭的加熱部分的滯留時間,其容積例如為約200mm3
本發明方法特別適合加工高分子量熱熔膠,其分子量Mw以GPC在DMF/LiBr(1%)中對照聚苯乙烯標準測定及利用黏度偵測器進行通用校正後為>30 000,較佳為>50 000,更佳為>80 000,最佳為>100 000g/mol,及/或儲存模數G’(板/板振動黏度計,依據ISO 6721-10,頻率為1/s)在比熔點高20℃下為
Figure 108124218-A0202-12-0006-54
1.104Pa,較佳為
Figure 108124218-A0202-12-0006-55
5.104Pa,更佳為
Figure 108124218-A0202-12-0006-52
1.105Pa,最佳為
Figure 108124218-A0202-12-0006-51
5.105Pa。
特別適用根據本發明方法的熱熔體具有在低於熔化溫度時緩慢結晶的進一步特徵。此能使膠在低於熔化溫度的溫度下有長開放時間(open time),反之,習知熱熔體較佳為熱接合,即在約熔點溫度下。在一特佳具體實例中,在根據本發明方法中,使用在
Figure 108124218-A0202-12-0006-56
(熔點-10℃(較佳-20℃且更佳-30℃)的溫度下具有
Figure 108124218-A0202-12-0006-61
10秒、較佳
Figure 108124218-A0202-12-0006-62
30秒、更佳
Figure 108124218-A0202-12-0006-57
1分鐘、且再佳
Figure 108124218-A0202-12-0006-58
5分鐘的長開放時間的熱熔體。在另一特佳具體實例中,在施加至具有
Figure 108124218-A0202-12-0006-60
30℃及
Figure 108124218-A0202-12-0006-59
10℃的溫度的基板而快速冷卻後,緊接在冷卻至基板溫度後,熱熔體具有
Figure 108124218-A0202-12-0006-63
1.105Pa,較佳為
Figure 108124218-A0202-12-0006-64
2.105Pa,更佳為
Figure 108124218-A0202-12-0007-65
3.105Pa,再佳為
Figure 108124218-A0202-12-0007-66
4.105Pa,且
Figure 108124218-A0202-12-0007-67
5.107Pa,較佳為
Figure 108124218-A0202-12-0007-68
1.107Pa,更佳為
Figure 108124218-A0202-12-0007-69
5.106Pa之儲存模數G’(板/板振動黏度計,依據ISO 6721-10,頻率為1/s)。
在噴嘴出口形成的個別押出物細絲例如可視噴嘴幾何形狀而呈現各種不同形狀。較佳使用旋轉對稱盒形或槽形噴嘴幾何形狀,其能施加具有
Figure 108124218-A0202-12-0007-70
20μm至
Figure 108124218-A0202-12-0007-71
5mm、較佳
Figure 108124218-A0202-12-0007-72
50μm至
Figure 108124218-A0202-12-0007-73
2mm、更佳80μm至
Figure 108124218-A0202-12-0007-74
1mm、最佳80μm至
Figure 108124218-A0202-12-0007-75
0.5mm的塗層厚度之塗帶。
在根據本發明方法的施加溫度下,先前封端NCO基團將被去封端,使施加材料尤其可後交聯。在此,材料亦可稱作反應性或潛在反應性。NCO基團的共反應物可在材料中呈游離形式,例如游離羥基或胺基形式,或可藉由熱打開通過加成所得的官能基而產生。術語「後交聯」亦包括施用前材料未交聯的情況。
對根據本發明方法有利的是當在施加至基板前的封端異氰酸酯在聚合物基質中的分布比在施加至基板後更糟糕/更粗劣時。此係因為封端聚異氰酸酯在>120℃、較佳>150℃、更佳>180℃、且最佳>200℃的加工溫度下熔化並攙入聚合物基質,其中封端異氰酸酯在施加期間熔化及至少部分溶於聚合物基質,或平均粒徑在施加於聚合物基質後為<50μm(較佳為<20μm,更佳為<10μm且最佳為<5μm)。平均粒徑在此可用顯微鏡在截面圖像上測量。
亦有利的是當封端聚異氰酸酯在施加做為潛在反應性熱熔膠前已是加上聚合物基質的非均相混合物形式時。固體封端聚異氰酸酯可以各種方法攙入可熔性聚合物。適合方法為使水性封端聚異氰酸酯分散液和水性熱熔膠分散液一起共沉澱或共凍析。另一方法為水性熱熔膠分散液和水性封端聚異氰酸酯分散液結合應用及乾燥。又一適合方法為混合微粉化熱熔膠/聚合物基質與固體微粉化封端聚異氰酸酯粉末。再一方法為一起低溫研磨熱熔膠和固體封端聚異氰酸酯。還有一方法為在熱塑性混合加工時利用共押出機、捏合機、輥或 其他適合機械混合方法,在高於熱塑性塑膠的熔化溫度下混合固體封端聚異氰酸酯與熱熔膠。
在一較佳具體實例中,封端異氰酸酯為液體,且由諸如輥壓、捏合、攪拌等適合機械方法,在溫度較佳低於封端異氰酸酯去封端溫度下,以液體形式攙入熱熔膠,計<8小時(較佳<6小時,更佳<2小時且最佳<1小時)。去封端溫度應定義為在熱熔膠存有Zerewitinoff(澤列維季諾夫)活性氫原子下,一半的封端異氰酸酯在1小時內降解的溫度。
在製備聚合物基質與封端聚異氰酸酯的非均相混合物的所有方法中,溫度較佳為選擇以大大防止封端異氰酸酯與聚合物基質的初步反應。在本文中,「大大防止」意指超過70%(較佳80%且更佳90%)的封端異氰酸酯在非均相混合物中仍處於未反應形式。
在根據本發明方法中,施加反應性熱熔膠前,較佳為至少一固體或液體封端異氰酸酯與固體聚合物的非均相混合物。在根據本發明方法中,施加至基板前,相應加熱非均相混合物及較佳利用至少一>10/s的剪切力混合,計>0.5秒。封端異氰酸酯在聚合物基質中的分布在此可改變成在封端聚異氰酸酯與聚合物基質間界面有更好分布或更大表面積,較佳趨向均質混合物,其中聚異氰酸酯在聚合物基質中的粒徑為<20μm(較佳<10μm,更佳<5μm且最佳<1μm)。
施加至基板後,封端聚異氰酸酯於聚合物基質的良好分布導致經過<14天(較佳<7天,更佳<3天)後,聚合物基質的熔體黏度在比熔點高20℃的溫度下可增加至少50%(較佳100%且更佳200%)。
在根據本發明方法中,NCO基團的反應可能性可解決熱熔膠加工的兩個方面。首先,可減輕可熔性聚合物的熱降解反應。此類反應例如為胺基甲酸酯或脲基團裂解。此方面表現為較少可用NCO基團含量。其次,熱熔膠的參數「黏性」和「軟化點」亦被有利地影響。此方面表現為較高可用NCO基團含量。
所施加材料的後交聯可進一步使熔體模數增加至少50%及使鍵結耐熱性提高至少10℃。
NCO基團較佳在混合可熔性聚合物與含NCO基團的組分時引入材料中以得到待加工材料時。混合較佳係受剪切下暨在低於可熔性聚合物熔點的溫度下進行。
