CN113677502A - 制作耐化学性密封组件的方法 - Google Patents
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Abstract
可以使用共反应性三维打印制作具有复杂形状和光滑表面的密封组件。更具体地,本发明涉及耐化学性密封组件和使用三维打印制作所述密封组件的方法,并且所述密封组件可以用于运载工具应用中。
Description
本申请根据35U.S.C.§119(e)要求于2019年2月11日提交的美国临时申请第62/803,769号的权益,所述美国临时申请通过全文引用的方式并入本文。
技术领域
本公开涉及耐化学性密封组件和使用三维打印制作耐化学性密封组件的方法。耐化学性密封组件可以用于运载工具应用中。
背景技术
耐化学性密封组件用于在部件的相对表面之间提供界面。部件的相对表面可以具有复杂的形状,并且可以是非平面的。密封组件可以用于密封界面以防液体和溶剂进入、可以用于适应相对表面之间的非平面性和/或可以适形于在使用期间相对表面的相对位置的变化。密封组件通常是预制的。用于密封具有复杂形状的相对表面的密封组件可能制造困难或昂贵。
发明内容
根据本发明,制作耐化学性密封组件的方法包括:使用三维打印以预定形状沉积共反应性组合物的连续层;以及固化沉积的共反应性组合物以提供耐化学性密封组件,其中完全固化的密封组件的断裂能与单独层的断裂能基本上相同,其中所述断裂能是根据ASTM D7313测定的。
附图说明
本文描述的附图仅出于说明的目的。附图不旨在限制本公开的范围。
图1A示出了由本公开提供的密封组件的实例的横截面视图。
图1B示出了由本公开提供的密封组件的实例的俯视图。
图2A-2C示出了三维打印喷嘴相对于沉积的层和邻接层的不同位置的视图。
图3A-3D示出了三维打印的密封组件的表面波纹度轮廓,其中喷嘴定位于挤出的材料的表面上方1.7mm处。图3A是密封组件顶表面的照片;图3B是将密封组件的表面形貌可视化的热图;图3C示出了密封组件表面的沿着图3A中的实线所指示的表面的归一化形貌表面轮廓;并且图3D示出了密封组件表面的沿着图3A中的实线所指示的表面的未归一化形貌表面轮廓。2Ra表面波纹度为10.1μm。
图4A-4D示出了三维打印的密封组件的表面波纹度轮廓,其中喷嘴定位于挤出的材料的表面处。图4A是密封组件的顶表面的照片;图4B是将密封组件的表面形貌可视化的热图;图4C示出了密封组件表面的沿着图4A中的实线所指示的表面的归一化形貌表面轮廓;并且图4D示出了密封组件表面沿着图4A中实线所示表面的未归一化形貌表面轮廓。2Ra表面波纹度为2.7μm。
图5示出了用于拉伸测试的三维打印的密封组件的顶表面的照片。
图6示出了用于拉伸测试的测试试样的尺寸。
具体实施方式
定义
出于以下详细描述的目的,应当理解,除非明确相反地指出,否则本公开提供的实施例可以采取各种替代的变化和步骤顺序。此外,除了在任何操作实例中以外,或在另有指示的情况下,表示例如本说明书和权利要求中所使用的成分的量的所有数字应被理解为在所有情况下均由术语“约”修饰。因此,除非相反地指示,否则在以下说明书和所附权利要求中所阐述的数值参数是可以根据要通过本发明获得的期望特性而变化的近似值。至少,并且不试图将等同原则的应用限制于权利要求的范围,每个数值参数至少应按照报告的有效数字的数量并且通过应用普通的舍入技术来解释。
尽管阐述本发明的广泛范围的数值范围和参数是近似值,但具体实例中阐述的数值是尽可能精确地报告的。然而,任何数值都固有地含有由其相应测试测量结果中发现的标准差必然造成的某些误差。
还应当理解,本文所述的任何数值范围旨在包含纳入其中的所有子范围。例如,“1到10”的范围旨在包含介于(和包含)所陈述的最小值1与所陈述的最大值10之间的所有子范围,即,具有等于或大于1的最小值和等于或小于10的最大值。
预聚物的“主链”是指反应性端基之间的链段。预聚物主链通常包含重复的亚单元。例如,聚硫醇HS-[R]n-SH的主链是-[R]n-。
“组合物”旨在涵盖包括指定量的指定组分的产品以及由指定量的指定成分的组合直接或间接产生的任何产品。
“共反应性组合物”是指包括能够在小于50℃的温度下反应的两种或更多种化合物的组合物。所述两种或更多种化合物之间的反应可以通过将共反应性组合物暴露于光化辐射来引发。
“组分”是指当与另一种组分组合时形成共反应性组合物的组合物。第一组分可以包括能够与第二组分中的化合物反应的化合物。第一组分可以包括直到与包括聚合引发剂如光引发剂的第二组分组合时才具有反应性的共反应性化合物。除了反应性化合物之外,组分还可以包括一种或多种添加剂。组分直到它与另一种组分组合以形成共反应性组合物时本身才具有反应性。组分可以在三维打印设备中与一种或多种附加组分组合并且混合以提供共反应性组合物,并且共反应性组合物可以沉积在连续层中以构建如密封组件等物体。
“固化时间”是指从共反应性组分首次组合和混合以形成共反应性组合物时直到由共反应性组合物制备的层在25℃和50%RH的条件下表现出肖氏硬度30A的持续时间。对于可光化辐射固化组合物,固化时间是指从组合物首次暴露于光化辐射时到由可光化辐射固化组合物制备的层在25℃和50%RH的条件下表现出肖氏硬度30A的时间的持续时间。
“断裂能”根据ASTM D7313测定。
“固化的共反应性组合物”是指硬度大于最大硬度的90%的共反应性组合物。
“部分固化的共活性组合物”是指硬度小于最大硬度的90%的共反应性组合物。
“硬度”被确定为适合于特定材料。例如,对于软弹性体,硬度可以根据肖氏A级来测定,对于硬弹性体和其它热固性材料,硬度可以根据肖氏D级来测定。
单体是指分子量例如小于1,000Da、小于800Da、小于600Da、小于500Da、小于400Da或小于300Da的化合物。单体的分子量可以为例如100Da到1,000Da、100Da到800Da、100Da到600Da、150Da到550Da或200Da到500Da。单体的分子量可以大于100Da、大于200Da、大于300Da、大于400Da、大于500Da、大于600Da或大于800Da。预聚物的分子量基于化学结构。单体可以含有或可以不含有重复单元。单体的官能度可以为2、3、4、5、6或者上述各项中的任何一项的组合。单体的平均反应性官能度可以为例如2到6、2到5、2到4、2到3、2.1到2.8或2.2到2.6。
“预定形状”是指如由本公开提供的耐化学性密封组件等部件的预期形状。可以使用CAD/CAM方法来设计预定形状,并且可以使用三维设计来控制用于制造密封组件的三维打印系统。
“预聚物”是指均聚物和共聚物。对于硫醇封端的预聚物,分子量是如通过使用碘滴定法进行端基分析测定的数均分子量“Mn”。对于非硫醇封端的预聚物,数均分子量使用聚苯乙烯标准通过凝胶渗透色谱法来测定。预聚物包括能够与另一种化合物如可以是另一种预聚物的固化剂或交联剂反应以形成固化聚合物的反应性基团。预聚物包含彼此键合的多个重复亚单元,而不是可以相同或不同。所述多个重复亚单元构成预聚物的主链。
预聚物的数均分子量可以例如小于20,000Da、小于15,000Da、小于10,000Da、小于8,000Da、小于6,000Da、小于4,000Da或小于2,000Da。预聚物的数均分子量可以例如大于2,000Da、大于4,000Da、大于6,000Da、大于8,000Da、大于10,000Da或大于15,000Da。预聚物的数均分子量可以为例如1,000Da到20,000Da、2,000Da到10,000Da、3,000Da到9,000Da、4,000Da到8,000Da或5,000Da到7,000Da。
“密封剂”是指具有当固化时能够抵抗如水分和/或温度等大气条件中的至少一种并且至少部分阻断如水、溶剂、燃料、液压流体以及其它液体和气体等材料的透射的能力的材料。密封剂可以表现出耐化学性,如耐燃料和液压流体性。耐化学性材料在70℃下在化学制品中浸泡7天后可以表现出的溶胀%例如小于25%、小于20%、小于15%或小于10%,如根据EN ISO 10563测定的。密封剂可以遵循如根据AMS 3265B测定的表现出对喷气式飞机参考流体(Jet Reference Fluid,JRF)型号I、LD-4液压流体和/或3%NaCl水溶液的耐受性。
肖氏A硬度按照ASTM D2240使用A型硬度计测量。
比重根据ISO 787-11测定。
“表面波纹度”使用轮廓仪或共聚焦显微术测定。如本文报道的表面波纹度使用广域基恩士(Keyence)VR-3200 3D光学测量系统测定。表面波纹度是Ra(线的算术平均高度)到表面的延伸。表面波纹度表示每个点的高度与表面的算术平均值相比的差异。
可以使用轮廓仪或基恩士VR-3200宏观镜测量表面轮廓,如平行打印线和形貌特征等特征的高度和平均高度。
拉伸强度和伸长率根据AMS 3279测量。
粘度使用2rpm和25℃的具有25mm板几何形状的安东帕(Anton Paar)流变仪测量。
现在参考本发明的某些化合物、组合物、设备和方法。公开的化合物、组合物、设备和方法不旨在限制权利要求。相反,权利要求旨在覆盖所有替代方案、修改和等同物。
本公开提供的制作耐化学性密封组件的方法包括:使用三维打印以预定形状沉积共反应性组合物的连续层;以及固化沉积的共反应性组合物以提供耐化学性密封组件,其中完全固化的密封组件的断裂能与单独层的断裂能基本上相同,其中所述断裂能是根据ASTM D7313测定的。
耐化学性是指如密封组件等材料能够将相关气体和液体通过材料进行的扩散降到最低,并且使得在材料的设计寿命期间在使用条件下将材料暴露于相关气体和液体不会将材料的物理特性降低到低于某个阈值。相关气体和溶剂、使用条件、产品寿命和阈值物理特性可以取决于具体的使用应用。相关溶剂的实例包含高温气体、高温水、盐水、盐雾、清洁溶剂、油脂、燃料、液压流体、油和润滑剂。
耐化学性可以通过测量材料在70C的温度下浸泡在特定溶剂中7天后的溶胀%来测定。耐化学性材料在70℃下浸泡在化学制品中7天后可以表现出的溶胀%小于25%、小于20%、小于15%或小于10%,其中溶胀%是根据EN ISO 10563测定的。
其它耐化学性测试可以是应用特定的。例如,对于某些航天密封剂应用,在根据ISO1817在60℃下暴露于喷气式飞机参考流体(JRF型号1)168小时后,所提供的固化组合物可以表现出根据ISO 37测定的大于1.4MPa的拉伸强度、根据ISO 37测定的大于150%的拉伸伸长率和根据ISO 868测定的大于肖氏30A的硬度,其中测试在23℃的温度和55%RH的湿度下进行。在根据ISO 11075型号1在60℃下暴露于除冰流体168小时后,固化组合物可以表现出根据ISO 37测定的大于1MPa的拉伸强度和根据ISO 37测定的大于150%的拉伸伸长率,其中测试在23℃的温度和55%RH的湿度下进行。在70℃下暴露于磷酸酯液压流体(LD-4)1,000小时后,固化组合物可以表现出根据ISO 37测定的大于1MPa的拉伸强度、根据ISO 37测定的大于150%的拉伸伸长率和根据ISO 868测定的大于肖氏30A的硬度,其中测试在23℃的温度和55%RH的湿度下进行。
密封组件可以用于密封界面以防液体和溶剂进入、可以用于适应相对表面之间的非平面性和/或可以适形于使用期间相对表面的相对位置的变化。密封组件的实例包含衬垫、填隙片、垫圈、索环、O形环、垫片、填充物、垫子、配合材料、法兰和轴衬。
耐化学性密封组件是用于将气体和溶剂到两个相对表面之间的界面或接合处的扩散降到最低并由此密封界面的材料或部件。
密封组件可以具有适合于密封待密封部件的相对表面的任何合适的形状,包含任何合适的三维形状。密封组件可以具有例如平面相对表面;密封组件可以具有一个平面表面,并且相对表面可以是非平面的;或者密封组件的两个表面均可以具有非平面表面。密封组件可以具有顶表面和相对表面。密封组件的一部分可以具有相对于彼此是平面的或者相对于彼此是非平面的相对表面。例如,密封组件的顶表面和/或底表面可以是锥形的,并且密封组件的所述一部分可以是楔形的。作为实例,图1A示出了包含顶表面101、底表面102、楔形部分103和中心孔的密封组件的横截面轮廓。在三维打印期间,喷嘴指向成为密封组件的顶表面101的部分。图1B示出了密封组件的包含楔形部分103和中心孔104的顶表面101的俯视图。
密封组件可以贯穿密封组件具有基本恒定的横截面厚度。密封组件可以在密封组件的不同部分具有可变的横截面厚度。例如,密封组件的一些横截面部分可以比密封组件的其它横截面部分更厚或更薄。
使用本公开提供的三维打印方法制造的密封组件可以具有适合特定应用的任何形状。通常,密封组件的表面可以被成形为适形于要用密封组件密封的部件的相对表面。
为了促进相对的部件表面之间的配合,并且为了将组装期间空隙的产生降到最低,朝向密封组件的中心的部分可以比朝向密封组件的外围的部分更厚。通过这种设计,朝向密封组件的中心的表面首先接触相对的部件表面,并且促进在密封组件和部件被组装时空气朝向密封组件的外围移位的能力。
使用共反应性组合物的三维打印可以用于制造具有复杂形状的密封组件。
为了在密封组件表面与待密封部件的表面之间提供坚固的环境密封,期望密封组件表面是光滑的。例如,可以期望密封组件表面的2Ra波纹度小于200μm、小于100μm、50μm、小于40μm、小于30μm、小于20μm、小于10μm或小于5μm。密封组件可以具有例如2Ra波纹度可以大于5μm、大于10μm、大于20μm、大于30μm、大于40μm、大于50μm或大于100μm的表面。密封组件可以具有例如2Ra波纹度为10μm到200μm或20μm到100μm的表面。作为另一个度量,密封组件的平均2Ra表面波纹度可以小于平均波纹波长的10%,如小于平均波纹度波长的5%或1%。平均波纹度波长是指相邻三维打印线之间的距离。公开了制造具有光滑表面的适合于使用三维打印提供坚固的环境密封的密封组件的方法。
