CN115298017A - 含有环氧-胺可固化组合物的长丝制品 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种长丝制品,该长丝制品包含可固化组合物。该长丝制品具有含有环氧树脂的第一部分和含有具有至少两个仲氨基基团或伯氨基基团的多胺的第二部分。该第一部分被皮包围,并且第二部分被皮包围。1)被该皮包围的该第一部分和被该皮包围的该第二部分各自是单独的长丝或2)被该皮包围的该第一部分和被该皮包围的该第二部分组合以形成复合长丝。该可固化长丝制品可用于形成具有结构粘结性能的固化组合物。
Description
背景技术
长期以来已知使用熔融丝加工(FFF)来生产三维制品,并且这些工艺一般被称为所谓的3D打印(或增材制造)的方法。在FFF中,塑料长丝在移动打印头中熔融以逐层、增材方式形成打印制品。长丝通常由聚乳酸、尼龙、聚对苯二甲酸乙二醇酯(通常为二醇改性的)或丙烯腈丁二烯苯乙烯构成。
含有环氧树脂和多胺的各种两部分可固化组合物是已知的,并且已经用于将各种表面粘结在一起。例如,可固化组合物可用于在表面之间形成结构粘结。
发明内容
本发明提供了一种长丝制品,所述长丝制品包含可固化组合物。所述长丝制品具有含有环氧树脂的第一部分和含有具有至少两个仲氨基基团或伯氨基基团的多胺的第二部分。所述第一部分被皮包围,并且第二部分被皮包围。1)被所述皮包围的所述第一部分和被所述皮包围的所述第二部分各自是单独的长丝或2)被所述皮包围的所述第一部分和被所述皮包围的所述第二部分组合以形成复合长丝。所述可固化长丝制品可用于形成具有结构粘结性能的固化组合物。
在第一方面,提供了包含可固化组合物的长丝制品。所述可固化组合物包含第一部分和与所述第一部分分离的第二部分。所述第一部分包含环氧树脂,而所述第二部分包含具有至少两个伯氨基基团或仲氨基基团的多胺。所述长丝制品还包括皮,所述皮包含非粘性的热塑性树脂并且包围所述第一部分和所述第二部分中的每个部分。1)被所述皮包围的所述第一部分和被所述皮包围的所述第二部分各自是单独的长丝或2)被所述皮包围的所述第一部分和被所述皮包围的所述第二部分组合以形成复合长丝。
在第二方面,提供了制备包含可固化组合物的长丝制品的方法。所述方法包括形成(或提供)包含环氧树脂的第一部分以及形成(或提供)与所述第一部分分离并且包含具有至少两个伯氨基基团或仲氨基基团的多胺的第二部分。所述方法还包括将所述第一部分和所述第二部分中的每个部分用包含非粘性的热塑性树脂的皮包围。1)被所述皮包围的所述第一部分和被所述皮包围的所述第二部分各自是单独的长丝或2)被所述皮包围的所述第一部分和被所述皮包围的所述第二部分组合以形成复合长丝。
在第三方面,提供了一种打印和粘结的方法。所述方法包括提供包含如第一方面中所述的可固化组合物的长丝制品。所述方法还包括熔融并共混长丝制品以形成熔融组合物。所述方法还包括将所述熔融组合物通过喷嘴分配到第一基底的至少第一部分上。所述方法还包括将第二基底或所述第一基底的第二部分定位成与所述熔融组合物接触,以及在所述第一基底的至少所述第一部分与所述第二基底或所述第一基底的所述第二部分之间形成结构粘合剂粘结。
附图说明
图1是示例性长丝制品的剖视图,其中第一部分和第二部分各自被皮包围以形成两根单独的长丝。
图2是另一示例性长丝制品的剖视图,其中被皮包围的第一部分和被皮包围的第二部分组合以形成复合长丝。
图3是另一示例性长丝制品的剖视图,其中被皮包围的第一部分和被皮包围的第二部分组合以形成复合长丝。
图4是又另一示例性长丝制品的剖视图,其中被皮包围的第一部分和被皮包围的第二部分组合以形成复合长丝。
具体实施方式
结构粘合剂已经用于将两个表面如两个基底的外表面或同一基底的不同位置(部分)粘结在一起。可固化结构粘合剂(即可固化组合物)通常可作为单部分或两部分组合物获得。单部分组合物通常包含单一混合物中可固化组合物的所有组分。选择组分使得不会发生固化直到可固化组合物暴露于热或光化辐射。两部分组合物包含当混合在一起时通常具有反应性的第一部分和第二部分。