在較佳具體實例中,封端NCO基團的含量按含有可熔性聚合物的材料總重量計為
Figure 108124218-A0202-12-0009-76
0.1重量%至
Figure 108124218-A0202-12-0009-77
10重量%(滴定測定,依據DIN EN ISO 11909)(較佳為
Figure 108124218-A0202-12-0009-81
0.3重量%至
Figure 108124218-A0202-12-0009-80
7重量%,更佳為
Figure 108124218-A0202-12-0009-79
0.5重量%至
Figure 108124218-A0202-12-0009-82
5重量%)。為測定NCO含量,預先使封端NCO基團去封端。封端劑實例為乙醯丙酮、3,5-二甲基吡唑、2-丁酮肟、ε-己內醯胺及其混合物。
在另一較佳具體實例中,可熔性聚合物亦具有下列性質之至少一者:
A1)在比熔點高20℃下,儲存模數G’(板/板振動黏度計,依據ISO 6721-10,頻率為1/s)為
Figure 108124218-A0202-12-0009-83
1.104Pa,較佳為
Figure 108124218-A0202-12-0009-85
5.104Pa,更佳為
Figure 108124218-A0202-12-0009-87
1.105Pa,最佳為
Figure 108124218-A0202-12-0009-88
2.105Pa;
A2)並預先加熱至比熔點高20℃的溫度、隨後以1℃/min的冷卻速率冷卻之在比熔點低10℃下的儲存模數G’(板/板振動黏度計,依據ISO 6721-10,頻率為1/s)為
Figure 108124218-A0202-12-0009-89
1.107Pa,較佳為
Figure 108124218-A0202-12-0009-90
5.106Pa,更佳為
Figure 108124218-A0202-12-0009-91
1.106Pa;
A3)在施加過程所達最高施加溫度下的可熔性聚合物之儲存模數G’(板/板振動黏度計,依據ISO 6721-10,頻率為1/s)比在比可熔性聚合物熔點高20℃的溫度下的儲存模數G’(板/板振動黏度計,依據ISO 6721-10,頻率為1/s)小
Figure 108124218-A0202-12-0009-92
10倍(較佳小
Figure 108124218-A0202-12-0009-93
30倍,最佳小
Figure 108124218-A0202-12-0009-94
100倍);
A4)A1)至A3)性質中的至少二者。
在又一較佳具體實例中,包括可熔性聚合物之材料的封端NCO基團存於獨立組分,獨立組分具有為
Figure 108124218-A0202-12-0009-97
340g/mol至
Figure 108124218-A0202-12-0009-96
10 000g/mol(較佳為
Figure 108124218-A0202-12-0009-98
400 g/mol至
Figure 108124218-A0202-12-0010-99
8000g/mol,更佳為
Figure 108124218-A0202-12-0010-100
500g/mol至
Figure 108124218-A0202-12-0010-101
5000g/mol)的平均分子量Mn(利用凝膠滲透層析、對照聚苯乙烯標準測定,N,N-二甲基乙酼胺做為溶析液)。獨立組分實例為水可分散脂族親水化聚異氰酸酯交聯劑(硬化劑),其在工業中用於配製水可分散塗層。獨立組分的封端劑較佳為2-丁酮肟(MEKO)、3,5-二甲基吡唑、己內醯胺或上述至少二者的組合物。
在再一較佳具體實例中,包括可熔性聚合物的材料中仍有具Zerewitinoff活性氫原子的游離基團。其較佳為醇、硫醇、聚胺、胺基甲酸酯及/或脲。和NCO基團一起則可在所施加材料中進行交聯反應。有用實例包括聚酯聚醇、聚醚聚醇、聚碳酸酯聚醇、聚丙烯酸酯聚醇、聚胺酯、聚硫醇、聚脲或上述至少二者的組合。
在另一較佳具體實例中,選擇封端劑使得NCO基團去封端後不會釋放封端劑做為游離分子或做為其他分子或分子部分的一部分。在此,尚提及消除無產物封端劑。此具有避免封端劑造成有機化合物排放的優點。
在又一較佳具體實例中,封端劑選自由有機異氰酸酯、內醯胺、碳酸甘油酯、式(I)化合物所組成的群組:
Figure 108124218-A0202-12-0010-1
其中X係拉電子基,R1和R2個別代表原子團H、C1-C20-(環)烷基、C6-C24-芳基、C1-C20-(環)烷基酯或醯胺、C6-C24-芳基酯或醯胺、具1至24個碳原子的混合脂族/芳族原子團,其亦可為4至8員環的一部分,n係0至5的整數,或上述至少二者的組合。
拉電子基X可為造成α-氫的CH酸性的任何取代基。其例如為酯基、醯胺基、亞碸基、碸基、硝基、膦酸酯基、腈基、異腈基、多鹵烷基、鹵素(如氟、氯)或羰基。較佳為腈和酯基,特佳為羧酸甲酯和羧酸乙酯基。適 合的還有式(I)化合物,其環視情況含有雜原子,例如氧、硫或氮原子。式(I)活性環酮的環大小以5(n=1)和6(n=2)為佳。
式(I)化合物較佳為環戊酮-2-羧基甲酯與羧基乙酯、環戊酮-2-碳化腈、環己酮-2-羧基甲酯與羧基乙酯或環戊酮-2-羰基甲基。環戊酮-2-羧基甲酯與羧基乙酯和環己酮-2-羧基甲酯與羧基乙酯尤佳。環戊酮系統工業上很容易由己二酸二甲酯或己二酸二乙酯的Dieckmann縮合作用獲得。環己酮-2-羧基甲酯可由水楊酸甲酯的氫化作用製得。
在(I)型化合物的例子中,NCO基團封端、去封端及與聚醇或聚胺反應係依以下示例性反應式進行:
Figure 108124218-A0202-12-0011-2
基團R代表任何所欲基團。式(I)β-二酮(其中R1和R2代表H,X代表C(O)OCH3)透過C-H-酸性C原子加成至游離NCO基團上而形成另一胺基甲酸酯基團。依此可得具有封端NCO基團的分子。NCO基團隨後再次去封端。此可藉由打開環戊酮環來達成,從而表環(formal)形成碳陰離子和醯陽離子。
此以中括弧內的中間物表示。聚醇Y(OH)n或聚胺Z(NH2)m(二級胺當亦可行)在n
Figure 108124218-A0202-12-0011-102
2且m
Figure 108124218-A0202-12-0011-103
2時將偕同OH基或胺基表環加成至醯陽離子,H原子進一步遷移到碳陰離子C原子。封端劑很明顯仍保持共價鍵結。
NCO基團的封端、去封端及與用碳酸甘油酯系聚醇或聚胺去封端後所得官能基的反應舉例繪示於以下化學式:
Figure 108124218-A0202-12-0012-3
基團R代表任何所欲基團。碳酸甘油酯透過游離OH基加成至游離NCO基團上而形成另一胺基甲酸酯基團。NCO基團隨後再次去封端。此可藉由打開環碳酸酯環來達成,從而表環形成烷氧離子和醯陽離子。此以中括弧內的中間物表示。醇Y(OH)n或胺Z(NH2)m(二級胺當亦可行)在n