由本公开提供的共反应性三维打印方法可以用于制造耐化学性密封组件,其中邻接层具有高机械强度。共反应性组合物的邻接层可以化学键合和/或物理键合以产生机械强度高的层间界面。层间界面的强度可以通过根据ASTM D7313测量断裂能来测定。使用本公开提供的方法制造的耐化学性密封组件可以具有与单独层的断裂能基本上相同的断裂能。例如,密封组件的断裂能和共反应性组合物的单独固化层的断裂能可以在例如小于10%、小于5%、小于2%或小于1%内。
可以用于评估三维打印的密封剂组件的层间键合的完整性的另一个度量是比较打印线方向上和正交于打印线的方向上的物理特性,如拉伸强度和伸长率%。实例2中描述了实例。由本公开提供的方法制造的耐化学性密封组件可以在打印平面内具有各向同性的物理特性,例如,在10%内、5%内、2%内或1%内,这与测量的平面内方向无关。例如,最大拉伸强度和断裂伸长率%可以分别在平均最大拉伸强度和断裂伸长率%的+/-10%内、+/-5%内、+/-2%内或+/-1%内,这与测量的平面内方向无关。
本公开提供的三维打印方法包括通过三维打印设备的喷嘴挤出共反应性组合物并且沉积共反应性组合物的连续层以制造密封组件。
共反应性组合物可以是单部分共反应性组合物或双部分共反应性组合物。
对于单部分共反应性组合物,可以将共反应性组合物泵送到三维打印设备中,并且可以在沉积之前、期间和/或之后将共反应性组合物暴露于能量源以引发共反应性化合物之间的化学反应。单部分共反应性组合物的实例是可辐射固化组合物,如可UV固化组合物。可以通过施加能量如热能、声能、机械能和/或通过光化辐射来引发反应。单部分组合物可以包括紧接在施加之前和/或在施加期间活化的潜伏性催化剂。潜伏性催化剂的实例包含水分活化催化剂、核/壳封料、光引发催化剂、光不稳定催化剂和其它潜伏性催化剂。单部分涂层的实例包含可通过光化辐射固化的涂层,如使用UV辐射。
对于双部分共反应性组合物,第一组分和第二组分可以被泵送到三维打印设备中并且被组合和混合以形成共反应性组合物。例如,第一组分可以包括第一反应性化合物,并且第二组分可以包括第二反应性化合物,其中第一化合物与第二化合物具有反应性。第一组分和第二组分可以包括能够在不暴露于能量的情况下共反应的化合物。例如,第一反应性组分可以包括具有第一官能团的化合物,并且第二反应性组分可以包括具有第二官能团的化合物,其中第一官能团和第二官能团可以在不暴露于外部能量的情况下共反应。实例是胺催化的硫醇/烯反应。作为另一个实例,第一组分可以包括第一反应性化合物和第二反应性化合物,其中第一化合物和第二化合物在聚合引发剂如催化剂、固化促进剂或自由基聚合引发剂的存在下具有反应性,并且第二组分可以包括聚合引发剂。第一反应性化合物和第二反应性化合物可以在与聚合引发剂组合时反应以形成共反应性组合物,或者第一反应性化合物和第二反应性化合物可以与引发的聚合反应。例如,UV光聚合引发剂可以通过将矫正组合物暴露于UV辐射而活化并由此引发自由基催化的硫醇/烯反应。
共反应性组合物可以通过将包括第一共反应性化合物的第一组分和包括第二反应性化合物的第二组分组合和混合来制备,其中第一反应性化合物与第二反应性化合物具有反应性。第一组分和/或第二组分可以包括催化剂、固化促进剂和/或聚合引发剂。
共反应性组合物可以通过组合混合包括第一反应性化合物和第二反应性化合物的第一组分来制备,其中第一反应性化合物在催化剂、固化促进剂和/或聚合引发剂的存在下与第二反应性化合物具有反应性;并且第二组分包括催化剂、固化促进剂和/或聚合引发剂。
共反应性组合物可以包括单体、预聚物和/或添加剂。共反应性组合物可以基于任何合适的固化化学物质。材料和固化化学物质可以根据密封组件的期望环境和物理特性进行选择。
共反应性组合物可以基本上不含溶剂。例如,共反应性组合物可以包括小于5wt%、小于2wt%、小于1wt%或小于0.1wt%的溶剂,其中wt%是按共反应性组合物的总重量计。
共反应性组合物可以包括预聚物或预聚物的组合。
共反应性组合物可以包括包含一个或多个第一官能团的第一化合物和包含一个或多个第二官能团的第二化合物,其中所述一个或多个第一官能团和所述一个或多个第二官能团具有共反应性。所述一个或多个第一官能团中的每个第一官能团可以相同,或者第一官能团中的至少一些第一官能团可以与其它第一官能团不同。所述一个或多个第二官能团中的每个第二官能团可以相同,或者第二官能团中的至少一些第二官能团可以与其它第二官能团不同。
可以选择特定的官能团和固化化学物质以向耐化学性密封组件的固化层提供期望的固化速率和/或赋予期望的特性。
有用的固化化学物质的实例包含羟基/异氰酸酯、胺/异氰酸酯、环氧树脂/环氧树脂和迈克尔受体(Michael acceptor)/迈克尔供体反应。
因此,第一官能团可以包括异氰酸酯,并且第二官能团可以包括羟基、胺基或其组合。
第一官能团可以包括环氧基,并且第二官能团可以包括环氧基。
第一官能团可以包括迈克尔受体基团,并且第二官能团可以包括迈克尔供体基团。
第一官能团可以是饱和官能团,并且第二官能团可以是不饱和官能团。第一官能团和第二官能团中的每一个可以包括饱和官能团。第一官能团和第二官能团中的每一个可以包括不饱和官能团。饱和官能团是指具有单键的官能团。饱和官能团的实例包含硫醇基、羟基、伯胺基、仲胺基和环氧基。不饱和官能团是指具有反应性双键的基团。不饱和官能团的实例包含烯基、迈克尔受体基团、异氰酸酯基、无环碳酸酯基、乙酰乙酸酯基、羧酸基、乙烯醚基、(甲基)丙烯酸酯基和丙二酸酯基。
第一官能团可以是羧酸基,并且第二官能团可以是环氧基。
第一官能团可以是迈克尔受体基团,如(甲基)丙烯酸酯基、马来酸基或富马酸基,并且第二官能团可以是伯胺基或仲胺基。
第一官能团可以是异氰酸酯基,并且第二官能团可以是伯胺基、仲胺基、羟基或硫醇基。
第一官能团可以是环状碳酸酯基、乙酰乙酸酯基或环氧基;第二官能团可以是伯胺基或仲胺基。
第一官能团可以是硫醇基,并且第二官能团可以是烯基、乙烯醚基、(甲基)丙烯酸酯基。
第一官能团可以是迈克尔受体基团,如(甲基)丙烯酸酯基、氰基丙烯酸酯、乙烯醚、乙烯基吡啶或α,β-不饱和羰基,并且第二官能团可以是丙二酸酯基、乙酰丙酮酸酯、硝基烷或其它活性烯基。
第一官能团可以是硫醇基,并且第二官能团可以是烯基、环氧基、异氰酸酯基、炔基或迈克尔受体基团。
第一官能团可以是迈克尔供体基团,并且第二官能团可以是迈克尔受体基团。
第一官能团和第二官能团均可以是硫醇基。
第一官能团和第二官能团均可以是烯基。
第一官能团和第二官能团均可以是迈克尔受体基团,如(甲基)丙烯酸酯基。
可以选择官能团以在例如小于50℃、小于40℃、小于30℃、小于20℃或小于10℃的温度下共反应。可以选择官能团以在例如大于5℃、大于10℃、大于20℃、大于30℃或大于40℃的温度下共反应。可以选择官能团以在例如5℃到50℃、10℃到40℃、15℃到35℃或20℃到30℃的温度下共反应。共反应性组合物可以包括在室温下共反应和固化的共反应性化合物,其中室温是指20℃到25℃、20℃到22℃或约20℃的温度。
这些共反应性化学物质的固化速率可以通过在共反应性组合物中包含合适的催化剂或催化剂组合来修改。这些共反应性化学物质中的任何共反应性化学物质的固化速率可以通过增加或减小共反应性组合物的温度来修改。例如,尽管共反应性组合物可以在小于30℃的温度下固化,但是加热共反应性组合物可以加速反应速率,这在某些情况下是可以期望的,如以适应增加的打印速度。增加共反应性组分和/或共反应性组合物的温度也可以用于调整粘度以促进混合共反应性组分和/或沉积共反应性组合物。
为了形成耐化学性密封组件,可以期望某些层固化得比其它层更快。例如,可以期望外层快速固化以促进耐化学性密封组件保持预期形状的能力,并且内层缓慢固化以随时间推移产生粘附力和/或期望的物理特性。
共反应性组合物是热固性组合物,并且在固化时形成热固性材料。
预聚物可以包括具有任何合适化学结构的主链。
可以基于拉伸强度、伸长率%、耐热性、耐化学性、低温柔性、硬度和上述各项中的任何一项的组合的考虑来选择预聚物主链。预聚物的选择也可以基于成本考虑。
共反应性组合物可以包括预聚物或预聚物的组合。预聚物可以影响例如拉伸强度、伸长率%、水解稳定性、压缩和/或耐化学性以及固化的密封组件的其它特性。
预聚物在25℃下可以是液体,并且可以具有例如小于-20℃、小于-30℃或小于-40℃的玻璃化转变温度Tg。
预聚物可以表现出例如在20泊到500泊(2帕-秒到50帕-秒)、20泊到200泊(2帕-秒到20帕-秒)或40泊到120泊(4帕-秒到12帕-秒)的范围内的粘度,所述粘度是使用速度为300rpm并且温度为25℃、具有6号主轴的博勒飞(Brookfield)CAP 2000粘度计测量的。
预聚物的反应性官能度可以例如小于12、小于10、小于8、小于6或小于4。第一化合物和第二化合物中的每一种可以包括各自的反应性官能度,例如2到12、2到8、2到6、2到4或2到3。第一化合物和第二化合物中的每一种可以独立地具有官能度例如2、3、4、5、6、7、8、9、10、11或12。
预聚物可以在预聚物主链中包括具有不同化学结构和特性的链段。链段可以随机地分布、呈规则分布或呈块。链段可以用于向预聚物主链赋予某些特性。例如,链段可以包括柔性键,如进入聚合物主链中的硫醚键。具有侧基的链段可以并入到预聚物主链中。
例如,预聚物主链可以包括聚硫醚、聚硫化物、聚缩甲醛、聚异氰酸酯、聚脲、聚碳酸酯、聚苯硫醚、聚氧化乙烯、聚苯乙烯、丙烯腈-丁二烯-苯乙烯、聚碳酸酯、苯乙烯丙烯腈、聚(甲基丙烯酸甲酯)、聚氯乙烯、聚丁二烯、聚对苯二甲酸丁二醇酯、聚(对苯醚)、聚砜、聚醚砜、聚乙烯亚胺、聚苯砜、丙烯腈苯乙烯丙烯酸酯、聚乙烯、间同立构或全同立构聚丙烯、聚乳酸、聚酰胺、乙酸乙酯-乙酸乙烯酯均聚物或共聚物、聚氨酯、乙烯共聚物、丙烯共聚物、丙烯抗冲共聚物、聚醚醚酮、聚甲醛、间同立构聚苯乙烯(SPS)、聚苯硫醚(PPS)、液晶体聚合物(LCP)、丁烯均聚物和共聚物、己烯均聚物和共聚物;以及上述各项中的任何一项的组合。
其它合适的预聚物主链的实例包含聚烯烃(如聚乙烯、线性低密度聚乙烯(LLDPE)、低密度聚乙烯(LDPE)、高密度聚乙烯、聚丙烯和烯烃共聚物)、苯乙烯/丁二烯橡胶(SBR)、苯乙烯/乙烯/丁二烯/苯乙烯共聚物(SEBS)、丁基橡胶、乙烯/丙烯共聚物(EPR)、乙烯/丙烯/二烯单体共聚物(EPDM)、聚苯乙烯(包含高抗冲聚苯乙烯)、聚(乙酸乙烯酯)、乙烯/乙酸乙烯酯共聚物(EVA)、聚(乙烯醇)、乙烯/乙烯醇共聚物(EVOH)、聚(乙烯醇缩丁醛)、聚(甲基丙烯酸甲酯)以及其它丙烯酸酯聚合物和共聚物(包含如甲基丙烯酸甲酯聚合物、甲基丙烯酸酯共聚物、衍生自一种或多种丙烯酸酯、甲基丙烯酸酯、丙烯酸乙酯、甲基丙烯酸乙酯、丙烯酸丁酯、甲基丙烯酸丁酯等的聚合物)、烯烃和苯乙烯共聚物、丙烯腈/丁二烯/苯乙烯(ABS)、苯乙烯/丙烯腈聚合物(SAN)、苯乙烯/马来酸酐共聚物、异丁烯/马来酸酐共聚物、乙烯/丙烯酸共聚物、聚(丙烯腈)、聚碳酸酯(PC)、聚酰胺、聚酯、液晶聚合物(LCP)、聚(乳酸)、聚(苯醚)(PPO)、PPO-聚酰胺合金、聚砜(PSU),聚醚酮(PEK)、聚醚醚酮(PEEK)、聚酰亚胺、聚甲醛(POM)均聚物和共聚物、聚醚酰亚胺、氟化乙烯丙烯聚合物(FEP)、聚(氟乙烯)、聚(偏二氟乙烯)、聚(偏二氯乙烯)和聚(氯乙烯)、聚氨酯(热塑性和热固性)、芳族聚酰胺(如和)、聚四氟乙烯(PTFE)、聚硅氧烷(包含聚二亚甲基硅氧烷、二甲基硅氧烷/乙烯基甲基硅氧烷共聚物、乙烯基二甲基硅氧烷封端的聚(二甲基硅氧烷))、弹性体、环氧聚合物、聚脲、醇酸树脂、纤维素聚合物(如乙基纤维素、乙基羟乙基纤维素、羧甲基纤维素、乙酸纤维素、乙酸丙酸纤维素和乙酸丁酸纤维素)、聚醚和二醇类,如聚(氧化乙烯)(也称为聚(乙二醇))、聚(氧化丙烯)(也称为聚(丙二醇))和氧化乙烯/氧化丙烯共聚物、丙烯酸乳胶聚合物、聚酯丙烯酸酯低聚物和聚合物、聚酯二醇二丙烯酸酯聚合物以及可UV固化树脂。
共反应性组合物可以包括包含弹性体主链的预聚物。
“弹性体(elastomer)”、“弹性体(elastomeric)”和类似术语是指具有“橡胶样”特性并且通常具有低杨氏模量(Young's modulus)和高拉伸应变的材料。例如,弹性体的杨氏模量/拉伸强度可以为约4MPa到约30MPa。弹性体的拉伸应变(断裂伸长率)可以为约100%到约2,000%。杨氏模量/拉伸强度和拉伸应变可以根据ASTM D412.4893测定。弹性体可以表现出例如50kN/m到200kN/m的撕裂强度。弹性体的撕裂强度可以根据ASTM D624测定。如根据ASTM D412.4893测定的,弹性体的杨氏模量的范围可以为0.5MPa到6MPa。
具有弹性体主链的合适的预聚物的实例包含聚醚、聚丁二烯、含氟弹性体、全氟弹性体、乙烯/丙烯酸共聚物、乙烯丙烯二烯三元共聚物、腈、聚硫醇胺、聚硅氧烷、氯磺化聚乙烯橡胶、异戊二烯、氯丁橡胶、聚硫化物、聚硫醚、硅酮、苯乙烯丁二烯和上述各项中的任何一项的组合。弹性体预聚物可以包括聚硅氧烷,如聚甲基氢硅氧烷、聚二甲基硅氧烷、聚氢二乙基硅氧烷、聚二乙基硅氧烷或上述各项中的任何一项的组合。弹性体预聚物可以包括与胺基和异氰酸酯基如硅烷醇基具有低反应性的末端官能团。
表现出高耐溶剂性的预聚物的实例包含含氟聚合物、乙烯丙烯二烯三元共聚物(EPDM)和本文公开的其它耐化学性预聚物、具有高交联密度的固化聚合物基质、如聚酰胺、聚苯硫醚和聚乙烯等耐化学性有机填料或上述各项中的任何一项的组合。