通常使用双筒计量系统或精密计量系统并混合两个独立的进料源来递送两部分组合物。精确混合和计量所需的设备通常是昂贵的并且沿生产线覆盖大的占地面积。双筒计量系统提供反应物部分的预定混合比率的便利,但是倾向于产生大量的废物,并且可能需要不期望的停机时间量来切换一旦排空的料筒。
为了解决这些需求,提供了一种包含分成两个单独部分的可固化组合物的长丝制品。所述可固化组合物具有第一部分和第二部分,其中每个部分被皮包围。1)被所述皮包围的所述第一部分和被所述皮包围的所述第二部分各自是单独的长丝或2)被所述皮包围的所述第一部分和被所述皮包围的所述第二部分组合以形成复合长丝。长丝制品可以被加热并混合以形成可以分配到基底上并固化的熔融组合物。所得固化组合物通常可以用作两个表面之间的结构粘结粘合剂。
术语“一个”、“一种”和“该”、“所述”可互换使用,其中“至少一个(种)”意指一个(种)或多个(种)所述要素。后接列表的短语“……中的至少一个(种)”和“包含……中的至少一个(种)”是指列表中项目中的任一项以及列表中两项或更多项的任何组合。
术语“和/或”意指任一者或两者。例如,表达X和/或Y是指X、Y或其组合(X和Y两者)。
术语“可固化”是指可被固化的组合物或组分。术语“固化的”和“固化”是指通过共价化学键将聚合物链连接在一起(通常通过使分子或基团交联)以形成聚合物网络。固化的聚合物网络的特征通常在于不溶性,但其在适当的溶剂的存在下可以是可溶胀的。
如本文所用,术语“可固化组分”是指不含可能存在的任何无机填料的可固化组合物。如本文所用,可固化组分包括但不限于环氧树脂和多胺。
术语“可固化组合物”是指经受固化的总反应混合物。可固化组合物包含可固化组分和任何任选的无机填料。长丝制品中的可固化组合物通常是用于制备除皮材料之外的长丝制品的所有材料。
如本文所用,术语“可固化结构粘合剂”、“可固化结构粘合剂组合物”、“可固化组合物”等可互换使用。同样,术语“固化的结构粘合剂”、“固化的结构粘合剂组合物”、“固化的组合物”等可互换使用。
术语“热塑性塑料”是指当被充分加热到其玻璃化转变温度以上时流动并且当冷却时变成固体的聚合物材料。
如本文所用,“长丝”包括反应性组分,诸如被皮材料包围的第一部分或第二部分中的反应性组分。虽然长丝通常是同心的,但是长丝的横截面形状可以是任何期望的横截面形状,诸如圆形、椭圆形、正方形、矩形、三角形等。芯的末端可以或可以不被皮包围。长丝通常具有等于至少50:1的长度与最长横截面距离的长径比。
在芯-鞘丝中鞘包围芯。在本文中,“包围”(或类似的词语,诸如“包围的”)是指鞘组合物在丝长度(长轴方向)的绝大部分(例如,至少80%或更多、至少85%或更多、至少90%或更多或至少95%或更多)覆盖芯的整个外周(即,横截面外周)。包围通常是指暗示整个丝的芯都被皮完全覆盖,但或许长丝最末端的芯未被皮覆盖,所述芯包含可固化组合物的一种或多种组分。密封长丝的末端通常可以延长可固化组合物的保质期和/或稳定性。
皮将第一部分与第二部分分离。术语“分离的”和“分离”意指两个部分彼此不物理接触,使得两个部分不能彼此反应(即,皮防止可固化组合物的过早固化)。
术语“非粘性”是指通过“自粘性测试”的材料,在自粘性测试中将材料从其自身剥离所需的力等于或小于预先确定的最大阈值量,而不会使材料压裂。自粘性测试在下文进行描述,并且通常对鞘材料的样品执行以确定鞘是否是非粘性的。
术语“熔体流动指数”或“MFI”是指可在指定温度处使用指定重量推动通过模头的聚合物的量。可以在190℃处并以2.16kg的负载(重量)使用ASTM D1238-13来确定熔体流动指数。可从皮材料的供应商获得熔体流动指数的一些报告值,并且使用ASTM方法的程序A通过申请人来测量其他值。供应商数据被报告为已使用相同的ASTM方法以及相同的温度和负载确定。