Figure 108124218-A0202-12-0012-104
2且m
Figure 108124218-A0202-12-0012-105
2時將偕同OH基或胺基表環加成至醯陽離子,質子進一步遷移到碳陰離子C原子。封端劑很明顯仍保持共價鍵結。
在內醯胺例子中,較佳為ε-己內醯胺。封端及去封端類似上示二化學式進行。內醯胺的N-H基團加成至游離NCO基團上而形成脲基團。內醯胺環再次表環打開產生醯陽離子和帶負電N原子。醇或胺可加成至醯陽離子上,並將剩餘質子轉移到帶負電N原子。在此封端劑也保持共價鍵結。
較佳者係封端劑為有機異氰酸酯。待封端NCO基團則可與封端劑的NCO基團反應形成脲二酮。逆反應導致NCO基團再生成,其與可用擴鏈劑反應。特佳為封端劑和具待封端NCO基團的化合物一樣。封端則包含相關化合物二聚作用。此及與聚醇和聚胺的反應舉例繪示於以下化學式:
Figure 108124218-A0202-12-0013-4
基團R和R’代表任何所欲基團。去封端將造成脲二酮環打開而再生成二NCO基團。其接著與醇或胺反應。醇Y(OH)n或胺Z(NH2)m(二級胺當亦可行)在n
Figure 108124218-A0202-12-0013-106
2且m
Figure 108124218-A0202-12-0013-107
2時將加成至NCO基團上而形成胺基甲酸酯或脲基團。
在又一較佳具體實例中,封端劑選自乙醯丙酮、乙醯乙酸、丙二酸酯、經取代或未經取代吡唑(較佳為3,5-二甲基吡唑)、烷酮肟(較佳為2-丁酮肟、MEKO)、二級胺(較佳為N-叔丁基-N-芐胺、BEBA)或上述至少二者的組合。
在較佳具體實例中,封端異氰酸酯在施加及鍵結過程中在存有加速或延遲去封端的催化劑或抑制劑(標準文獻揭示)下去封端。
適合催化劑尤其為親核或親電子,且特別適合做為(反式)胺基甲酸酯化催化劑和脲基甲酸酯化催化劑。典型代表物例如為(辛酸)2錫(Sn)或二丁基二月桂酸錫(DBTL)。催化劑和抑制劑特別選擇用於各封端異氰酸酯。
在另一較佳具體實例中,噴嘴頭的押出物溫度為
Figure 108124218-A0202-12-0013-108
120℃,較佳為
Figure 108124218-A0202-12-0013-109
150℃,更佳為
Figure 108124218-A0202-12-0013-111
200℃,且最佳為
Figure 108124218-A0202-12-0013-112
250℃。
材料較佳在用於根據本發明方法前先乾燥,水含量為
Figure 108124218-A0202-12-0013-265
3重量%(較佳
Figure 108124218-A0202-12-0013-115
1重量%,更佳
Figure 108124218-A0202-12-0013-113
0.5重量%且最佳
Figure 108124218-A0202-12-0013-114
0.1重量%)。
在又一較佳具體實例中,在根據本發明方法中,材料經歷熱積分,此定義為在進料到押出機後及在施加至基板前,在高於可交聯材料熔化溫度下的溫度滯留時間面積,其為
Figure 108124218-A0202-12-0013-116
2000℃.min,較佳為
Figure 108124218-A0202-12-0013-117
500℃.min,較佳為
Figure 108124218-A0202-12-0013-119
300 ℃.min及最佳為
Figure 108124218-A0202-12-0014-120
100℃.min,且
Figure 108124218-A0202-12-0014-121
2℃.min,較佳為
Figure 108124218-A0202-12-0014-122
5℃.min及更佳為
Figure 108124218-A0202-12-0014-123
10℃.min。就在200℃下滯留時間5min而言,熱積分計算例如為200℃.5min=1000℃.min。
在再一較佳具體實例中,以根據本發明方法施加材料至基板時,基板上的積累壓力為
Figure 108124218-A0202-12-0014-126
0.1巴,較佳為
Figure 108124218-A0202-12-0014-124
0.5巴,更佳為
Figure 108124218-A0202-12-0014-125
0.8巴,及最佳為
Figure 108124218-A0202-12-0014-130
1巴,且
Figure 108124218-A0202-12-0014-128
50巴,較佳為
Figure 108124218-A0202-12-0014-127
20巴,更佳為
Figure 108124218-A0202-12-0014-129
10巴。在此考量壓力為輸送熱熔膠所產生壓力及排出開口和排放元件一起施予基板壓力的總和,例如彈簧負載或氣動或液壓背壓。
除了可熔性聚合物,材料可包含其他添加劑,例如填料、顏料、黏著促進劑、均染助劑、消泡劑、氧化及水解穩定劑等,還有其他聚合物。材料中的添加劑總含量例如為
Figure 108124218-A0202-12-0014-154
0.5重量%至
Figure 108124218-A0202-12-0014-155
20重量%。
在加熱達比熔點高20℃及以4℃/min的冷卻速率冷卻至20℃後,在25℃至40℃的溫度間隔內,計
Figure 108124218-A0202-12-0014-131
1分鐘(較佳為
Figure 108124218-A0202-12-0014-132
1分鐘至
Figure 108124218-A0202-12-0014-133
100分鐘,更佳為
Figure 108124218-A0202-12-0014-137
3分鐘至
Figure 108124218-A0202-12-0014-136
80分鐘,再佳為
Figure 108124218-A0202-12-0014-135
5分鐘至
Figure 108124218-A0202-12-0014-134
60分鐘),可熔性聚合物的儲存模數G’(在各溫度下使用板/板振動黏度計,依據ISO 6721-10,頻率為1/s測定)為
Figure 108124218-A0202-12-0014-138
1.105Pa,較佳
Figure 108124218-A0202-12-0014-142
2.105Pa,更佳
Figure 108124218-A0202-12-0014-141
3.105Pa,及最佳
Figure 108124218-A0202-12-0014-140
4.105Pa至
Figure 108124218-A0202-12-0014-139
10MPa,較佳
Figure 108124218-A0202-12-0014-143
5Mpa及更佳