表现出低温柔性的预聚物的实例包含硅酮、聚四氟乙烯、聚硫醚、聚硫化物、聚缩甲醛、聚丁二烯、某些弹性体和上述各项中的任何一项的组合。
表现出水解稳定性的预聚物的实例包含硅酮、聚四氟乙烯、聚硫醚、聚硫化物、聚缩甲醛、聚丁二烯、某些弹性体和上述各项中的任何一项的组合以及具有高交联密度的组合物。
表现出耐高温性的预聚物的实例可以包括例如预聚物,如硅酮、聚四氟乙烯、聚硫醚、聚硫化物、聚缩甲醛、聚丁二烯、某些弹性体和上述各项中的任何一项的组合;以及具有高交联密度的组合物。
表现出高拉伸的预聚物的实例包含硅酮和聚丁二烯、具有高交联密度的组合物、无机填料以及上述各项中的任何一项的组合。
预聚物可以包括含硫预聚物或含硫聚合物的组合。
含硫预聚物是指在预聚物的主链中具有一个或多个硫醚-Sn-基团的预聚物,其中n可以为例如1到6。含硫预聚物不涵盖仅含有硫醇或其它含硫基团作为预聚物的端基或侧基的预聚物中。预聚物主链是指预聚物的具有重复链段的部分。因此,含硫预聚物不涵盖具有HS-R-R(-CH2-SH)-[-R-(CH2)2-S(O)2-(CH2)-S(O)2]n-CH=CH2结构的预聚物中,其中每个R是不含硫原子的部分。含硫预聚物涵盖具有结构HS-R-R(-CH2-SH)-[-R-(CH2)2-S(O)2-(CH2)-S(O)2]-CH=CH2的预聚物,其中至少一个R是含有硫原子的部分,如硫醚基团。
含硫预聚物可以赋予对固化密封剂的耐化学性。
表现出耐化学性的预聚物主链可以具有高硫含量。例如,含硫预聚物主链的硫含量可以大于10wt%、大于12wt%、大于15wt%、大于18wt%、大于20wt%或大于25wt%,其中wt%是按预聚物主链的总重量计。耐化学性预聚物主链可以具有硫含量,例如10wt%到25wt%、12wt%到23wt%、13wt%到20wt%或14wt%到18wt%,其中wt%是按预聚物主链的总重量计。
共反应性组合物可以包括例如40wt%到80wt%、40wt%到75wt%、45wt%到70wt%或50wt%到70wt%的含硫预聚物或含硫预聚物的组合,其中wt%是按共反应性组合物的总重量计。共反应性组合物可以包括例如大于40wt%、大于50wt%、大于60wt%、大于70wt%、大于80wt%或大于90wt%的含硫预聚物或含硫预聚物的组合,其中wt%是按共反应性组合物的总重量计。共反应性组合物可以包括例如小于90wt%、小于80wt%、小于70wt%、小于60wt%、小于50wt%或小于40wt%的含硫预聚物或含硫预聚物的组合,其中wt%是按共反应性组合物的总重量计。
具有含硫主链的预聚物的实例包含聚硫醚预聚物、聚硫化物预聚物、含硫聚缩甲醛预聚物、一硫化物预聚物合上述各项中的任何一项的组合。
预聚物可以包括聚硫醚预聚物或聚硫醚预聚物的组合。
聚硫醚预聚物可以包括包含具有式(1)的结构的至少一个部分的聚硫醚预聚物、式(1a)的硫醇封端的聚硫醚预聚物、式(1b)的末端改性聚硫醚或上述各项中的任何一项的组合:
-S-R1-[S-A-S-R1-]n-S- (1)
HS-R1-[S-A-S-R1-]n-SH (1a)
R3-S-R1-[S-A-S-R1-]n-S-R3 (1b)
其中
n可以为1到60的整数;
每个R1可以独立地选自C2-10烷二基、C6-8环烷二基、C6-14烷烃环烷二基、C5-8杂环烷二基和-[(CHR)p-X-]q(CHR)r-,其中
p可以为2到6的整数;
q可以为1到5的整数;
r可以为2到10的整数;
每个R可以独立地选自氢和甲基;并且
每个X可以独立地选自O、S和S-S;并且
每个A可以独立地是衍生自式(2)的聚乙烯醚或式(3)的聚烯基多官能化剂的部分:
CH2=CH-O-(R2-O)m-CH=CH2 (2)
B(-R4-CH=CH2)z (3)
其中
m可以为0到50的整数;
每个R2可以独立地选自C1-10烷二基、C6-8环烷二基、C6-14烷烃环烷二基和-[(CHR)p-X-]q(CHR)r-,其中p、q、r、R和X是如针对R1所定义的;
每个R3可以独立地是包括末端反应性基团的部分;
B表示z价聚烯基多官能化剂B(-R4-CH=CH2)z的核心,其中
z可以为3到6的整数;并且
每个R4可以独立地选自C1-10烷二基、C1-10杂烷二基、经取代的C1-10烷二基和经取代的C1-10杂烷二基。
在式(1)的各部分以及式(1a)和(1b)的预聚物中,R1可以是C2-10烷二基。
在式(1)的各部分以及式(1a)和(1b)的预聚物中,R1可以是-[(CHR)p-X-]q(CHR)r-。
在式(1)的各部分以及式(1a)和(1b)的预聚物中,X可以选自O和S,并且因此,-[(CHR)p-X-]q(CHR)r-可以是-[(CHR)p-O-]q(CHR)r-或-[(CHR)p-S-]q(CHR)r-。p和r可以相等,如p和r均可以为2的情况。
在式(1)的各部分以及式(1a)和(1b)的预聚物中,R1可以选自C2-6烷二基和-[(CHR)p-X-]q(CHR)r-。
在式(1)的部分以及式(1a)和(1b)的预聚物中,R1可以是-[(CHR)p-X-]q(CHR)r-,并且X可以为O或者X可以为S。
在式(1)的各部分以及式(1a)和(1b)的预聚物中,其中R1可以为-[-(CHR)p-X-]q-(CHR)r-,p可以为2,r可以为2,q可以为1并且X可以为S;或者p可以为2,q可以为2,r可以为2并且X可以为O;或者p可以为2,r可以为2,q可以为1并且X可以为O。
在式(1)的各部分以及式(1a)和(1b)的预聚物中,R1可以是-[(CHR)p-X-]q(CHR)r-,每个R可以是氢,或者至少一个R可以是甲基。
在式(1)的各部分以及式(1a)和(1b)的预聚物中,R1可以是-[(CH2)p-X-]q(CH2)r-,其中每个X可以独立地选自O和S。
在式(1)的各部分以及式(1a)和(1b)的预聚物中,R1可以是-[(CH2)p-X-]q(CH2)r-,每个X可以是O,或者每个X可以是S。
在式(1)的各部分以及式(1a)和(1b)的预聚物中,R1可以是-[(CH2)p-X-]q(CH2)r-,其中p可以为2,X可以为O,q可以为2,r可以为2,R2可以为乙二基,m可以为2,并且n可以为9。
在式(1)的各部分以及式(1a)和(1b)的预聚物中,每个R1可以衍生自1,8-二巯基-3,6-二氧杂辛烷(DMDO;2,2-(乙烷-1,2-二基双(磺酰基))双(乙烷-1-硫醇)),或者每个R1可以衍生自二巯基二乙基硫化物(DMDS;2,2'-硫代双(乙烷-1-硫醇))和其组合。
在式(1)的各部分以及式(1a)和(1b)的预聚物中,每个p可以独立地选自2、3、4、5和6。每个p可以相同,并且可以为2、3、4、5或6。
在式(1)的各部分以及式(1a)和(1b)的预聚物中,每个q可以独立地为1、2、3、4或5。每个q可以相同,并且可以为1、2、3、4或5。
在式(1)的各部分以及式(1a)和(1b)的预聚物中,每个r可以独立地为2、3、4、5、6、7、8、9或10。每个r可以相同,并且可以为2、3、4、5、6、7、8、9或10。
在式(1)的各部分以及式(1a)和(1b)的预聚物中,每个r可以独立地为2到4、2到6或2到8的整数。
在式(2)的二乙烯醚中,m可以为0到50的整数,如0到40、0到20、0到10、1到50、1到40、1到20、1到10、2到50、2到40、2到20或2到10。
在式(2)的二乙烯醚中,每个R2可以独立地选自C2-10正烷二基、C3-6支链烷二基和-[(CH2)p-X-]q(CH2)r-基团。
在式(2)的二乙烯醚中,每个R2可以独立地为C2-10正烷二基,如甲二基、乙二基、正丙二基或正丁二基。
在式(2)的二乙烯醚中,每个R2可以独立地包括-[(CH2)p-X-]q(CH2)r-基团,其中每个X可以为O或S。
在式(2)的二乙烯醚中,每个R2可以独立地包括-[(CH2)p-X-]q(CH2)r-基团。
在式(2)的二乙烯醚中,每个m可以独立地为1到3的整数。每个m可以相同,并且可以为1、2或3。
在式(2)的二乙烯醚中,每个R2可以独立地选自C2-10正烷二基、C3-6支链烷二基和-[(CH2)p-X-]q(CH2)r-基团。
在式(2)的二乙烯醚中,每个R2可以独立地为C2-10正烷二基。
在式(2)的二乙烯醚中,每个R2可以独立地为-[(CH2)p-X-]q(CH2)r-基团,其中每个可以X为O或S。
在式(2)的二乙烯醚中,每个R2可以独立地为-[(CH2)p-X-]q(CH2)r-基团,其中每个X可以为O或S,并且每个p可以独立地为2、3、4、5和6。
在式(2)的二乙烯醚中,每个p可以相同,并且可以为2、3、4、5或6。
在式(2)的二乙烯醚中,每个R2可以独立地为-[(CH2)p-X-]q(CH2)r-基团,其中每个X可以为O或S,并且每个q可以独立地为1、2、3、4或5。
在式(2)的二乙烯醚中,每个q可以相同,并且可以为1、2、3、4或5。
在式(2)的二乙烯醚中,每个R2可以独立地为-[(CH2)p-X-]q(CH2)r-基团,其中每个X可以为O或S,并且每个r可以独立地为2、3、4、5、6、7、8、9或10。
在式(2)的二乙烯醚中,每个r可以相同,并且可以为2、3、4、5、6、7、8、9或10。在式(2)的二乙烯醚中,每个r可以独立地为2到4、2到6或2到8的整数。
合适的二乙烯醚的实例包含乙二醇二乙烯醚(EG-DVE)、丁二醇二乙烯醚(BD-DVE)、己二醇二乙烯醚(HD-DVE)、二甘醇二乙烯醚(DEG-DVE)、三甘醇二乙烯醚、四甘醇二乙烯醚、聚四氢呋喃基二乙烯醚、环己烷二甲醇二乙烯醚以及上述各项中的任何一项的组合。
二乙烯醚可以包括含硫的二乙烯醚。合适的含硫二乙烯醚的实例公开在例如PCT公开第WO 2018/085650号中。
在式(1)的各部分中,每个A可以独立地衍生自聚烯基多官能化剂。聚烯基多官能化剂可以具有式(3)的结构,其中z可以为3、4、5或6。
在式(3)的聚烯基多官能化剂中,每个R7可以独立地选自C1-10烷二基、C1-10杂烷二基、经取代的C1-10烷二基或经取代的C1-10杂烷二基。一个或多个取代基可以选自例如-OH、=O、C1-4烷基和C1-4烷氧基。一个或多个杂原子可以选自例如O、S和其组合。
合适的聚烯基多官能化剂的实例包含氰尿酸三烯丙酯(TAC)、异氰尿酸三烯丙酯(TAIC)、1,3,5-三烯丙基-1,3,5-三嗪烷-2,4,6-三酮、1,3,5-三烯丙基-1,3,5-三嗪烷-2,4,6-三酮、1,3-双(2-甲基烯丙基)-6-亚甲基-5-(2-氧代丙基)-1,3,5-三嗪酮-2,4-二酮、三(烯丙氧基)甲烷、季戊四醇三烯丙基醚、1-(烯丙氧基)-2,2-双((烯丙氧基)甲基)丁烷、2-丙-2-乙氧基-1,3,5-三(丙-2-烯基)苯、1,3,5-三(丙-2-烯基)-1,3,5-三嗪烷-2,4-二酮和1,3,5-三(2-甲基烯丙基)-1,3,5-三嗪烷-2,4,6-三酮、1,2,4-三乙烯基环己烷、三羟甲基丙烷三乙烯醚以及上述各项中的任何一项的组合。
在式(1)的各部分以及式(1a)-(1b)的预聚物中,衍生自二乙烯醚的部分与衍生自聚烯基多官能化剂的部分的摩尔比可以为例如0.9mol%到0.999mol%、0.95mol%到0.99mol%或0.96mol%到0.99mol%。
在式(1)的各部分以及式(1a)-(1b)的预聚物中,每个R1可以为-(CH2)2-O-(CH2)2-O-(CH2)2-;每个R2可以为-(CH2)2-;并且m可以为1到4的整数。
在式(1)的各部分以及式(1a)和(1b)的预聚物中,R2可以衍生自二乙烯醚如二甘醇二乙烯醚、聚烯基多官能化剂如氰尿酸三烯丙酯或其组合。
在式(1)的各部分以及式(1a)和(1b)的预聚物中,每个A可以独立地选自式(2a)的一部分和式(3a)的一部分:
-(CH2)2-O-(R2-O)m-(CH2)2- (2a)
B{-R4-(CH2)2-}2{-R4-(CH2)2-S-[-R1-S-A-S-R1-]n-SH}z-2 (3a)
其中m、R1、R2、R4、A、B、m、n和z是如式(1)、式(2)或式(3)所定义的。
在式(1)的各部分以及式(1a)-(1b)的预聚物中,每个R1可以为-(CH2)2-O-(CH2)2-O-(CH2)2-;每个R2可以为-(CH2)2-;m可以为1到4的整数;并且多官能化剂B(-R4-CH=CH2)z包括氰尿酸三烯丙酯,其中z是3并且每个R4为-O-CH2-CH=CH2。
例如,美国专利第6,172,179号中公开了合成含硫聚硫醚的方法。
可以对硫醇封端的聚硫醚预聚物的主链进行改性,以改善使用聚硫醚预聚物制备的密封剂和涂层的特性,如粘附力、拉伸强度、伸长率、耐UV性、硬度和/或柔性。例如,促粘附力基团、抗氧化剂、金属配体和/或尿烷键可以并入到聚硫醚预聚物的主链中以改善一种或多种性能属性。主链改性的聚硫醚预聚物的实例公开在例如美国专利第8,138,273号(含尿烷)、美国专利第9,540,540号(含砜)、美国专利第8,952,124号(含双(磺酰基)烷醇)、美国专利第9,382,642号(含金属配体)、美国申请公开第2017/0114208号(含抗氧化剂)、PCT国际公开第WO 2018/085650号(含硫二乙烯醚)和PCT国际公开第WO 2018/031532号(含尿烷)。聚硫醚预聚物包含美国申请公开第2017/0369737号和第2016/0090507号中描述的预聚物。
合适的硫醇封端的聚硫醚预聚物的实例公开于美国专利第6,172,179号中。硫醇封端的聚硫醚预聚物可以包括P3.1E、P3.1E-2.8、L56086或上述各项中的任何一项的组合,其中的每一项均可从PPG航空材料有限公司(PPGAerospace)获得。式(2)、(2a)和(2b)的硫醇封端的聚硫醚预聚物涵盖这些产品。硫醇封端的聚硫醚包含美国专利第7,390,859号中描述的预聚物和美国申请公开第2017/0369757号和第2016/0090507号中描述的含尿烷聚硫醇。
含硫预聚物可以包括聚硫化物预聚物或聚硫化物预聚物的组合。
聚硫化物预聚物是指在预聚物主链中含有一个或多个聚硫化物键即-Sx-键的预聚物,其中x为2到4。聚硫化物预聚物可以具有两个或更多个硫-硫键。合适的硫醇封端的聚硫化物预聚物可分别从例如阿克苏诺贝尔公司(AkzoNobel)和东丽株式会社(TorayIndustries,Inc.)以商品名和商购获得。
合适的聚硫化物预聚物的实例公开于美国专利第4,623,711号;第6,172,179号;第6,509,418号;第7,009,032号;和第7,879,955号中。
合适的硫醇封端的聚硫化物预聚物的实例包含G聚硫化物,如G1、G4、G10、G12、G21、G22、G44、G122和G131,所述聚硫化物可从阿克苏诺贝尔公司商购获得。G树脂是液态硫醇封端的聚硫化物预聚物,所述液态硫醇封端的聚硫化物预聚物是双官能分子和三官能分子的共混物,其中双官能的硫醇封端的聚硫化物预聚物具有式(4)的结构,并且三官能的硫醇封端的聚硫化物聚合物可以具有式(5)的结构:
HS-(-R5-S-S-)d-R5-SH (4)
HS-(-R5-S-S-)a-CH2-CH{-CH2-(-S-S-R5-)b-SH}{-(-S-S-R5-)c-SH} (5)
其中每个R5是-(CH2)2-O-CH2-O-(CH2)2-,并且d=a+b+c,其中d的值可以为7到38,这取决于在聚硫化物预聚物的合成期间使用的三官能交联剂(1,2,3-三氯丙烷;TCP)的量。G聚硫化物的数均分子量可以为小于1,000Da到6,500Da、SH含量为1%到大于5.5%并且交联密度为0%到2.0%。
聚硫化物预聚物可以进一步包括具有式(4a)结构的末端改性的聚硫化物预聚物、具有式(5a)结构的末端改性的聚硫化物预聚物或其组合:
R3-S-(-R5-S-S-)d-R-S-R3 (4a)
R3-S-(-R5-S-S-)a-CH2-CH{-CH2-(-S-S-R5-)b-S-}{-(-S-S-R5-)c-S-R3} (5a)
其中d、a、b、c和R5是如针对式(4a)和式(5a)所定义的,并且R3是包括末端反应性基团的部分。
合适的硫醇封端的聚硫化物预聚物的实例还包含可从东丽株式会社获得的LP聚硫化物,如LP2、LP3、ThiokolTMLP12、LP23、LP33和LP55。LP聚硫化物的数均分子量为1,000Da到7,500Da、-SH含量为0.8%到7.7%并且交联密度为0%到2%。ThiokolTMLP聚硫化物预聚物具有式(6)的结构,并且末端改性的聚硫化物预聚物可以具有式(6a)的结构:
HS-[(CH2)2-O-CH2-O-(CH2)2-S-S-]e-(CH2)2-O-CH2-O-(CH2)2-SH (6)
R3-S-[(CH2)2-O-CH2-O-(CH2)2-S-S-]e-(CH2)2-O-CH2-O-(CH2)2-S-R3 (6a)
其中e可以为使得数均分子量为1,000Da到7,500Da,例如8到80的整数,并且每个R3是包括末端反应性官能团的部分。
式(6a)和(6b)的硫醇封端的聚硫化物预聚物的实例公开于例如美国申请公开第2016/0152775号、美国专利第9,079,833号和美国专利第9,663,619号中。
聚硫化物预聚物可以包括包含式(7)的一部分的聚硫化物预聚物、式(7a)的硫醇封端的聚硫化物预聚物、式(7b)的末端改性聚硫化物预聚物或上述各项中的任何一项的组合:
-(R6-O-CH2-O-R6-Sm-)n-1-R6-O-CH2-O-R6- (7)
HS-(R6-O-CH2-O-R6-Sm-)n-1-R6-O-CH2-O-R6-SH (7a)
R3-S-(R6-O-CH2-O-R6-Sm-)n-1-R6-O-CH2-O-R-S-R3 (7b)
其中R6为C2-4烷二基,m为1到8的整数,并且n为2到370的整数;并且每个R3独立地是包括末端反应性官能团的部分。
在式(7)的各部分以及式(7a)-(7b)的预聚物中,m的平均值可以例如大于1,如为1.05到2或1.1到1.8。
在式(7)的各部分以及式(7a)-(7b)的预聚物中,m可以是例如1到6的整数和1到4的整数或者整数1、2、3、4、5、6、7或8。
在式(7)的各部分以及式(7a)-(7b)的预聚物中,n可以是例如2到200的整数或2到100的整数。
在式(7)的各部分以及式(7a)-(7b)的预聚物中,每个R可以独立地选自乙二基、1,3-丙二基、1,1-丙二基、1,2-丙二基、1,4-丁二基、1,1-丁二基、1,2-丁二基和1,3-丁二基。
式(7)的聚硫化物预聚物和式(7a)-(7b)的聚硫化物预聚物公开在例如JP 62-53354中。
含硫预聚物可以包括含硫聚缩甲醛预聚物或含硫聚缩甲醛预聚物的组合。可用于密封剂应用的含硫聚缩甲醛预聚物公开在例如美国专利第8,729,216号和美国专利第8,541,513号中。
含硫聚缩甲醛预聚物可以包括式(8)的一部分、式(8a)的硫醇封端的含硫聚缩甲醛预聚物、式(8b)的末端改性的含硫聚缩甲醛预聚物、式(8c)的硫醇封端的含硫聚缩甲醛预聚物、式(8d)的末端改性的含硫聚缩甲醛预聚物或上述各项中的任何一项的组合:
-R8-(S)v-R8-[O-C(R2)2-O-R8-(S)v-R1-]n- (8)
R10-R8-(S)v-R8-[O-C(R9)2-O-R8-(S)v-R8-]h-R10 (8a)
R3-R8-(S)v-R8-[O-C(R9)2-O-R8-(S)v-R8-]h-R3 (8b)
{R10-R8-(S)v-R8-[O-C(R9)2-O-R8-(S)v-R8-]h-O-C(R9)2-O-}mZ (8c)
{R3-R8-(S)v-R8-[O-C(R9)2-O-R8-(S)v-R8-]h-O-C(R9)2-O-}mZ (8d)
其中h可以为1到50的整数;每个v可以独立地选自1和2;每个R8可以是C2-6烷二基;并且每个R9可以独立地选自氢、C1-6烷基、C7-12苯基烷基、经取代的C7-12苯基烷基、C6-12环烷基烷基、经取代的C6-12环烷基烷基、C3-12环烷基、经取代的C3-12环烷基、C6-12芳基和经取代的C6-12芳基;每个R10是包括末端硫醇基的部分;并且每个R3独立地是包括除了硫醇基之外的末端反应性官能团的部分;并且Z可以衍生自m价母体多元醇Z(OH)m的核心。
在式(8)的含硫聚缩甲醛部分和式(8a)-(8d)的预聚物中,每个R1可以独立地选自C2-6烷二基、C2-4烷二基、C2-3烷二基和乙烷-1,2-二基。
在式(8)的含硫聚缩甲醛部分和式(8a)-(8d)的预聚物中,每个R1可以是乙烷-1,2-二基。
在式(8)的含硫聚缩甲醛部分和式(8a)-(8d)的预聚物中,每个R2可以独立地选自氢、C1-6烷基、C1-4烷基、C1-3烷基和C1-2烷基。在式(8)的含硫聚缩甲醛部分和式(8a)的预聚物中,每个R2可以选自氢、甲基和乙基。
在式(8)的含硫聚缩甲醛部分和式(8a)-(8d)的预聚物中,每个R1相同,并且可以选自C2-3烷二基,如乙烷-1,2-二基和丙烷-1,3-二基;并且每个R2相同,并且可以选自氢和C1-3烷基,如甲基、乙基或丙基。在式(8)的含硫聚缩甲醛部分和式(11a)的预聚物中,每个R1可以是乙烷-1,2-二基。
在式(8)的含硫聚缩甲醛部分和式(11a)-(8d)的预聚物中,每个R2可以是氢。在式(8)的含硫聚缩甲醛部分和式(8a)的预聚物中,每个R1可以是乙烷-1,2-二基,并且每个R2可以是氢。
在式(8)的含硫聚缩甲醛部分和式(8a)-(8b)的预聚物中,n可以是选自1到50的整数、2到40的整数、4到30的整数,或者n可以是7到30的整数。
在式(8)的含硫聚缩甲醛部分和式(8a)-(8b)的预聚物中,每个p相同并且可以是1,并且每个p相同并且可以是2。
含硫预聚物可以包括一硫化物预聚物或一硫化物预聚物的组合。
一硫化物预聚物可以包括式(9)的一部分、式(9a)的硫醇封端的一硫化物预聚物、式(9b)的硫醇封端的一硫化物预聚物、式(9c)的末端改性的一硫化物预聚物、式(9d)的末端改性的一硫化物预聚物或上述各项中的任何一项的组合:
-S-R13-[-S-(R11-X)w-(R12-X)u-R13-]x-S- (9)
HS-R13-[-S-(R11-X)w-(R12-X)u-R13-]x-SH (9a)
{HS-R13-[-S-(R11-X)w-(R12-X)u-R13-]x-S-V'-}zB (9b)
R3-S-R13-[-S-(R11-X)w-(R12-X)u-R13-]x-S-R3 (9c)
{R3-S-R13-[-S-(R11-X)u-(R12-X)q-R13-]x-S-V'-}zB (9d)
其中
每个R11可以独立地选自:C2-10烷二基,如C2-6烷二基;C2-10支链烷二基,如C3-6支链烷二基或具有可以是例如烷基如甲基或乙基的一个或多个侧基的C3-6支链烷二基;C6-8环烷二基;C6-14烷基环烷二基,如C6-10烷基环烷二基;以及C8-10烷基芳烃二基;
每个R12可以独立地选自氢、C1-10正烷二基,如C1-6正烷二基、C2-10支链烷二基,如具有可以是例如烷基如甲基或乙基的一个或多个侧基的C3-6支链烷二基;C6-8环烷二基;C6-14烷基环烷二基,如C6-10烷基环烷二基;以及C8-10烷基芳烃二基;
每个R13可以独立地选自氢、C1-10正烷二基,如C1-6正烷二基、C2-10支链烷二基,如具有可以是例如烷基如甲基或乙基的一个或多个侧基的C3-6支链烷二基;C6-8环烷二基;C6-14烷基环烷二基,如C6-10烷基环烷二基;以及C8-10烷基芳烃二基;
每个X可以独立地选自O和S;
w可以为1到5的整数;
u可以为0到5的整数;并且
x可以为1到60,如2到60、3到60或25到35的整数;
每个R3独立地选自反应性官能团;
B表示z价多官能化剂B(-V)z的核心,其中:
z可以为3到6的整数;并且
每个V可以是包括与硫醇基具有反应性的末端基团的部分;
每个-V'-可以衍生自-V与硫醇的反应。
合成包括式(10)的各部分或式(9b)-(9c)的预聚物的硫醇封端的一硫化物的方法公开在例如美国专利第7,875,666号中。
一硫化物预聚物可以包括式(10)的一部分、包含式(10a)的一部分的硫醇封端的一硫化物预聚物、包括式(10b)的硫醇封端的一硫化物预聚物、式(10c)的硫醇封端的一硫化物预聚物、式(10d)的硫醇封端的一硫化物预聚物或上述各项中的任何一项的组合:
-[-S-(R14-X)w-C(R15)2-(X-R14)u-]x-S- (10)
H-[-S-(R14-X)w-C(R15)2-(X-R14)u-]x-SH (10a)
R3-[-S-(R14-X)w-C(R15)2-(X-R14)u-]x-S-R3 (10b)
{H-[-S-(R14-X)w-C(R15)2-(X-R14)u-]x-S-V'-}zB (10c)
{R3-[-S-(R14-X)w-C(R15)2-(X-R14)u-]x-S-V'-}zB (10d)
其中
每个R14可以独立地选自:C2-10烷二基,如C2-6烷二基;C3-10支链烷二基,如C3-6支链烷二基或具有可以是例如烷基如甲基或乙基的一个或多个侧基的C3-6支链烷二基;C6-8环烷二基;C6-14烷基环烷二基,如C6-10烷基环烷二基;以及C8-10烷基芳烃二基;
每个R15可以独立地选自氢、C1-10正烷二基,如C1-6正烷二基、C3-10支链烷二基,如具有可以是例如烷基如甲基或乙基的一个或多个侧基的C3-6支链烷二基;C6-8环烷二基;C6-14烷基环烷二基,如C6-10烷基环烷二基;以及C8-10烷基芳烃二基;
每个X可以独立地选自O和S;
w可以为1到5的整数;
u可以为1到5的整数;
x可以为1到60,如2到60、3到60或25到35的整数;
每个R6是包括末端官能团的部分;
B表示z价多官能化剂B(-V)z的核心,其中:
z可以为3到6的整数;并且
每个V可以是包括与硫醇基具有反应性的末端基团的部分;
每个-V'-可以衍生自-V与硫醇的反应。
合成式(10)-(10d)的一硫化物的方法公开在例如美国专利第8,466,220号中。
耐化学性预聚物的其它实例包含聚四氟乙烯、聚偏二氟乙烯、聚乙烯四氟乙烯、氟化乙烯丙烯、全氟烷氧基、乙烯氯三氟乙烯、聚氯三氟乙烯、氟化乙烯丙烯聚合物聚酰胺、聚乙烯、聚丙烯、乙烯-丙烯、氟化乙烯-丙烯、聚砜、聚芳醚砜、聚醚砜、聚酰亚胺、聚对苯二甲酸乙二醇酯、聚醚酮、聚醚醚酮、聚醚酰亚胺、聚苯硫醚、聚芳砜、聚苯并咪唑、聚酰胺酰亚胺、液晶聚合物或上述各项中的任何一项的组合。
共反应性组合物可以包括在预聚物主链中含有小于10wt%的硫原子的预聚物,其中wt%是按预聚物主链的总分子量计,和/或在主链中不含有硫原子的预聚物,条件是固化的共反应性组合物表现出可接受的耐化学性。