Figure 108124218-A0202-12-0014-144
1Mpa,且在冷卻至20℃及在20℃下儲放120分鐘後,儲存模數G’(在20℃下使用板/板振動黏度計,依據ISO 6721-10,頻率為1/s測定)為
Figure 108124218-A0202-12-0014-145
20Mpa(較佳
Figure 108124218-A0202-12-0014-146
50,更佳
Figure 108124218-A0202-12-0014-156
100Mpa)。
又,可熔性聚合物的複數黏度量值|η*|(利用黏度測量法,以板/板振動黏度計,依據ISO 6721-10,在比熔化溫度高20℃下測定熔體,頻率為1/s)為
Figure 108124218-A0202-12-0014-147
100Pa.s至
Figure 108124218-A0202-12-0014-148
5 000 000Pa.s。較佳地,在該等測量條件下的|η*|為
Figure 108124218-A0202-12-0014-152
500Pa.s至
Figure 108124218-A0202-12-0014-151
1000 000Pa.s,更佳為
Figure 108124218-A0202-12-0014-150
1000Pa.s至
Figure 108124218-A0202-12-0014-153
500 000Pa.s。
複數黏度量值|η*|描述動態機械材料分析中黏彈性模數G’(儲存模數)和G”(耗損模數)與激振頻率ω的比率:
Figure 108124218-A0202-12-0014-5
假設複數黏度在根據本發明指定範圍內,則可假定在長期室溫儲放情況下,所用的可熔性聚合物只會發生在技術上微不足道的黏度(若有)。
在另一較佳具體實例中,細絲以
Figure 108124218-A0202-12-0015-157
20mm/s的速率施加。此應理解成意指排出開口與基板的相對速度。施加速率較佳為
Figure 108124218-A0202-12-0015-158
50mm/s,更佳為
Figure 108124218-A0202-12-0015-160
100mm/s。
在又一較佳具體實例中,可熔性聚合物的熔體黏度(板/板振動黏度計,依據ISO 6271-10,頻率為1/s)在比熔點Tm高20℃的溫度下為
Figure 108124218-A0202-12-0015-161
1000Pa.s至
Figure 108124218-A0202-12-0015-162
500 000Pa.s。
在再一較佳具體實例中,選擇可熔性聚合物使得在所達最高施加溫度下儲放
Figure 108124218-A0202-12-0015-163
1小時(較佳
Figure 108124218-A0202-12-0015-164
30分鐘,更佳
Figure 108124218-A0202-12-0015-165
5分鐘,特佳
Figure 108124218-A0202-12-0015-166
1分鐘,最佳<10秒)後,儲存模數G’(DMA,動態機械分析,依據DIN EN ISO 6721-1:2011,頻率為1/s)超過兩倍,或儲存模數G’(DMA,動態機械分析,依據DIN EN ISO 6721-1:2011,頻率為1/s)降至小於起始值的一半之值。G’減小係較佳選定準則。茲發現根據本發明使用的較佳聚合物每當無可避免地熱分解時僅少量凝膠形成(若有)。在此情況下,儘管開始與異氰酸酯交聯反應,仍可降低排放噴嘴堵塞的風險。
在另一較佳具體實例中,施加材料前,在
Figure 108124218-A0202-12-0015-167
5分鐘(較佳
Figure 108124218-A0202-12-0015-168
2分鐘,更佳
Figure 108124218-A0202-12-0015-172
1分鐘)內將之從
Figure 108124218-A0202-12-0015-171
40℃(較佳
Figure 108124218-A0202-12-0015-170
30℃)的溫度加熱達最高施加溫度。
在一較佳具體實例中,在製造後及使用前,材料主要以乾燥形式儲放在空氣濕度
Figure 108124218-A0202-12-0015-176
30%暨溫度
Figure 108124218-A0202-12-0015-175
30℃下,並在
Figure 108124218-A0202-12-0015-173
1年、較佳
Figure 108124218-A0202-12-0015-174
6個月、更佳
Figure 108124218-A0202-12-0015-179
3個月內使用。乾燥儲放與否,材料都可儲放於不透氣包裝。此類包裝為食品業為了儲放水分易敏食品所熟知。
在又一較佳具體實例中,根據本發明,在製造後及使用前,可交聯材料在排除光與氧下儲放。此類包裝為食品業為了儲放光及氧化易敏食品所熟知。
在再一較佳具體實例中,材料在排放元件內加熱達設想最高施加溫度,使材料黏度在此溫度下降低至少10倍(較佳至少50倍,更佳至少100倍)。
在另一較佳具體實例中,基板表面與排放元件的排放開口間的距離為
Figure 108124218-A0202-12-0016-180
1mm。距離較佳為
Figure 108124218-A0202-12-0016-184
0.5mm,更佳為
Figure 108124218-A0202-12-0016-183
0.1mm。在根據本發明方法的又一較佳具體實例中,噴嘴直接接觸基板或與基板的距離為負值。此具體實例特別有利於當基板具撓性且可依順噴嘴及押出熱熔體的壓力時。在此特定具體實例中,噴嘴排出熱熔體的壓力超過基板的壓縮模數。此具體實例對塗佈織物、紗布、泡棉、軟彈性體和多孔材料特別有利,因其在此可產生極佳接觸。
排放元件和其排出開口可壓過第一基板並以恆定壓力接觸第一基板。壓力例如可由彈簧元件、液壓元件或壓力轉換器調整。此方法有利的是,特別係結合排放噴嘴相距基板若干負距離,基板上的任何不均勻或表面粗糙度都可利用恆定壓力模式補償,毋須連續改變壓力施加編程。
或者或此外,噴嘴距基板的距離可藉由連續距離測量來持續測量,例如利用雷射測量,及持續重新調整。
在又一較佳具體實例中,材料以
Figure 108124218-A0202-12-0016-185
0.001巴、較佳
Figure 108124218-A0202-12-0016-186
0.1巴、更佳
Figure 108124218-A0202-12-0016-187
0.5巴的壓力施加至第一基板。