例如,具有低硫含量或没有硫含量的预聚物主链可以包括聚缩甲醛、聚异氰酸酯、聚脲、聚碳酸酯、聚苯硫醚、聚氧化乙烯、聚苯乙烯、丙烯腈-丁二烯-苯乙烯、聚碳酸酯、苯乙烯丙烯腈、聚(甲基丙烯酸甲酯)、聚氯乙烯、聚丁二烯、聚对苯二甲酸丁二醇酯、聚(对苯醚)、聚砜、聚醚砜、聚乙烯亚胺、聚苯砜、丙烯腈苯乙烯丙烯酸酯、聚乙烯、间同立构或全同立构聚丙烯、聚乳酸、聚酰胺、乙酸乙酯-乙酸乙烯酯均聚物或共聚物、聚氨酯、乙烯共聚物、丙烯共聚物、丙烯抗冲共聚物、聚醚醚酮、聚甲醛、间同立构聚苯乙烯(SPS)、聚苯硫醚(PPS)、液晶体聚合物(LCP)、丁烯均聚物和共聚物、己烯均聚物和共聚物;以及上述各项中的任何一项的组合。
具有低硫含量或没有硫含量的其它合适的预聚物主链的实例包含聚烯烃(如聚乙烯、线性低密度聚乙烯(LLDPE)、低密度聚乙烯(LDPE)、高密度聚乙烯、聚丙烯和烯烃共聚物)、苯乙烯/丁二烯橡胶(SBR)、苯乙烯/乙烯/丁二烯/苯乙烯共聚物(SEBS)、丁基橡胶、乙烯/丙烯共聚物(EPR)、乙烯/丙烯/二烯单体共聚物(EPDM)、聚苯乙烯(包含高抗冲聚苯乙烯)、聚(乙酸乙烯酯)、乙烯/乙酸乙烯酯共聚物(EVA)、聚(乙烯醇)、乙烯/乙烯醇共聚物(EVOH)、聚(乙烯醇缩丁醛)、聚(甲基丙烯酸甲酯)以及其它丙烯酸酯聚合物和共聚物(包含如甲基丙烯酸甲酯聚合物、甲基丙烯酸酯共聚物、衍生自一种或多种丙烯酸酯、甲基丙烯酸酯、丙烯酸乙酯、甲基丙烯酸乙酯、丙烯酸丁酯、甲基丙烯酸丁酯等的聚合物)、烯烃和苯乙烯共聚物、丙烯腈/丁二烯/苯乙烯(ABS)、苯乙烯/丙烯腈聚合物(SAN)、苯乙烯/马来酸酐共聚物、异丁烯/马来酸酐共聚物、乙烯/丙烯酸共聚物、聚(丙烯腈)、聚碳酸酯(PC)、聚酰胺、聚酯、液晶聚合物(LCP)、聚(乳酸)、聚(苯醚)(PPO)、PPO-聚酰胺合金、聚砜(PSU)、聚醚酮(PEK)、聚醚醚酮(PEEK)、聚酰亚胺、聚甲醛(POM)均聚物和共聚物、聚醚酰亚胺、氟化乙烯丙烯聚合物(FEP)、聚(氟乙烯)、聚(偏二氟乙烯)、聚(偏二氯乙烯)和聚(氯乙烯)、聚氨酯(热塑性和热固性)、芳族聚酰胺(如和)、聚四氟乙烯(PTFE)、聚硅氧烷(包含聚二甲基硅氧烷、二甲基硅氧烷/乙烯基甲基硅氧烷共聚物、乙烯基二甲基硅氧烷封端的聚(二甲基硅氧烷))、弹性体、环氧聚合物、聚脲、醇酸树脂、纤维素聚合物(如乙基纤维素、乙基羟乙基纤维素、羧甲基纤维素、乙酸纤维素、乙酸丙酸纤维素和乙酸丁酸纤维素)、聚醚和二醇类,如聚(氧化乙烯)(也称为聚(乙二醇))、聚(氧化丙烯)(也称为聚(丙二醇))和氧化乙烯/氧化丙烯共聚物、丙烯酸乳胶聚合物、聚酯丙烯酸酯低聚物和聚合物、聚酯二醇二丙烯酸酯聚合物以及可UV固化树脂。
也可以使用具有弹性体主链和低硫含量或没有硫含量的预聚物。具有弹性体主链的合适的预聚物的实例包含聚醚、聚丁二烯、含氟弹性体、全氟弹性体、乙烯/丙烯酸共聚物、乙烯丙烯二烯三元共聚物、腈、聚硫醇胺、聚硅氧烷和上述各项中的任何一项的组合。
密封组件可以使用航天密封剂通过三维打印来制造。合适的航天密封剂的实例可从以PPG工业公司(PPG Industries Inc.)获得。合适的密封剂包含如PR-1440、PR-1429、PR-1770等双部分二氧化锰固化聚硫化物密封剂、如PR-1422等双部分重铬酸盐固化聚硫化物密封剂以及如PR-2001等双部分环氧固化聚硫醚密封剂。这些密封剂使用2rpm的具有7号桨的博勒飞流变仪在25℃下的初始粘度为10,000泊至15,000泊;初始坍落度为0.10英寸到0.15英寸并且50分钟时的坍落度为0.10英寸到0.20英寸;25℃下的消粘时间小于8小时;并且达到肖氏35A的硬度的固化时间为12小时到48小时。
共反应性组合物可以包括例如一种或多种添加剂如催化剂、引发剂如光引发剂、促粘附力剂、反应性稀释剂、增塑剂、填料、着色剂、光致变色剂、流变改性剂、固化活化剂和促进剂、腐蚀抑制剂、阻燃剂或上述各项中的任何一项的组合。
共反应性组合物可以包括填料或填料的组合。填料可以包含在共反应性组合物中,例如以调整共反应性组合物的粘度、建立固化密封组件的物理特性、建立固化密封组件的密度和/或建立固化密封组件的电和/或热特性。
填料可以包括例如无机填料、有机填料、低密度填料、导电填料、导热填料或上述各项中的任何一项的组合。
合适的无机填料的实例包含二氧化硅、沉淀二氧化硅、处理过的二氧化硅、气相二氧化硅、碳黑、碳酸钙、沉淀碳酸钙、氢氧化钙、水合氧化铝(氢氧化铝)、滑石、云母、二氧化钛、硅酸铝、碳酸盐、白垩、硅酸盐、玻璃、金属氧化物、石墨以及上述各项中的任何一项的组合。
合适的有机填料的实例包含热塑性材料、热固性材料或其组合。合适的热塑性材料和热固性材料的实例包含环氧树脂、环氧树脂-酰胺、ETFE共聚物、尼龙、聚乙烯、聚丙烯、聚氧化乙烯、聚氧化丙烯、聚偏二氯乙烯、聚氟乙烯、TFE、聚酰胺、聚酰亚胺、乙烯丙烯、全氟烃、氟乙烯、聚碳酸酯、聚醚醚酮、聚醚酮、聚苯醚、聚苯硫醚、聚苯乙烯、聚氯乙烯、三聚氰胺、聚酯、酚醛树脂、表氯醇、氟化烃、多环化合物、聚丁二烯、聚氯丁二烯、聚异戊二烯、聚硫化物、聚氨酯、异丁烯异戊二烯、硅酮、苯乙烯丁二烯、液晶聚合物或上述各项中的任何一项的组合。
合适的低密度填料的实例包含包括如三聚氰胺或脲/甲醛树脂等氨基塑料树脂的外部涂层的热膨胀热塑性微胶囊和热膨胀微胶囊。低密度填料的比重可以例如小于0.5、小于0.3或小于0.1。
共反应性组合物可以包括低密度微胶囊。低密度微胶囊可以包括可热膨胀微胶囊。
可热膨胀微胶囊是指包括在预定温度下膨胀的挥发性材料的中空外壳。可热膨胀的热塑性微胶囊的平均初始粒度可以为5μm到70μm、在一些情况下为10μm到24μm或为10μm到17μm。术语“平均初始粒度”是指微胶囊在任何膨胀之前的平均粒度(粒度分布的数值加权平均值)。粒度分布可以使用费氏微筛分粒器(Fischer Sub-Sieve Sizer)或通过光学检验来确定。
适合于形成可热膨胀微胶囊壁的材料的实例包含偏二氯乙烯、丙烯腈、苯乙烯、聚碳酸酯、甲基丙烯酸甲酯、丙烯酸乙酯和乙酸乙烯酯的预聚物、这些单体的共聚物以及预聚物和共聚物的组合。交联剂可以包含在形成可热膨胀微胶囊的壁的材料中。
合适的热塑性微胶囊的实例包含ExpancelTMDE微胶囊,如可从阿克苏诺贝尔公司获得的ExpancelTMDE微球。合适的ExpancelTMDE微球的实例包含ExpancelTM920DE40和ExpancelTM920DE 80。合适的低密度微胶囊也可从吴羽株式会社(Kureha Corporation)获得。
如低密度微胶囊等低密度填料的特征可以在于比重在0.01到0.09的范围内、为0.04到0.09、在0.04到0.08的范围内、在0.01到0.07的范围内、在0.02到0.06的范围内、在0.03到0.05的范围内、在0.05到0.09的范围内、为0.06到0.09或在0.07到0.09的范围内,其中比重根据ISO 787-11测定。如低密度微胶囊等低密度填料的特征可以在于比重小于0.1、小于0.09、小于0.08、小于0.07、小于0.06、小于0.05、小于0.04、小于0.03或小于0.02,其中比重根据ISO 787-11测定。
如低密度微胶囊等低密度填料的特征可以在于平均粒径为1μm到100μm,并且可以具有基本上球形形状。如低密度微胶囊等低密度填料的特征可以在于例如平均粒径为10μm到100μm、10μm到60μm、10μm到40μm或10μm到30μm,如根据ASTM D6913测定的。
如低密度微胶囊等低密度填料可以包括具有如三聚氰胺树脂等氨基塑料树脂的涂层的膨胀热塑性微胶囊或微球。氨基塑料树脂涂覆的颗粒描述在例如美国专利第8,993,691号中。此类微胶囊可以通过加热包括被热塑性外壳包围的发泡剂的热塑性微胶囊来形成。未涂覆的低密度微胶囊可以与如脲/甲醛树脂等氨基塑料树脂反应以在颗粒的外表面上提供热固性树脂的涂层。
对于氨基塑料树脂的涂层,氨基塑料涂覆的微胶囊的特征可以在于比重例如在0.02到0.08的范围内、在0.02到0.07的范围内、在0.02到0.06的范围内、在0.03到0.07的范围内、在0.03到0.065的范围内、在0.04到0.065的范围内、在0.045到0.06的范围内或在0.05到0.06的范围内,其中比重根据ISO 787-11测定。
共反应性组合物可以包括微粒化的氧化的聚乙烯均聚物。有机填料可以包含聚乙烯,如氧化的聚乙烯粉末。合适的聚乙烯例如可从霍尼韦尔国际公司(HoneywellInternational,Inc.)以商品名从英力士公司(INEOS)以商品名并且从三井化学美国分公司(Mitsui Chemicals America,Inc.)以商品名获得。
合适的导电填料的实例包含金属、金属合金、导电氧化物、半导体、碳、碳纤维以及上述各项中的任何一项的组合。
导电填料的其它实例包含:导电贵金属基填料,如纯银;镀贵金属的贵金属,如镀银的金;镀贵金属的非贵金属,例如镀银的铜、镍或铝,例如镀银的铝铜颗粒或镀铂的铜颗粒;镀贵金属的玻璃、塑料或陶瓷,如镀银的玻璃微球、镀贵金属的铝或镀贵金属的塑料微球;镀贵金属的云母;以及其它此类贵金属导电填料。也可以使用非贵金属基材料,并且非贵金属基材料包含例如:镀非贵金属的非贵金属,如镀铜的铁颗粒或镀镍的铜颗粒;非贵金属,例如铜、铝、镍、钴;镀非贵金属的非金属,例如镀镍的石墨;以及非金属材料,如碳黑和石墨。导电填料和导电填料形状的组合可以用于获得期望的导电性、EMI/RFI屏蔽效果、硬度和适合特定应用的其它特性。
导电非金属填料如碳纳米管、碳纤维如石墨化碳纤维和导电碳黑也可以结合石墨烯用于共反应性组合物中。
共反应性组合物可以包括导热填料或导热填料的组合。
导热填料可以包含例如金属氮化物如氮化硼、氮化硅、氮化铝、砷化硼、碳化合物如金刚石、石墨、碳黑、碳纤维、石墨烯和石墨烯碳颗粒、金属氧化物如氧化铝、氧化镁、氧化铍、二氧化硅、氧化钛、氧化镍、氧化锌、氧化铜、氧化锡、金属氢氧化物如氢氧化铝或氢氧化镁、碳化物如碳化硅、矿物如玛瑙和金刚砂、陶瓷如陶瓷微球、莫来石、二氧化硅、碳化硅、羰基铁、钼酸铈(III)、铜、锌或上述各项中的任何一项的组合。
共反应性组合物可以包括例如1wt%到90wt%的填料、1wt%到60wt%、1wt%到40wt%、1wt%到20wt%、1wt%到10wt%或1wt%到5wt%的填料,其中wt%是按共反应性组合物的总重量计。共反应性组合物可以包括大于1wt%的填料、大于5wt%、大于10wt%、大于20wt%、大于30wt%、大于40wt%、大于50wt%的填料或大于60wt%的填料,其中wt%是按共反应性组合物的总重量计。共反应性组合物可以包括小于90wt%、小于70wt%、小于50wt%、小于30wt%、小于10wt%的填料或小于5wt%,其中wt%是按共反应性组合物的总重量计。
共反应性组合物可以包括例如1vol%到90vol%的填料、1vol%到60vol%、1vol%到40vol%、1vol%到20vol%、1vol%到10vol%或1vol%到5vol%的填料,其中vol%是按共反应性组合物的总体积计。共反应性组合物可以包括大于1vol%的填料、大于5vol%、大于10vol%、大于20vol%、大于30vol%、大于40vol%、大于50vol%的填料或大于60vol%的填料,其中vol%是按共反应性组合物的总体积计。共反应性组合物可以包括小于90vol%、小于70vol%、小于50vol%、小于30vol%、小于10vol%的填料或小于5vol%,其中vol%是按共反应性组合物的总体积计。
可以选择形成用于制造密封组件的共反应性组合物的材料以提供期望的化学特性、期望的物理特性并且促进三维打印。
共反应性组合物可以能够例如在小于50℃、小于40℃、小于30℃或小于20℃的温度下反应。第一官能团和第二官能团可以能够例如在10℃到50℃、15℃到40℃或20C到30℃的温度下反应。第一官能团和第二官能团可以能够例如在大于10℃、大于20℃、大于30℃或大于40℃的温度下反应。
共反应性组合物如沉积时的初始粘度可以为例如1E2泊到1E7泊、5E2泊到5E6泊、1E3泊到1E5泊或5E3泊到5E4泊,其中粘度使用2rpm和25℃的装配有7号桨的博勒飞流变仪测定。共反应性组合物的初始粘度可以例如大于1E2泊、大于5E2泊、大于1E3泊、大于5E3泊、大于1E4泊、大于1E5泊或大于1E6泊。共反应性组合物的初始粘度可以例如小于1E7泊、小于1E6泊、小于1E5泊、小于1E4泊或小于1E3泊。
在23C/50%RH下,用于制造密封组件的共反应性组合物的凝胶时间可以例如小于12小时、小于8小时、小于4小时、小于1小时、小于30分钟、小于10分钟或小于1。在23C/50%RH下,用于制造密封组件的共反应性组合物的凝胶时间可以为例如10秒到12小时、1分钟到8小时、30分钟到4小时或1小时到3小时。用于制造密封组件的共反应性组合物的凝胶时间可以例如大于10秒、大于1分钟、大于30分钟、大于1小时、大于4小时或大于8小时。凝胶时间是指从例如通过混合共反应性组分或通过暴露于如UV辐射等能量来引发共反应性组合物的固化的时间到共反应性组合物不可再用手搅拌时的持续时间。
在23℃/50%RH下,用于制造密封组件的共反应性组合物的消粘可以例如小于24小时、小于10小时、小于1小时、小于30分钟、小于10分钟或小于5分钟。在23℃/50%RH下,用于制造密封组件的共反应性组合物的消粘时间可以例如大于10秒、大于1分钟、大于1小时、大于6小时或大于12小时。在23℃/50%RH下,用于制造密封组件的共反应性组合物的消粘时间可以为例如30秒到24小时、1分钟到12小时、1小时到10小时或2小时到8小时。“消粘时间”是指从例如通过混合共反应性组分或通过暴露于如UV辐射等能量来引发共反应性组合物的固化的时间到由共反应性组合物制备的层不再消粘的时间的持续时间,其中消粘是通过用手压将聚乙烯片材施加到层的表面并且观察密封剂是否粘附到聚乙烯片材的表面来确定的,其中如果聚乙烯片材容易与层分离,则所述层被视为消粘。
在23℃/50%RH下,共反应性组合物达到肖氏10A硬度的时间可以例如小于2分钟、小于5分钟、小于30分钟、小于1小时、小于5小时、小于10小时或小于20小时。在23℃/50%RH下,共反应性组合物达到肖氏10A硬度的时间可以是例如大于30秒、大于1分钟、大于1小时、大于5小时或大于10小时。在23℃/50%RH下,共反应性组合物达到肖氏10A硬度的时间可以为例如30秒到20小时、分钟到12小时或1小时到10小时。
在23℃/50%RH下,共反应性组合物的固化时间如达到肖氏30A硬度的时间可以为1天到7天。
密封组件可以使用三维打印通过沉积共反应性组合物的连续层来制造。连续层可以邻接先前沉积层沉积,如紧邻先前沉积层、在先前沉积层的顶部上或者抵靠先前沉积层如在先前沉积的侧面上。连续层可以邻接一个或多个先前沉积层沉积。
在密封组件的制造期间,共反应性组合物的量可以是恒定的或者可以是可变的。例如,可以调整共反应性组合物的量以改变部件的厚度和/或形成高公差特征。
共反应性组合物可以例如在小于50℃、小于40℃、小于30℃、小于25℃、小于20℃或小于15℃的温度下沉积。共反应性组合物可以在例如10℃到50℃、15℃到40℃或20℃到30℃的温度下沉积。沉积温度是指在共反应性组合物离开喷嘴之后和/或在共反应性组合物沉积在基底上时三维打印设备的喷嘴中的共反应性组合物的温度。
共反应性组合物可以沉积在基底上,所述基底包含共反应性组合物的支撑物或先前沉积层。共反应性组合物如包括共反应性组合物的一个或多个连续层可以直接沉积到待密封表面上。
可以选择共反应性组合物的连续层沉积的速度和顺序以促进沉积的共反应性组合物的邻接层相互作用以在邻接层之间形成强界面的能力,这如本文所述可以包含例如邻接层的成分之间的化学键合和/或缠结。共反应性组合物的邻接层可以化学键合以在层之间形成机械强度高的界面。邻接层可以物理地相互作用以在邻接层之间形成强界面。例如,一个或两个邻接层的成分可以扩散到另一层中以形成机械强度高的界面。
例如,可以在先前施加的共反应性组合物的凝胶时间之前将共反应性组合物的随后施加的层施加到先前施加的层上。例如,可以在先前施加的共反应性组合物的表面完全反应之前将共反应性组合物的随后施加的层施加到先前施加的层上。随后施加的层也可以施加到部分固化或完全固化的先前沉积层。
使用共反应性组合物的三维打印促进了制造具有复杂几何形状并且具有至少与使用其它工艺形成的密封组件相当的物理特性的高精度密封组件的能力。共反应性三维打印提供了使用广泛范围的反应性材料和固化化学物质的能力。反应性单体和预聚物的低粘度可以促进使用更高填料含量的能力,这是其它三维打印方法如热塑性三维打印所不可及的。使用三维打印对密封组件的三维打印可以使用多功能的、处理器控制的器材完成,所述器材可以根据需要进行修改以生产各种各样的部件。此外,共反应性组合物的低温加工和固化可以提供具有低机械应力的密封组件。共反应性三维打印促进了制造定制密封组件和/或低生产量密封组件的能力,而不需要像如注射成型和压缩成型等其它方法中所需的那样投资昂贵的工具和器材。
为了密封相对的表面,可以期望的是,密封组件的表面是光滑的,以促进与表面的配合并且避免在密封组件表面与待密封部件的配合表面之间产生气袋。可以含有气体或溶剂或者在使用期间可以填充有并且保留气体或溶剂的气袋在使用期间可能会损害密封组件密封的完整性。因此,对于使用三维打印制造的密封组件,期望密封组件表面是光滑的。众所周知,某些三维打印方法可以产生打印线,所述打印线产生粗糙表面,所述粗糙表面对于某些密封应用如密封相对部件的光滑表面来说可能是不期望的。
为了促进使用三维打印制造光滑的密封组件表面,挤出喷嘴的尖端可以定位在初始沉积的共反应性组合物的表面附近。例如,喷嘴的尖端可以定位在初始沉积表面上方2mm到初始沉积表面下方2mm,如表面上方1.5mm到下方1.5mm、上方1mm到下方1mm或者初始沉积表面上方0.5mm到下方0.5mm。喷嘴的尖端可以被定位成例如与初始沉积表面齐平到表面下方2mm、与表面齐平到表面下方1.5mm、与表面齐平到表面下方1mm或者与初始沉积表面齐平到初始沉积表面下方0.5mm。
喷嘴相对于共反应性组合物的初始沉积表面的空间关系如图2A-2C所示。图2A示出了定位于共反应性组合物的层上方的三维打印喷嘴。图2A示出了具有第一高度h的先前沉积层201,所述第一高度是沉积层的基底202或底部到先前沉积层203的最高点之间的距离。层204处于从喷嘴205沉积的过程中。层204具有与先前沉积层201相同的高度h。喷嘴205的尖端206定位于层204的顶部207上方、距离层204的基底或底部208的高度为H。
在图2B中,基底上方的喷嘴的高度H'小于图2A所示的自由沉积层204的高度h。如图2B所示,将喷嘴的高度降低到自由沉积层的高度h以下致使喷嘴尖端206沿着层沉积拖动并且导致沉积层铺展。被沉积的共反应性组合物铺展到邻接层之间的间隙中。如图2B所展示的,这产生了其中打印线的高度或低形貌特征与高形貌特征之间的差异有所减小的表面轮廓。
图2C示出了其中喷嘴尖端206已经被修改为包含如叶片等促进喷嘴尖端使沉积层的表面光滑化的能力的元件209的示例。如图2C所示,所述元件呈是圆盘形式,所述圆盘被配置成在先前沉积层的至少一部分之上延伸,使得在第二层被沉积时第一层和第二层均被同时光滑化。
这些实例表明各种机制和特征可以用于使用共反应性三维打印来使如密封组件等部件的表面光滑化。
因此,本公开提供的方法可以包括通过喷嘴将共反应性组合物挤出到基底上,其中喷嘴包括尖端;当基底与喷嘴尖端之间的距离大于第一层厚度时,沉积层以第一层厚度为特征;并且沉积进一步包括将喷嘴尖端定位在距基底小于第一层厚度的距离处并且通过喷嘴挤出共反应性组合物。喷嘴的尖端可以在沉积期间接触正在沉积的层并且可以在打印期间沿着正在沉积的层拖动。结果是打印层的高度小于自由沉积的打印层的高度,其中喷嘴的尖端定位于沉积层上方并且因此在打印期间不接触所述层。
打印喷嘴的尖端可以定位于例如自由沉积层高度下方小于1mm、下方小于2mm、下方小于3mm或自由沉积层高度下方小于5mm处。打印喷嘴的尖端可以定位于自由沉积层高度下方超过0.1mm、超过0.2mm、超过0.5mm、超过1mm、超过2mm或自由沉积层高度下方超过4mm。喷嘴相对于沉积层表面的合适位置可以取决于沉积层的尺寸、正在沉积的共反应性组合物的粘度和/或打印速度。
通过将挤出喷嘴定位在共反应性组合物的初始沉积表面下方可以降低表面波纹度,并且提供适合密封组件应用而无需进一步加工的三维打印表面。例如,密封组件表面足够光滑以致于不需要研磨或涂覆密封组件表面来获得合适的光滑度。
在沉积共反应性组合物的连续层以形成密封组件之后,可以使沉积的共反应性组合物固化。
沉积的共反应性组合物可以例如在小于50℃、小于40℃、小于30℃、小于25℃、小于20℃或小于15℃的温度下固化。共反应性组合物可以在例如10℃到50℃、15℃到40℃或20℃到30℃的温度下固化。共反应性组合物可以在例如22℃到25℃的温度下固化。
可以选择固化条件以使邻接层形成强界面和/或促进密封组件表面上的共反应性组合物平面化。
为了进一步促进邻接层相互作用和/或使密封组件表面平面化的能力,可以连续或暂时加热沉积的共反应性组合物。加热可以增加反应速率或邻接层之间的共反应物的缠结速率,和/或可以减小密封组件表面上的共反应性组合物的粘度。然而,不需要加热来使表面光滑化和/或产生强层间界面。
在固化期间,可以加热密封组件顶面的一部分,或者可以加热整个顶表面。
本公开提供的密封组件可以通过在任何合适的基底上沉积共反应性组合物来形成。在密封组件形成并且固化之后,密封组件可以从基底取出。
共反应性组合物可以沉积在例如金属或塑料基底上。可以在沉积共反应性组合物之前将脱模涂层施加到基底以促进从基底取出固化的密封组件。
共反应性组合物可以沉积在脱模膜上以形成密封组件。脱模膜可以用作密封组件的载体,并且密封组件可以在使用时从脱模膜取出。
通过将共反应性组合物直接沉积到待由密封组件密封的表面上,可以就地形成密封组件。
基底可以具有基本上平面的表面或者可以具有非平面表面
具有非平面底表面的密封组件可以通过在非平面基底上沉积共反应性组合物来形成。基底可以具有成角度的表面、内凹、凹陷、弯曲表面或任何其它成形表面。沉积的共反应性组合物可以适形于基底的形状。基底可以具有与待用密封组件密封的表面之一的形状相同的形状,或者基底可以具有与待用密封组件密封的表面之一的形状类似的形状。
其上沉积有共反应性组合物的基底的表面可以是光滑的。例如,基底表面的2Ra表面波纹度可以小于200μm、小于100μm、小于50μm、10μm、小于5μm、小于1μm或小于0.1μm。例如,基底表面的2Ra表面波纹度可以为0.01μm到200μm、0.1μm到100μm、0.2μm到50μm或1μm到20μm。
因为共反应性组合物在小于50℃或小于30℃的温度下沉积在基底上,所以不需要基底承受高温。
可以加热或冷却基底,如金属基底,以促进层间键合,从而控制沉积的共反应性组合物的固化速率和/或控制沉积的共反应性组合物的粘度。
可以通过使用三维打印将共反应性组合物直接沉积到待密封表面上来制造密封组件。使用直接沉积,可以与待密封部件的轮廓一致地铰接共反应性三维打印设备的喷嘴,以促进沉积的共反应性组合物填充和适形于复杂形状的能力。共反应性组合物也可以以使避免或最小化空气的截留和在固化材料与待密封部件的表面之间气袋的产生的方式沉积。用于直接沉积到待密封表面上的共反应性组合物可以包括促进密封组件键合和/或粘附到表面上的能力的成分。
密封组件可以具有适合特定应用的特性。相关特性包含耐化学性、低温柔性、水解稳定性、耐高温性、拉伸强度、拉伸应变、伸长率%、压缩永久变形、基底粘附力、消粘时间、达到肖氏10A硬度的时间、导电性、静电耗散、导热性、低密度、耐腐蚀性、表面硬度、阻燃性、抗UV性、介电击穿强度以及上述各项中的任何一项的组合。
对于航天应用,重要的特性包含如耐燃料、液压流体、油、油脂、润滑剂和溶剂等耐化学性、低温柔性、耐高温性、耗散电荷的能力和介电击穿强度。
例如,在根据ISO 1817在60℃下暴露于喷气式飞机参考流体(JRF型号1)168小时后,所提供的固化组合物可以表现出根据ISO 37测定的大于1.4MPa的拉伸强度、根据ISO37测定的大于150%的拉伸伸长率和根据ISO 868测定的大于肖氏30A的硬度,其中测试在23℃的温度和55%RH的湿度下进行。在根据ISO 11075型号1在60℃下暴露于除冰流体168小时后,固化组合物可以表现出根据ISO 37测定的大于1MPa的拉伸强度和根据ISO 37测定的大于150%的拉伸伸长率,其中测试在23℃的温度和55%RH的湿度下进行。在70℃下暴露于磷酸酯液压流体(LD-4)1,000小时后,固化组合物可以表现出根据ISO 37测定的大于1MPa的拉伸强度、根据ISO 37测定的大于150%的拉伸伸长率和根据ISO 868测定的大于肖氏30A的硬度,其中测试在23℃的温度和55%RH的湿度下进行。耐化学性组合物在70℃下浸泡在化学制品中7天后可以表现出的溶胀%小于25%、小于20%、小于15%或小于10%,其中溶胀%根据EN ISO 10563测定。
密封组件可以表现出的硬度例如大于肖氏20A、大于肖氏30A、大于肖氏40A、大于肖氏50A或大于肖氏60A,其中硬度根据ISO 868在23℃/55%RH下测定。
当按照AMS 3279§3.3.17.1、测试程序AS5127/1§7.7中描述的程序进行测量时,密封组件可以表现出至少200%的拉伸伸长率和至少200psi的拉伸强度。
当根据SAE AS5127/1第7.8段中描述的程序进行测量时,密封组件可以表现出大于200psi(1.38MPa)的搭接剪切强度,如至少220psi(1.52MPa)、至少250psi(1.72MPa)以及在某些情况下至少400psi(2.76MPa)。
由本公开提供的共反应性组合物制备的密封组件可以满足或超出如AMS 3277中所阐述的航天密封剂要求。
密封组件可以表现出对于用于运载工具和航天密封剂应用中可接受的特性。通常,期望航空和航天应用中使用的密封剂表现出以下特性:根据AMS 3265B测试规范在干燥条件下、在JRF型号I中浸泡7天后以及在3%NaCl溶液中浸泡后测定的航天材料规范(AMS)3265B基底上的剥离强度大于20磅每线性英寸(pli);拉伸强度介于300磅每平方英寸(psi)与400psi(2.75MPa)之间;撕裂强度大于50磅每线性英寸(pli)(8.75N/mm);伸长率介于250%与300%之间;并且硬度大于40硬度计A。适合航空和航天应用的这些和其它固化密封剂特性在AMS 3265B中公开。还期望,当固化时,用于航空和飞行器应用中的本公开的组合物在60℃(140℉)和环境压力下在喷气式飞机参考流体(JRF型号1)中浸泡一周后表现出的溶胀体积百分比不大于25%。其它特性、范围和/或阈值可以适合其它密封剂应用。
密封组件的比重可以例如小于1.3、小于1.2、小于1.1、小于1.0、小于0.9、小于0.8或小于0.7。
密封组件表现出的玻璃化转变温度Tg例如小于-20℃、小于-40℃、小于-50℃或小于-60℃,所述玻璃化转变温度是使用频率为1Hz、振幅为20微米并且温度斜坡为-80℃到160℃的TA仪器公司(TA Instruments)Q800设备通过动态力学分析(DMA)测定的,其中Tg被鉴定为tanδ曲线的峰值。
使用本公开提供的方法制造的密封组件可以用于密封邻接表面。
密封组件可以用于密封运载工具如机动运载工具或航天运载工具上的邻接表面。