較佳地,可熔性聚合物係聚胺酯,其至少部分由芳族及/或脂族聚異氰酸酯與適合(聚)醇及/或(聚)胺或其摻合物反應而得。較佳地,至少一部分的使用(聚)醇包含選自下列群組:直鏈聚酯聚醇、聚醚聚醇、聚碳酸酯聚醇、聚丙烯酸酯聚醇或上述至少二者的組合。在一較佳具體實例中,(聚)醇或(聚)胺帶有末端醇及/或胺官能基。在另一較佳具體實例中,(聚)醇及/或(聚)胺的分子量為52至10 000g/mol。較佳地,做為進料的(聚)醇或(聚)胺的熔點為5至150℃。至少部分用於製備可熔性聚胺酯的較佳聚異氰酸酯選自包含下列群組:TDI、MDI、HDI、PDI、H12MDI、IPDI、TODI、XDI、NDI、癸烷二異氰酸酯或上述至少二者的組合。特佳聚異氰酸酯為HDI、PDI、H12MDI、MDI和TDI。
在再一較佳具體實例中,可熔性聚合物包含聚胺酯,其由聚異氰酸酯組分與聚醇組分反應而得,聚醇組分包含不流動點(ASTM D5985)
Figure 108124218-A0202-12-0017-188
25℃的聚酯聚醇。
若適當,反應產生聚胺酯時,也可使用分子量範圍
Figure 108124218-A0202-12-0017-189
62至
Figure 108124218-A0202-12-0017-190
600g/mol的二醇做為擴鏈劑。
聚異氰酸酯組分可包含對稱聚異氰酸酯及/或非對稱聚異氰酸酯。對稱聚異氰酸酯實例為4,4’-MDI和HDI。
在非對稱聚異氰酸酯例子中,分子中一NCO基團的空間環境不同於另一NCO基團的空間環境。異氰酸酯基團則會更快與異氰酸酯反應性基團(如OH基)反應,而其餘異氰酸酯基團的反應性較低。聚異氰酸酯的非對稱構造將使得用此聚異氰酸酯形成的聚胺酯亦具較少直鏈結構。
適合的非對稱聚異氰酸酯實例選自下列組成群組:2,2,4-三甲基六亞甲基二異氰酸酯、乙基伸乙基二異氰酸酯、二環己基甲烷二異氰酸酯(H12-MDI)的非對稱異構體、1,4-二異氰氧基環己烷的非對稱異構體、1,3-二異氰氧基環己烷的非對稱異構體、1,2-二異氰氧基環己烷的非對稱異構體、1,3-二異氰氧基環戊烷的非對稱異構體、1,2-二異氰氧基環戊烷的非對稱異構體、1,2-二異氰氧基環丁烷的非對稱異構體、1-異氰氧基甲基-3-異氰氧基-1,5,5-三甲基環己烷(異佛酮二異氰酸酯,IPDI)、1-甲基-2,4-二異氰氧基環己烷、1,6-二異氰氧基-2,2,4-三甲基己烷、1,6-二異氰氧基-2,4,4-三甲基己烷、5-異氰氧基-1-(3-異氰氧基丙-1-基)-1,3,3-三甲基環己烷、5-異氰氧基-1-(4-異氰氧基丁-1-基)-1,3,3-三甲基環己烷、1-異氰氧基-2-(3-異氰氧基丙-1-基)環己烷、1-異氰氧基-2-(2-異氰氧基乙-1-基)環己烷、2-庚基-3,4-雙(9-異氰氧基壬基)-1-戊基環己烷、二異氰氧基甲基降莰烷、2,4’-二苯基甲烷二異氰酸酯(MDI)、2,4-與2,6-甲苯二異氰酸酯(TDI)、所列二異氰酸酯衍生物,尤其係二聚或三聚型、或上述至少二者的組合。
較佳為4,4’-MDI、或包含IPDI與HDI做為聚異氰酯組分的混合物。
聚醇組分包括不流動點(ASTM D5985)
Figure 108124218-A0202-12-0018-191
25℃、較佳
Figure 108124218-A0202-12-0018-192
35℃、更佳
Figure 108124218-A0202-12-0018-193
35℃至
Figure 108124218-A0202-12-0018-194
55℃的聚酯聚醇。為測定不流動點,含有樣品的測試器皿設定為慢速旋轉(0.1rpm)。彈性裝設測量頭浸入樣品,達不流動點時,由於黏度突然增加導致位置偏離;引起的傾斜運動將觸發感測器。
不侷限於理論,假設以上述非對稱聚異氰酸酯和具特定不流動點的聚酯聚醇為基料的聚胺酯具有源自聚合物構成軟鏈段之聚異氰酸基團和源自聚合物構成硬鏈段之聚酯聚醇基團的構造。
具不流動點的聚酯聚醇實例為苯二甲酸、苯二甲酸酐或對稱α,ω-C4-至C10-二羧酸與一或更多C2-至C10-二醇的反應產物。其較佳具有
Figure 108124218-A0202-12-0018-195
400g/mol至
Figure 108124218-A0202-12-0018-197
6000g/mol的數目平均分子量Mn。適合二醇特別係單乙二醇、1,4-丁二醇、1,6-己二醇和新戊二醇。
較佳聚酯聚醇列舉於下並說明其酸和二醇組分:己二酸+單乙二醇、己二酸+單乙二醇+1,4-丁二醇、己二酸+1,4-丁二醇、己二酸+1,6-己二醇+新戊二醇、己二酸+1,6-己二醇、己二酸+1,4-丁二醇+1,6-己二醇、苯二甲酸(酐)+單乙二醇+三羥甲基丙烷、苯二甲酸(酐)+單乙二醇、聚己內酯。較佳聚胺酯由包含IPDI與HDI做為聚異氰酸酯組分的混合物和包含上述較佳聚酯聚醇的聚醇組分獲得。特佳用於建構聚胺酯的是含IPDI與HDI做為聚異氰酸酯組分的混合物和由己二酸+1,4-丁二醇+1,6-己二醇形成聚酯聚醇的組合。
更佳地,聚酯聚醇的OH值(DIN 53240)為
Figure 108124218-A0202-12-0018-202
25至
Figure 108124218-A0202-12-0018-203
170mg KOH/g,及/或黏度(75℃,DIN 51550)為
Figure 108124218-A0202-12-0018-198
50至
Figure 108124218-A0202-12-0018-199
5000mPa.s。
一實例為由聚異氰酸酯組分與聚醇組分反應而得的聚胺酯,其中聚異氰酸酯組分包含HDI和IPDI,其中聚醇組分包含聚酯聚醇,其可由包含己二酸、還有1,6-己二醇和1,4-丁二醇(二醇莫耳比為
Figure 108124218-A0202-12-0018-200
1:4至
Figure 108124218-A0202-12-0018-201
4:1)的反應混合物 反應而得,數目平均分子量Mn(GPC,對照聚苯乙烯標準)為
Figure 108124218-A0202-12-0019-204
4000g/mol至
Figure 108124218-A0202-12-0019-205
6000g/mol。聚胺酯的複數黏度量值|η*|(利用黏度測量法,依據ISO 6721-10,以板/板振動黏度計在100℃下測定熔體,頻率為1/s)為
Figure 108124218-A0202-12-0019-206
2000Pa.s至
Figure 108124218-A0202-12-0019-207
500 000Pa.s。
另一適合聚胺酯實例為:
1.具有末端羥基的實質直鏈聚酯聚胺酯,如EP 0192946 A1所述,係由以下的反應製備:
a)分子量大於600的聚酯二醇,及視情況的
b)分子量62至600g/mol的二醇做為擴鏈劑與
c)脂族二異氰酸酯,
據察組分a)和b)的羥基與組分c)的異氰酸酯基的當量比為1:0.9至1:0.999,其中基於(i)己二酸和(ii)1,4-二羥基丁烷與1,6-二羥基己烷混合物計,組分a)由至少80重量%的聚酯二醇(分子量為4000至6000)組成,二醇莫耳比為4:1至1:4。
在1.所提及聚酯聚胺酯中,較佳為組分a)由分子量4000至6000的100%聚酯二醇組成,其製備涉及使用1,4-二羥基丁烷與1,6-二羥基己烷混合物做為二醇混合物且莫耳比為7:3至1:2。
在1.所提及聚酯聚胺酯中,亦較佳為組分c)包含IPDI和HDI。
在1.所提及聚酯聚胺酯中,又較佳為製備還涉及使用選自由下列組成群組的烷二醇做為組分b):1,2-二羥基乙烷、1,3-二羥基丙烷、1,4-二羥基丁烷、1,5-二羥基戊烷、1,6-二羥基己烷或上述至少二者的組合,其量按組分a)計至多為200羥基當量百分比。
在根據本發明方法的又一較佳具體實例中,在加熱達比熔點高20℃及以4℃/min的冷卻速率冷卻至20℃後,在25℃至40℃的溫度間隔內,計
Figure 108124218-A0202-12-0019-208
1分鐘(較佳為
Figure 108124218-A0202-12-0019-209
1分鐘至
Figure 108124218-A0202-12-0019-210
100分鐘,更佳為
Figure 108124218-A0202-12-0019-213
5分鐘至
Figure 108124218-A0202-12-0019-214
60分鐘),可溶性聚合物的儲存模數G’(在各溫度下使用板/板振動黏度計,依據ISO 6721-10,頻率為1/s測定)為
Figure 108124218-A0202-12-0019-211
100kPa至
Figure 108124218-A0202-12-0019-212
10Mpa,且在冷卻至20℃及在20℃下儲放120分鐘後,儲存模數G’ (在20℃下使用板/板振動黏度計,依據ISO 6721-10,頻率為1/s測定)為
Figure 108124218-A0202-12-0020-215
20Mpa(較佳
Figure 108124218-A0202-12-0020-216
50Mpa、更佳
Figure 108124218-A0202-12-0020-217
100Mpa)。
在再一較佳具體實例中,讓施加材料接觸第二基板。如此可形成黏著接合。接合較佳為受壓進行,直到聚合物冷卻至室溫。接觸較佳係在
Figure 108124218-A0202-12-0020-218
0.1巴且
Figure 108124218-A0202-12-0020-224
100巴、較佳
Figure 108124218-A0202-12-0020-222
0.5巴且
Figure 108124218-A0202-12-0020-221
20巴、更佳
Figure 108124218-A0202-12-0020-220
1巴且
Figure 108124218-A0202-12-0020-219
10巴的壓力下進行。
二基板可為相同或不同。
適合基板例如為紙、紙板、木材、金屬、陶瓷、皮革、合成皮革、橡膠材料、任何塑膠(包括聚胺酯系塑膠)及其發泡體、和氯乙烯的均聚物或共聚物、聚乙酸乙烯酯、聚乙烯-乙酸乙烯酯。
在另一較佳具體實例中,第二基板包括熱熔膠,此接觸施加材料。較佳地,熱熔膠係和用於根據本發明方法或至少亦包含用於根據本發明方法之可熔性聚合物一樣的材料。接觸較佳係在
Figure 108124218-A0202-12-0020-225
0.1巴且
Figure 108124218-A0202-12-0020-226
100巴、較佳
Figure 108124218-A0202-12-0020-227
0.5巴且
Figure 108124218-A0202-12-0020-228
20巴、更佳
Figure 108124218-A0202-12-0020-233
1巴且
Figure 108124218-A0202-12-0020-234
10巴的壓力下進行。或較佳地,第二基板的熱熔膠的溫度比膠的熔化溫度低
Figure 108124218-A0202-12-0020-232
10℃,較佳
Figure 108124218-A0202-12-0020-231
20℃,更佳
Figure 108124218-A0202-12-0020-230
30℃。更佳地,接觸係在小於
Figure 108124218-A0202-12-0020-229
40℃、較佳
Figure 108124218-A0202-12-0020-235
30℃的溫度下進行。
在又一較佳具體實例中,材料加熱達噴嘴內的最高施加溫度,材料以輸入速率引入噴嘴並以輸出速率排出噴嘴,輸出速率大於輸入速率。輸出速率例如為輸入速率的3倍、4倍或高達10倍。特定速率比取決於引入噴嘴的材料細絲直徑和排出的材料細絲幾何形狀。
在再一較佳具體實例中,至少部分熔融材料在噴嘴內受到
Figure 108124218-A0202-12-0020-240
0.5Mpa的壓力。壓力亦可為
Figure 108124218-A0202-12-0020-239
1Mpa或
Figure 108124218-A0202-12-0020-238
5Mpa。
在另一較佳具體實例中,由於噴嘴距基板的距離小於噴嘴的平均直徑,故噴嘴可移動到十分靠近基板,使噴嘴內的材料壓力上升高於計算理論壓力。壓力亦可為
Figure 108124218-A0202-12-0020-236
1Mpa或
Figure 108124218-A0202-12-0020-237
2Mpa。
在又一較佳具體實例中,方法係由包含可熔性聚合物的材料製造物件的方法,方法包含下列步驟:
I)施加至少部分熔融的材料之細絲至載具,以獲得對應物件的第一選定截面之材料層;
II)施加至少部分熔融的材料之細絲至先前施加材料層,以獲得對應物件的另一選定截面之另一材料層並接合先前施加層;
III)重複步驟II),直到形成物件為止。
在此具體實例中,物件係逐層建構。該製程故為熔融分層或融合沉積成型(FDM)法。若施加重複次數夠少,則待構建物件也可稱作二維物件。二維物件亦可特性化為塗層。例如,就其構造而言,可重複施加
Figure 108124218-A0202-12-0021-241
2至
Figure 108124218-A0202-12-0021-243
20次。
待形成物件的電子模型有利地保留在CAD編程。CAD編程接著可計算模型截面,此將成為施加細絲後的物件截面。
步驟I)係關於載具上的第一層構造。隨後,執行步驟II),其中其他層施加至先前施加材料層上,直到獲得最終所欲物件形式。至少部分熔融的材料(在3D列印術語中亦稱作構材)接合現有材料層,以在z方向上形成結構。
在再一較佳具體實例中,基板為織物、箔片、紙、紙板、發泡體、模具部件、鞋子的一部分、電子電路的電路板、電子設備外殼零件或電子部件。
本發明更關於包含可熔性聚合物的可列印材料,其中可熔性聚合物包含具游離NCO基團的聚胺酯。
本發明更提供根據本發明包含可熔性聚合物之材料的用途,用於利用積層製造法製造物件。
本發明將以下面實施例詳細說明,但不以此為限。
進料:
Dispercoll® U 54:陰離子高分子量聚胺酯分散液,源自Covestro Deutschland AG,可原樣使用。Dispercoll® U 54係製造可熱活化膠的原料。