运载工具可以包含例如机动车辆、汽车、卡车、公共汽车、货车、摩托车、小型摩托车、娱乐机动车辆;有轨车辆、火车、电车、自行车、航天运载工具、飞机、火箭、航天器、喷气式飞机、直升机、包含吉普车在内的军用车辆、运输机、战斗支援车辆、人员输送车、步兵战车、防雷车、轻型装甲车、轻型多用途车、军用卡车、包含船舶、船只和娱乐水运工具在内的水运工具。术语“运载工具”以其最广泛的意义使用,并且包含所有类型的飞行器、航天器、水运工具和陆上运载工具。例如,运载工具可以包含飞行器,如飞机,包含私人飞行器以及小型、中型或大型商用客机、货机和军用飞行器;直升机,包含私人、商用和军用直升机;航天运载工具,包含火箭和其它航天器。运载工具可以包含陆上运载工具,如拖车、汽车、卡车、公共汽车、货车、建筑车辆、高尔夫球车、摩托车、自行车、火车和铁路车辆。运载工具还可以包含水运工具,如船舶、船只和气垫船。
密封组件可以用于密封航天运载工具的部件上的邻接表面。航天运载工具的实例包含F/A-18喷气式飞机或相关飞行器,如F/A-18E超级大黄蜂(Super Hornet)和F/A-18F;在波音787梦想客机(Boeing 787Dreamliner)、737、747、717客用喷气式飞机、相关飞行器(由波音商用飞机公司(Boeing Commercial Airplanes)生产)中;在V-22鱼鹰式倾斜旋翼机(V-22Osprey)中;在VH-92、S-92和相关飞行器(由NAVAIR和西科斯基飞行器公司(Sikorsky)生产)中;在G650、G600、G550、G500、G450和相关飞行器(由湾流公司(Gulfstream)生产)中;以及在A350、A320、A330和相关飞行器(由空中客车公司(Airbus)生产)中。密封组件可以用于任何合适的商用、军用或通用航空飞行器,如庞巴迪公司(Bombardier Inc.)和/或庞巴迪航天公司(Bombardier Aerospace)如加拿大区域客机(Canadair Regional Jet,CRJ)生产的飞行器和相关飞行器;由洛克希德·马丁公司(Lockheed Martin)生产的飞行器,如F-22猛禽战斗机(F-22Raptor)、F-35闪电战斗机(F-35Lightning)和相关飞行器;由诺斯洛普·格鲁曼公司(Northrop Grumman)生产的飞行器,如B-2幽灵战略轰炸机(B-2Spirit)和相关飞行器;由皮拉图斯飞机有限公司(PilatusAircraft Ltd.)生产的飞行器;由日蚀航空公司(Eclipse Aviation Corporation)生产的飞行器;或者由日蚀宇航公司(Eclipse Aerospace)(Kestrel飞机公司(KestrelAircraft))生产的飞行器。
包括使用本公开提供的方法制造的密封组件密封的运载工具如机动运载工具和航天运载工具也包含在本发明的范围内。
本发明的各方面
本发明由以下方面进一步限定:
方面1.一种制作耐化学性密封组件的方法,所述方法包括使用三维打印以预定形状沉积共反应性组合物的连续层;以及固化沉积的共反应性组合物以提供耐化学性密封组件,其中完全固化的密封组件的断裂能与单独层的断裂能基本上相同,其中所述断裂能是根据ASTM D7313测定的。
方面2.根据方面2所述的方法,其中所述密封组件包括衬垫、填隙片、垫圈、索环、O形环、垫片、密封件、填充物、垫子、配合材料、法兰或轴衬。
方面3.根据方面1到2中任一项所述的方法,其中固化包括使密封组件的硬度达到最大硬度的90%。
方面4.根据方面1到3中任一项所述的方法,其中沉积和固化包括使连续沉积的层中的邻接层化学键合和/或物理键合。
方面5.根据方面1到4中任一项所述的方法,其中沉积包括挤出。
方面6.根据方面1到5中任一项所述的方法,其中沉积包括通过喷嘴将所述共反应性组合物挤出到基底上,其中所述喷嘴包括尖端;当所述基底与所述喷嘴尖端之间的距离大于第一层厚度时,沉积层以所述第一层厚度为特征;并且沉积进一步包括将所述喷嘴尖端定位在距所述基底小于所述第一层厚度的距离处并且通过所述喷嘴挤出所述共反应性组合物。
方面7.根据方面6所述的方法,其中所述基底包括支撑物或先前沉积层。
方面8.根据方面6到7中任一项所述的方法,其中将所述喷嘴定位在距所述基底小于所述第一层厚度的距离处并且通过所述喷嘴挤出所述共反应性组合物形成了具有第二层厚度的沉积层,其中所述第二层厚度小于所述第一层厚度。
方面9.根据方面6到8中任一项所述的方法,其中所述喷嘴尖端进一步包括被配置为使沉积层光滑化的组件。
方面10.根据方面9所述的方法,其中所述组件被配置为将所述密封组件的表面的平均2Ra波纹度降低至小于平均波纹度波长的10%。
方面11.根据方面1到10中任一项所述的方法,其中在沉积期间,所述共反应性组合物的温度小于50℃。
方面12.根据方面1到11中任一项所述的方法,其中沉积包括沉积在基底上或先前沉积层上。
方面13.根据方面1到12中任一项所述的方法,其中沉积包括邻接先前沉积层沉积所述共反应性组合物,其中所述先前沉积层完全固化。
方面14.根据方面1到12中任一项所述的方法,其中沉积包括邻接先前沉积层沉积所述共反应性组合物,其中所述先前沉积层部分固化。
方面15.根据方面1到12中任一项所述的方法,其中沉积包括邻接先前沉积层沉积所述共反应性组合物,其中所述先前沉积层未固化。
方面16.根据方面1到15中任一项所述的方法,其中沉积包括沉积倾斜表面。
方面17.根据方面1到16中任一项所述的方法,其中固化包括使所述沉积的共反应性组合物在小于30℃的温度下固化。
方面18.根据方面1到17中任一项所述的方法,其中固化包括将所述沉积的共反应性组合物加热到大于30℃的温度。
方面19.根据方面1到18中任一项所述的方法,其进一步包括:在沉积之后,加热所述密封组件的至少一部分。
方面20.根据方面1到19中任一项所述的方法,其中所述共反应性组合物包括含硫预聚物。
方面21.根据方面20所述的方法,其中所述含硫预聚物的硫含量为10wt%到20wt%,其中wt%是按所述预聚物的理论重量计。
方面22.根据方面20到21中任一项所述的方法,其中所述共反应性组合物包括40wt%到80wt%的所述含硫预聚物。
方面23.根据方面20到22中任一项所述的方法,其中所述含硫预聚物包括聚硫醚、聚硫化物、含硫聚缩甲醛、一硫化物或上述各项中的任何一项的组合。
方面24.根据方面1到23中任一项所述的方法,其中所述共反应性组合物包括:聚异氰酸酯和聚胺;聚异氰酸酯和多元醇;多官能迈克尔受体和多官能迈克尔供体;或者聚硫醇和聚烯基、聚炔基、聚异氰酸酯、聚环氧化物或多官能迈克尔受体。
方面25.根据方面1到24中任一项所述的方法,其中所述共反应性组合物包括10wt%到80wt%的填料,其中wt%是按所述共反应性组合物的总重量计。
方面26.根据方面1到25中任一项所述的方法,其中所述共反应性组合物包括3vol%到70vol%的填料;并且vol%是按所述共反应性组合物的总体积计。
方面27.根据方面1到26中任一项所述的方法,其中所述共反应性组合物包括0.05wt%到12wt%的低密度填料;所述低密度填料的比重小于1;并且wt%是按所述共反应性组合物的总重量计。
方面28.根据方面1到27中任一项所述的方法,其中所述共反应性组合物可光化辐射固化;并且所述方法进一步包括将所述共反应性组合物暴露于光化辐射下。
方面29.根据方面1到28中任一项所述的方法,其中所述共反应性组合物不可光化辐射固化。
方面30.根据方面1到29中任一项所述的方法,其中在沉积期间,所述共反应性组合物的初始沉积粘度为5E2 cP到5E8 cP,如使用2rpm和25℃的具有25mm平行板几何形状的安东帕流变仪测定的。
方面31.根据方面1到30中任一项所述的方法,其进一步包括:在沉积之前,将第一组分和第二组分组合并混合以形成所述共反应性组合物。
方面32.根据方面31所述的方法,其中所述第一组分包括第一反应性化合物;所述第二组分包括第二反应性化合物;并且所述第一反应性化合物与所述第二反应性化合物具有反应性。
方面33.根据方面32所述的方法,其中所述第一组分和/或所述第二组分包括催化剂、固化促进剂和/或聚合引发剂。
方面34.根据方面31所述的方法,其中所述第一组分包括第一反应性化合物和第二反应性化合物,其中所述第一反应性化合物在催化剂、固化促进剂和/或聚合引发剂的存在下与所述第二反应性化合物具有反应性;并且所述第二组分包括所述催化剂、所述固化促进剂和/或所述聚合引发剂。
方面35.一种耐化学性密封组件,其使用根据方面1到34中任一项所述的方法制造。
方面36.根据方面35所述的密封组件,其中所述密封组件的表面的平均2Ra波纹度小于平均波纹度波长的10%;所述平均2Ra波纹度和平均波纹度波长是使用光学轮廓术测定的;并且顶表面是指在沉积期间面向所述喷嘴的表面。
方面37.根据方面35到36中任一项所述的密封组件,其中所述密封组件的顶表面的平均2Ra波纹度小于平均波纹度波长的1%;平均2Ra波纹度是使用光学轮廓术测定的;并且顶表面是指在沉积期间面向所述喷嘴的表面。
方面38.根据方面35到37中任一项所述的密封组件,其中所述密封组件的顶表面的平均2Ra波纹度小于200μm;平均2Ra波纹度是使用光学轮廓术测定的;并且顶表面是指在沉积期间面向所述喷嘴的表面。
方面39.根据方面35到37中任一项所述的密封组件,其中所述密封组件的顶表面的平均2Ra波纹度小于50μm;平均2Ra波纹度是使用光学轮廓术测定的;并且顶表面是指在沉积期间面向所述喷嘴的表面。
方面40.根据方面35到39中任一项所述的密封组件,其中所述密封组件包括第一表面和与所述第一表面相对的第二表面;并且所述第一表面和所述第二表面是平行的。
方面41.根据方面35到40中任一项所述的密封组件,其中所述密封组件包括第一表面和与所述第一表面相对的第二表面;并且所述第一表面和所述第二表面的至少一部分是不平行的。
方面42.根据方面35到41中任一项所述的密封组件,其中所述密封组件的一部分包括锥形物。
方面43.根据方面35到41中任一项所述的密封组件,其中所述密封组件的厚度是恒定的。
方面44.根据方面35到41中任一项所述的密封组件,其中所述密封组件的厚度是可变的。
方面45.根据方面35到44中任一项所述的密封组件,其中完全固化的密封组件的断裂能与单独层的断裂能基本上相同,其中所述断裂能是根据ASTM D7313测定的。
方面46.根据方面35到45中任一项所述的密封组件,其中所述密封组件在所述衬垫的标称平面内具有各向同性的物理特性。
方面47.根据方面35到46中任一项所述的密封组件,其中所述密封组件在所述密封组件的标称平面内具有各向同性的最大拉伸强度和断裂伸长率%。
方面48.根据方面35到47中任一项所述的密封组件,其中所述最大拉伸强度和所述断裂伸长率%分别在平均最大拉伸强度和断裂伸长率%的+/-10%内,这与测量的平面内方向无关。
方面49.根据方面35到48中任一项所述的密封组件,其中所述密封组件的比重小于1.3。
方面50.根据方面35到49中任一项所述的密封组件,其中所述密封组件的比重小于1。
方面51.根据方面35到50中任一项所述的密封组件,其中所述密封组件在70℃下在JRF型号III中浸泡7天后表现出小于25vol%的溶胀,如根据EN ISO 10563测定的。
方面52.根据方面35到51中任一项所述的密封组件,其中所述密封组件在70℃下在3%NaCl水溶液中浸泡7天后表现出小于10vol%的溶胀,如根据EN ISO 10563测定的。
方面53.根据方面35到52中任一项所述的密封组件,其中所述密封组件表现出小于-20C的玻璃化转变温度Tg,所述玻璃化转变温度是使用频率为1Hz、振幅为20微米并且温度斜坡为-80℃到160℃的TA仪器公司Q800设备通过动态力学分析(DMA)测定的,其中所述Tg被鉴定为tanδ曲线的峰值。
实例
通过参考以下实例来进一步说明本公开提供的实施例,所述实例描述了密封组件和使用三维打印制作密封组件的方法。对于本领域技术人员而言将显而易见的是,可以在不脱离本公开的范围的情况下对材料和方法两者进行许多修改。
实例1
三维打印的密封组件
使用由安装到Lulzbot Taz 6机架的维世科(ViscoTec)Duo双挤出机组成的定制的三维打印机将PR 1440B-2燃料箱密封剂打印成8×11×0.25-in3的片材。
PR 1440B的粘度为10,000泊(1,000帕-秒)、50分钟时的最大坍落度为0.2英寸(5.1mm)、在25C/50%RH下的消粘时间小于8小时、在25C/50%RH下达到肖氏35A的固化时间为16小时,如根据AMS-S-8802B级规范测试方法测定的。
PR-1440B-2是可从PPG航空材料有限公司获得的双部分的B级二氧化锰固化聚硫化物航天密封剂。将含有二氧化锰加速剂或聚硫化物的PR 1440A组和B组各自装入32ozNordson 筒中,并且使用大约80psi到100psi的氮气压力各自馈送到双挤出机。
按以下通过静态混合喷嘴挤出PR 1440来打印片材:恒定打印头速度为1,728毫米/分钟;恒定速率为2.65毫升/分钟并且B:A组分体积流量比被校准成使得挤出的材料按质量计由10:1B:A组成。打印两个片材。为了打印第一片材,将喷嘴定位于打印的表面上方1.7mm处,并且对于第二片材,将喷嘴定位于比沉积的挤出物的初始表面低0.3mm处,使得在打印头移动时,喷嘴尖端掠过并压缩挤出物。将三维打印的片材在23℃/50%RH下固化7天,并且使用基恩士(Keyence)VR-3400光学测量系统评估片材的表面形貌。固化的密封片材的硬度为肖氏40A。