Dispercoll® U 54的技術性質:
Figure 108124218-A0202-12-0022-6
Bayhydur® BL 2867係源自Covestro Deutschland AG,可原樣使用。
Bayhydur® BL 2867係反應性封端脂族聚異氰酸酯,在水中的固含量為38.0±1.0%(DIN EN ISO 3251),黏度(23℃)為<1500mPa.s(DIN EN ISO 3219/A.3)。所用封端劑係3,5-二甲基吡唑。莫耳質量(Mn)為約1600g/mol。
Baybond® XL 6366係源自Covestro Deutschland AG,可原樣使用。Baybond® XL 6366係封端脂族水系聚異氰酸酯,固含量為44-46%(DIN EN ISO 3251),流動時間(DIN 4 cup)為10-30秒(AFAM 2008/10503)。所用封端劑係2-丁酮肟。莫耳質量(Mn)為約2000g/mol。
Baybond® XL 7270係源自Covestro Deutschland AG,可原樣使用。Baybond® XL 7270係封端脂族水系聚異氰酸酯,固含量為29-31%(DIN EN ISO 3251),黏度(23℃)為<100mPa.s(DIN EN ISO 3219/A.3)。所用封端劑係己內醯胺。莫耳質量(Mn)為約1850g/mol。
測試方法:
下文詳述用於測定適當參數的方法用於實行及評估實施例,通常也是決定根據本發明相關參數的方法。
熔點係利用微差掃描熱卡計(DSC)(Q2000,來自Ta Instruments)以5℃/min的加熱速率從第二次加熱時測定。
玻璃轉化溫度係借助動態機械分析(DMA)(Q800,來自TA Instruments),依據DIN EN ISO 6721-1:2011,以1Hz的頻率測定。至於樣品製備,係在60℃暨100巴壓力下,在60秒內,將厚度約3mm的聚合物細絲壓製成厚度約0.4mm的膜。
利用氣相層析(GC)(Agilent 6890氣相層析儀),測定在固體可熔性聚合物中用封端劑封端的NCO基團。為此,使固體可熔性聚合物依0.5重量%的濃度溶於丙酮,再以290℃的射出溫度射出。射出時,在成型機內、290℃下釋放封端劑並當作信號偵測。所用偵測器係火焰離子化偵測器(FID)。
比熔點高20℃時的儲存模數G’係利用板/板振動黏度計(MCR301,來自Anton Paar),依據ISO 6721-10,以1Hz頻率、1%振幅測定。
預先加熱至比熔點高20℃的溫度、隨後以1℃/min冷卻的在比熔點低10℃的儲存模數G’係利用板/板振動黏度計(MCR301,來自Anton Paar),依據ISO 6721-10,以1Hz頻率、1%振幅測定。
在施加過程所達最高施加溫度下的儲存模數G’係在加熱至給定溫度、計60秒後,利用板/板振動黏度計(ARES,來自TA Instruments),依據ISO 6721-10,以1Hz頻率、1%振幅測定。
殘餘水分含量係以熱重分析測定。為此,在乾燥天平(HG 53,來自Mettler Toledo)上以125℃乾燥1g細絲,計60分鐘,確定固含量(%)。依差值Rf=100%-固含量(%)之計算,測定殘餘水分含量(Rf)。
發明實施例1:
將1000g的水性聚胺酯分散液Dispercoll U 54(50%備於水)與65.79g的封端聚異氰酸酯Bayhydur BL 2867混合,並用實驗室攪拌器(來自 Heidolph Instruments GmbH & CO.KG)攪拌3min。隨即將混合物儲放在-12℃下36小時,然後在23℃下24h。隨後,過濾存有粗粒混合物,使用4mm目篩篩濾粒狀殘餘物,及在空氣循環乾燥箱中在30℃下乾燥48h。所得為白色粗粒粉末,其具有殘餘水分含量<2%。隨後,令其在雙螺桿押出機(Micro Compounder,來自DSM Xplore)中在100℃下加工,滯留時間<5min,按40rpm通過具有3mm直徑的孔口噴嘴而得具有約3mm直徑的股線。所得股線在FDM列印機(X400CE,來自German RepRap)(修改供3mm股線加工)加工,加工條件如下:構造空間溫度=23℃,押出噴嘴直徑=0.8mm,押出機溫度=260℃,押出速率=70mm/s。噴嘴的加熱區容積為約0.2ml,如此在施加製程期間,熔融材料的平均滯留時間為約6秒。
Figure 108124218-A0202-12-0024-7
發明實施例2:
將1000g的水性聚胺酯分散液Dispercoll U 54(50%備於水)與55.56g的封端聚異氰酸酯Baybond® XL 6366混合,並用實驗室攪拌器(來自Heidolph Instruments GmbH & CO.KG)攪拌3min。隨即將混合物儲放在-12℃ 下36小時,然後在23℃下24h。隨後,過濾存有粗粒混合物,使用4mm目篩篩濾粒狀殘餘物,及在空氣循環乾燥箱中在30℃下乾燥48h。所得為白色粗粒粉末,其具有殘餘水分含量<2%。隨後,令其在雙螺桿押出機(Micro Compounder,來自DSM Xplore)中在100℃下加工,滯留時間<5min,按40rpm通過具有3mm直徑的孔口噴嘴而得具有約3mm直徑的股線。所得股線在FDM列印機(X400CE,來自German RepRap)(修改供3mm股線加工)加工,加工條件如下:構造空間溫度=23℃,押出噴嘴直徑=0.84mm,押出機溫度=260℃,押出速率=70mm/s。噴嘴的加熱區容積為約0.2ml,如此在施加製程期間,熔融材料的平均滯留時間為約6秒。
Figure 108124218-A0202-12-0025-8
發明實施例3:
將1000g的水性聚胺酯分散液Dispercoll U 54(50%備於水)與83.36g的封端聚異氰酸酯Baybond® XL 7270混合,並用實驗室攪拌器(來自Heidolph Instruments GmbH & CO.KG)攪拌3min。隨即將混合物儲放在-12℃下36小時,然後在23℃下24h。隨後,過濾存有粗粒混合物,使用4mm目篩篩 濾粒狀殘餘物,及在空氣循環乾燥箱中在30℃下乾燥48h。所得為白色粗粒粉末,其具有殘餘水分含量<2%。隨後,令其在雙螺桿押出機(Micro Compounder,DSM Xplore)中在100℃下加工,滯留時間<5min,按40rpm通過具有3mm直徑的孔口噴嘴而得具有約3mm直徑的股線。所得股線在FDM列印機(X400CE,來自German RepRap)(修改供3mm股線加工)加工,加工條件如下:構造空間溫度=23℃,押出噴嘴直徑=0.8mm,押出機溫度=260℃,押出速率=70mm/s。噴嘴的加熱區容積為約0.2ml,如此在施加製程期間,熔融材料的平均滯留時間為約6秒。
Figure 108124218-A0202-12-0026-9
非發明實施例4:
將1000g的水性聚胺酯分散液Dispercoll U 54(50%備於水)儲放在-12℃下36小時,然後在23℃下24h。隨後,過濾存有粗粒混合物,使用4mm目篩篩濾粒狀殘餘物,及在空氣循環乾燥箱中在30℃下乾燥48h。所得為白色粗粒粉末,其具有殘餘水分含量<2%。隨後,令其在雙螺桿押出機(Micro Compounder,DSM Xplore)中在100℃下加工,滯留時間<5min,按40rpm通過 具有3mm直徑的孔口噴嘴而得具有約3mm直徑的股線。所得股線在FDM列印機(X400CE,來自German RepRap)(修改供3mm股線加工)加工,加工條件如下:構造空間溫度=23℃,押出噴嘴直徑=0.8mm,押出機溫度=260℃,押出速率=70mm/s。噴嘴的加熱區容積為約0.2ml,如此在施加製程期間,熔融材料的平均滯留時間為約6秒。
Figure 108124218-A0202-12-0027-10
在20℃下600秒後的儲存模數比在200℃下60秒後的儲存模數小兩倍;此實施例不符合本發明。

Claims (15)

  1. 一種施加包含可熔性聚合物之材料的方法,包含下列步驟:- 將包含可熔性聚合物的至少部分熔融的材料之細絲從排放元件的排出開口施加至第一基板;其特徵在於,該可熔性聚合物具有下列性質:- 熔點在
    Figure 108124218-A0305-13-0001-1
    35℃至
    Figure 108124218-A0305-13-0001-2
    150℃的範圍;- 玻璃轉化溫度在
    Figure 108124218-A0305-13-0001-3
    -70℃至
    Figure 108124218-A0305-13-0001-4
    110℃的範圍;其中在該施加過程中,該細絲的施加溫度比該可熔性聚合物的該熔點高
    Figure 108124218-A0305-13-0001-5
    100℃,計
    Figure 108124218-A0305-13-0001-6
    20分鐘;及其中在包括該可熔性聚合物的材料中仍存在有用封端劑封端的NCO基團。
  2. 根據申請專利範圍第1項之方法,其特徵在於,該可熔性聚合物亦具有至少一下列性質:A1)在比該熔點高20℃下,儲存模數G’為
    Figure 108124218-A0305-13-0001-8
    1.104Pa;A2)預先加熱至比該熔點高20℃的溫度、隨後以1℃/min的冷卻速率冷卻之在比該熔點低10℃下的儲存模數G’為
    Figure 108124218-A0305-13-0001-9
    1.107Pa;A3)在該施加過程所達最高施加溫度下的該可熔性聚合物之該儲存模數G’比在比該可熔性聚合物的該熔點高20。℃溫度下的該儲存模數G’小
    Figure 108124218-A0305-13-0001-10
    10倍;A4)性質A1)至A3)中的至少二者。
  3. 根據申請專利範圍第1或2項之方法,其特徵在於,在包括該可熔性聚合物的該材料中的該NCO基團存在於獨立組分中,該獨立組分具有
    Figure 108124218-A0305-13-0001-11
    340g/mol至
    Figure 108124218-A0305-13-0001-12
    10 000g/mol之平均分子量Mn。
  4. 根據申請專利範圍第1或2項之方法,其特徵在於,在包括該可熔性聚合物的該材料中也有具Zerewitinoff活性氫原子的游離基團。
  5. 根據申請專利範圍第1或2項之方法,其特徵在於,選擇該封端劑使得該NCO基團去封端後不會釋放該封端劑為游離分子或為其他分子或分子部分的一部分。
  6. 根據申請專利範圍第1或2項之方法,其特徵在於,該封端劑選自乙醯丙酮、乙醯乙酸、丙二酸酯、經取代或未經取代吡唑、烷酮肟、二級胺或上述至少二者的組合。
  7. 根據申請專利範圍第1或2項之方法,其特徵在於,該細絲以
    Figure 108124218-A0305-13-0002-13
    20mm/s的速率施用於該第一基板。
  8. 根據申請專利範圍第1或2項之方法,其特徵在於,選擇該可熔性聚合物使得在所達該最高施加溫度下儲放
    Figure 108124218-A0305-13-0002-14
    1小時後,該儲存模數G’超過兩倍,或該儲存模數G’降至小於起始值的一半的值。
  9. 根據申請專利範圍第1或2項之方法,其特徵在於,在施加該材料前,在
    Figure 108124218-A0305-13-0002-15
    5分鐘內將之從
    Figure 108124218-A0305-13-0002-17
    40℃的溫度加熱至該最高施加溫度。
  10. 根據申請專利範圍第1或2項之方法,其特徵在於,具有其其排出孔之該排放元件在恆定壓力下、與該第一基板接觸地在該第一基板上運行。
  11. 根據申請專利範圍第1或2項之方法,其特徵在於,該材料以
    Figure 108124218-A0305-13-0002-18
    0.001巴的壓力施加至該第一基板。
  12. 根據申請專利範圍第1或2項之方法,其特徵在於,該可熔性聚合物包含由聚異氰酸酯組分與聚醇組分反應而得的聚胺酯,其中該聚醇組分包括具有
    Figure 108124218-A0305-13-0002-19
    25℃的不流動點的聚酯聚醇。
  13. 根據申請專利範圍第1或2項之方法,其特徵在於,在加熱至比其熔點高20℃及以4℃/min的冷卻速率冷卻至20℃後,在25℃至40℃的溫度間隔內,計
    Figure 108124218-A0305-13-0002-20
    1分鐘,該可熔性聚合物具有
    Figure 108124218-A0305-13-0002-21
    100kPa至
    Figure 108124218-A0305-13-0002-22
    10MPa的儲存模數G’,在冷卻至20℃及在20℃下儲放120分鐘後,該可熔性聚合物具有
    Figure 108124218-A0305-13-0002-23
    20Mpa的儲存模數G’。
  14. 根據申請專利範圍第1或2項之方法,其特徵在於,使該施加材料與第二基板接觸。
  15. 根據申請專利範圍第1或2項之方法,其特徵在於,該方法包含由包含可熔性聚合物的該材料製造物件的方法,該方法包含下列步驟:I)施加該至少部分熔融的材料之細絲至載具,以獲得對應該物件的第一選定截面之材料層;II)施加該至少部分熔融的材料之細絲至該先前施加的材料層,以獲得對應該物件的另一選定截面之另一材料層,並接合至該先前施加的層;及III)重複步驟II),直到形成該物件。
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