根据2Ra表面波纹度评估每个片材的表面形貌,其中2Ra是归一化表面上方和下方的平均特征尺寸的两倍。用在打印表面上方1.7mm处的喷嘴打印的片材的2Ra表面波纹度为10.1微米(图4A-4D),并且其中喷嘴被定位成掠过正在沉积的层的表面的片材的2Ra表面波纹度为2.7微米(图4A-4D)。
图3A-3D和4A-4D示出了使用三维打印制作的密封组件的表面的轮廓。图3A和4A示出了打印的表面的光学图像。图3B和4B示出了相应表面的热图。图3C和4C分别示出了跨表面的由图3A和4A中的实线指示的部分相对于归一化表面的表面波纹度轮廓。2Ra表面波纹度轮廓是相对于归一化表面测量的,其中通过相对于平面表面进行归一化来解释长距离弓弯或扭变。图3D和4D示出了包含表面波纹度和更长距离特征两者的总表面轮廓。将总表面轮廓分别叠加在图3A和4B中的光学图像上。
通过三维打印凝胶时间大于1小时、在25C/50%RH下的消粘时间小于8小时并且在25C/50%RH下的固化时间为16小时(硬度为肖氏35A)的共反应性组合物,当打印期间打印喷嘴被拖过沉积材料时,2Ra表面波纹度有所降低。例如,比较第一片材和第二片材、使喷嘴与打印材料接触导致2Ra表面波纹度降低3.74倍。
如图3A-3D和4A-4D中呈现的光学图像所示,使喷嘴与打印材料接触导致视觉上更光滑的3D打印表面。将峰到峰距离(即,打印线的波长)定义为每个轮廓中的五个峰之间的测量值的平均值,并且用于比较图3A-3D和图4A-4D所示的打印轮廓中的打印线的宽度。当喷嘴定位于打印表面上方1.7mm处时(图3A-3D),平均峰到峰距离为1.715mm,并且当喷嘴定位于沉积表面中0.3mm处时(图4A-4D),峰到峰距离为0.909mm。因此,当喷嘴定位于打印表面上方1.7mm处时,2Ra表面波纹度为打印线波长的0.5%,并且当喷嘴被定位成在打印期间掠过打印表面时,2Ra表面波纹度降低到打印线波长的0.3%。
因此,通过调整喷嘴在打印表面上方的高度,相对于沉积的挤出物的尺寸,打印线的振幅可以较小。
实例2
三维打印的密封组件的机械特性
使用由安装到Lulzbot Taz 6机架的维世科Duo双挤出机组成的定制的3D打印机打印尺寸为20.32cm×27.94cm的两个矩形密封组件。将PR-1440B-2燃料箱密封剂的A组和B组装入单独的32-oz Nordson 筒中,并各自使用80psi到100psi的氮气压力馈送到双挤出机中。
将密封组件1打印为厚度为1.90mm的单层,并且将密封组件2 3D打印为四(4)个连续的覆盖层,以产生6.45mm的总厚度(表1)。3D打印密封组件,其中每一层的填充图案是最长打印线都在矩形几何形状的最长尺寸(27.94cm)的方向上的相同的直线图案(图5)。如通过光学轮廓术测量的,两个密封组件的打印线的平均波长(打印线之间的平均峰到峰距离)为大约0.99mm。
用于3D打印密封组件的设置和参数如下。将PR 1440A组和B组装入单独的32-ozNordson 筒中,并且分别使用大约80psi到100psi的氮气压力泵送到双挤出机中。按以下通过MCH-05-24T静态混合喷嘴挤出PR 1440(使用定制配件将喷嘴附接到维世科Duo挤出机头)来打印片材:恒定打印头速度为1,728毫米/分钟;恒定流速为2.65毫升/分钟并且B:A组分体积流量比被校准成使得挤出的材料按质量计由10:1B:A组成。将每个密封组件在25℃/50%RH下固化7天。
使用定制的切割模具和卡弗(Carver)压机从矩形密封组件中切割出具有图6所示的尺寸的狗骨。对于每个样本,在平行于打印线的方向上切割出五(5)个狗骨试样,并且在正交于打印线的方向上切割五(5)个狗骨试样(参见图5)。在3345型英斯特朗(Model3345Instron)上以50毫米/分钟的拉动速度对狗骨进行测试。
表1:针对沿打印方向或正交于打印方向拉动的狗骨试样测量的平均拉伸强度和断裂伸长率。
无论拉动方向如何,密封组件的机械特性类似。用两种不同类型的喷嘴打印的密封组件在平行和正交方向上表现出类似的拉伸特性。因此,三维打印的密封组件的机械特性在密封组件的平面内是各向同性的。
最后,应当注意,存在实施本文公开的实施例的替代性方式。因此,本发明实施例应被视为是说明性的而非限制性的。此外,权利要求不应限于本文给出的细节,并且有权获得其全部范围及其等同物。
Claims (53)
1.一种制作耐化学性密封组件的方法,所述方法包括:
使用三维打印以预定形状沉积共反应性组合物的连续层;以及
固化沉积的共反应性组合物以提供耐化学性密封组件,其中完全固化的密封组件的断裂能与单独层的断裂能基本上相同,其中所述断裂能是根据ASTM D7313测定的。
2.根据权利要求1所述的方法,其中所述密封组件包括衬垫、填隙片、垫圈、索环、O形环、垫片、密封件、填充物、垫子、配合材料、法兰或轴衬。
3.根据权利要求1到2中任一项所述的方法,其中固化包括使所述密封组件的硬度达到最大硬度的90%。
4.根据权利要求1到3中任一项所述的方法,其中沉积和固化包括使连续沉积的层中的邻接层化学键合和/或物理键合。
5.根据权利要求1到4中任一项所述的方法,其中沉积包括挤出。
6.根据权利要求1到5中任一项所述的方法,其中
沉积包括通过喷嘴将所述共反应性组合物挤出到基底上,其中所述喷嘴包括尖端;
当所述基底与所述喷嘴尖端之间的距离大于第一层厚度时,沉积层以所述第一层厚度为特征;并且
沉积进一步包括将所述喷嘴尖端定位在距所述基底小于所述第一层厚度的距离处并通过所述喷嘴挤出所述共反应性组合物。
7.根据权利要求6所述的方法,其中所述基底包括支撑物或先前沉积层。
8.根据权利要求6到7中任一项所述的方法,其中将所述喷嘴定位在距所述基底小于所述第一层厚度的距离处并通过所述喷嘴挤出所述共反应性组合物形成了具有第二层厚度的沉积层,其中所述第二层厚度小于所述第一层厚度。
9.根据权利要求6到8中任一项所述的方法,其中所述喷嘴尖端进一步包括被配置成使沉积层光滑化的组件。
10.根据权利要求9所述的方法,其中所述组件被配置成将所述密封组件的表面的平均2Ra波纹度降低至小于平均波纹度波长的10%。
11.根据权利要求1到10中任一项所述的方法,其中在沉积期间,所述共反应性组合物的温度小于50℃。
12.根据权利要求1到11中任一项所述的方法,其中沉积包括沉积在基底上或先前沉积层上。
13.根据权利要求1到12中任一项所述的方法,其中沉积包括邻接先前沉积层沉积所述共反应性组合物,其中所述先前沉积层完全固化。
14.根据权利要求1到12中任一项所述的方法,其中沉积包括邻接先前沉积层沉积所述共反应性组合物,其中所述先前沉积层部分固化。
15.根据权利要求1到12中任一项所述的方法,其中沉积包括邻接先前沉积层沉积所述共反应性组合物,其中所述先前沉积层未固化。
16.根据权利要求1到15中任一项所述的方法,其中沉积包括沉积倾斜表面。
17.根据权利要求1到16中任一项所述的方法,其中固化包括使所述沉积的共反应性组合物在小于30℃的温度下固化。
18.根据权利要求1到17中任一项所述的方法,其中固化包括将所述沉积的共反应性组合物加热到大于30℃的温度。
19.根据权利要求1到18中任一项所述的方法,其进一步包括:在沉积之后,加热所述密封组件的至少一部分。
20.根据权利要求1到19中任一项所述的方法,其中所述共反应性组合物包括含硫预聚物。
21.根据权利要求20所述的方法,其中所述含硫预聚物的硫含量为10wt%到20wt%,其中wt%是按所述预聚物的理论重量计。
22.根据权利要求20到21中任一项所述的方法,其中所述共反应性组合物包括40wt%到80wt%的所述含硫预聚物。
23.根据权利要求20到22中任一项所述的方法,其中所述含硫预聚物包括聚硫醚、聚硫化物、含硫聚缩甲醛、一硫化物或上述各项中的任何一项的组合。
24.根据权利要求1到23中任一项所述的方法,其中所述共反应性组合物包括:
聚异氰酸酯和聚胺;
聚异氰酸酯和多元醇;
多官能迈克尔受体(Michaelacceptor)和多官能迈克尔供体;或者
聚硫醇和聚烯基、聚炔基、聚异氰酸酯、聚环氧化物或多官能迈克尔受体。
25.根据权利要求1到24中任一项所述的方法,其中所述共反应性组合物包括10wt%到80wt%的填料,其中wt%是按所述共反应性组合物的总重量计。
26.根据权利要求1到25中任一项所述的方法,其中
所述共反应性组合物包括3vol%到70vol%的填料;并且
vol%是按所述共反应性组合物的总体积计。
27.根据权利要求1到26中任一项所述的方法,其中
所述共反应性组合物包括0.05wt%到12wt%的低密度填料;
所述低密度填料的比重小于1;并且
wt%是按所述共反应性组合物的总重量计。
28.根据权利要求1到27中任一项所述的方法,其中
所述共反应性组合物可光化辐射固化;并且
所述方法进一步包括将所述共反应性组合物暴露于光化辐射下。
29.根据权利要求1到28中任一项所述的方法,其中所述共反应性组合物不可光化辐射固化。
30.根据权利要求1到29中任一项所述的方法,其中在沉积期间,所述共反应性组合物的初始沉积粘度为5E2 cP到5E8 cP,如使用2rpm和25℃的具有25mm平行板几何形状的安东帕(Anton Paar)流变仪测定的。
31.根据权利要求1到30中任一项所述的方法,其进一步包括:在沉积之前,将第一组分和第二组分组合并混合以形成所述共反应性组合物。
32.根据权利要求31所述的方法,其中
所述第一组分包括第一反应性化合物;
所述第二组分包括第二反应性化合物;并且
所述第一反应性化合物与所述第二反应性化合物具有反应性。
33.根据权利要求32所述的方法,其中所述第一组分和/或所述第二组分包括催化剂、固化促进剂和/或聚合引发剂。
34.根据权利要求31所述的方法,其中
所述第一组分包括第一反应性化合物和第二反应性化合物,其中所述第一反应性化合物在催化剂、固化促进剂和/或聚合引发剂的存在下与所述第二反应性化合物具有反应性;并且
所述第二组分包括所述催化剂、所述固化促进剂和/或所述聚合引发剂。
35.一种耐化学性密封组件,其使用根据权利要求1到34中任一项所述的方法制造。
36.根据权利要求35所述的密封组件,其中
所述密封组件的表面的平均2Ra波纹度小于平均波纹度波长的10%;
所述平均2Ra波纹度和平均波纹度波长是使用光学轮廓术测定的;并且
顶表面是指在沉积期间面向所述喷嘴的表面。
37.根据权利要求35到36中任一项所述的密封组件,其中
所述密封组件的顶表面的平均2Ra波纹度小于平均波纹度波长的1%;
平均2Ra波纹度是使用光学轮廓术测定的;并且
顶表面是指在沉积期间面向所述喷嘴的表面。
38.根据权利要求35到37中任一项所述的密封组件,其中
所述密封组件的顶表面的平均2Ra波纹度小于200μm;
平均2Ra波纹度是使用光学轮廓术测定的;并且
顶表面是指在沉积期间面向所述喷嘴的表面。
39.根据权利要求35到37中任一项所述的密封组件,其中
所述密封组件的顶表面的平均2Ra波纹度小于50μm;
平均2Ra波纹度是使用光学轮廓术测定的;并且
顶表面是指在沉积期间面向所述喷嘴的表面。
40.根据权利要求35到39中任一项所述的密封组件,其中
所述密封组件包括第一表面和与所述第一表面相对的第二表面;并且
所述第一表面和所述第二表面是平行的。
41.根据权利要求35到40中任一项所述的密封组件,其中
所述密封组件包括第一表面和与所述第一表面相对的第二表面;并且
所述第一表面和所述第二表面的至少一部分是不平行的。
42.根据权利要求35到41中任一项所述的密封组件,其中所述密封组件的一部分包括锥形物。
43.根据权利要求35到41中任一项所述的密封组件,其中所述密封组件的厚度是恒定的。
44.根据权利要求35到41中任一项所述的密封组件,其中所述密封组件的厚度是可变的。
45.根据权利要求35到44中任一项所述的密封组件,其中完全固化的密封组件的断裂能与单独层的断裂能基本上相同,其中所述断裂能是根据ASTM D7313测定的。
46.根据权利要求35到45中任一项所述的密封组件,其中所述密封组件在所述衬垫的标称平面内具有各向同性的物理特性。
47.根据权利要求35到46中任一项所述的密封组件,其中所述密封组件在所述密封组件的标称平面内具有各向同性的最大拉伸强度和断裂伸长率%。
48.根据权利要求35到47中任一项所述的密封组件,其中所述最大拉伸强度和所述断裂伸长率%分别在平均最大拉伸强度和断裂伸长率%的+/-10%内,这与测量的平面内方向无关。
49.根据权利要求35到48中任一项所述的密封组件,其中所述密封组件的比重小于1.3。
50.根据权利要求35到49中任一项所述的密封组件,其中所述密封组件的比重小于1。
51.根据权利要求35到50中任一项所述的密封组件,其中所述密封组件在70℃下在JRF型号III中浸泡7天后表现出小于25vol%的溶胀,如根据ENISO 10563测定的。
52.根据权利要求35到51中任一项所述的密封组件,其中所述密封组件在70℃下在3%NaCl水溶液中浸泡7天后表现出小于10vol%的溶胀,如根据ENISO 10563测定的。
53.根据权利要求35到52中任一项所述的密封组件,其中所述密封组件表现出小于-20C的玻璃化转变温度Tg,所述玻璃化转变温度是使用频率为1Hz、振幅为20微米并且温度斜坡为-80℃到160℃的TA仪器公司(TA Instruments)Q800设备通过动态力学分析(DMA)测定的,其中所述Tg被鉴定为tanδ曲线的峰值。
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