术语“半固体”是指在液体和固体之间并且在室温处(例如,在20℃至25℃的范围内)不能流动但可在高温处流动的物质。半固体通常是可形成为成型块的自支撑材料。半固体通常是蜡质组合物或粘弹性物。在一些实施方案中,当在1赫兹和1%应变处测量时,第一部分和/或第二部分在25℃处具有104帕斯卡-106帕斯卡(Pa)的剪切弹性模量(G')。在一些实施方案中,当在1赫兹和1%应变处测量时,第一部分、第二部分或两者在25℃处具有103帕斯卡·秒-2.5×105帕斯卡·秒(Pa·s)的复态粘度(η*)。
术语“宏观稳定”意指组分的平均三维分布不随时间变化。术语“宏观相分离”是指将组合物的组分自发分配到不同的三维区域中,其中至少一个维度具有1微米的平均长度。通常,肉眼可见宏观相分离。
词语“优选的”和“优选地”是指在某些情况下可提供某些有益效果的本公开的实施方案。然而,在相同的情况或其他情况下,其他实施方案也可以是优选的。此外,对一个或多个优选的实施方案的表述并不暗示其他实施方案是不可用的,并且并不旨在将其他实施方案排除在本公开的范围之外。
如本文所用,范围的任何说明包括范围的端值和该范围内的所有合适值(例如,1至5包括1、1.5、2、2.75、3、3.80、4、5等)。
长丝制品及制备方法
图1是示例性长丝制品的横截面视图,其中每个部分被皮包围以形成两个单独的长丝。第一长丝10含有被皮14包围的第一部分12并且第二长丝20含有被皮24保卫的第二部分22。皮14和24可以由相同或不同的非粘性的热塑性树脂形成。第一长丝10和第二长丝20一起包含可固化组合物。
图2是另一示例性长丝制品30的剖视图,其中被第一皮34包围的第一部分31和被第二皮35包围的第二部分33组合以形成含有可固化组合物的复合长丝。第一皮34和第二皮35可以由相同或不同的非粘性的热塑性树脂形成。
图3是另一示例性长丝制品40的剖视图,其中第一部分41被第一皮42包围并且第二部分43定位在第一皮42与第二皮44之间。第一皮42将第一部分41与第二部分43分开,而第二皮44约束第二部分43。第一皮42和第二皮44可以由相同或不同的非粘性的热塑性树脂形成。该长丝制品40是包含可固化组合物的复合长丝。
图4是含有复合细丝的又另一示例长丝制品50的剖视图。复合长丝包括被皮54分离的第一部分51和第二部分53。皮包围第一部分51和第二部分53,其中第一部分51与第二部分53是分离的。
整个可固化组合物包含在长丝制品中。可固化组合物的第一部分中的环氧树脂与可固化组合物的第二部分中的多胺是分离的。第一部分和第二部分在长丝制品中分离,以防止可固化组合物在沉积到基底上之前和/或在两个基底或单个基底的不同区域之间形成结构键之前过早固化。皮包围每个部分并约束每个部分,使得长丝制品的整体尺寸保持相对恒定。也就是说,可以选择皮材料以在运输、处理和分配期间向长丝制品提供增强。皮将反应物限制在每个部分中,并且即使当长丝制品卷绕成卷时也防止其过早混合。
长丝制品包括用于第一部分和第二部分的单独长丝或包含第一部分和第二部分两者的复合长丝。在两种类型的长丝制品中,第一部分与第二部分是分离的,使得不会发生可固化组合物的过早固化。直到由长丝制品形成熔融组合物才发生固化。
每根长丝和/或复合长丝可以具有任何期望的最长横截面距离(例如,直径)。如本文所用,“最长横截面距离”是指可以在沿横截面轴线的任何给定位置处拉延穿过长丝和/或复合长丝的横截面的最大弦长。对于具有圆形横截面的长丝和/或复合长丝,最长横截面距离对应于直径。如果长丝制品将在需要或有利的情况下用于精确沉积可固化组合物的应用中,则通常选择最长横截面距离以在1毫米至30毫米(mm)的范围内。最长横截面距离可以是至少1mm、至少2mm、至少3mm、至少5mm、至少7mm、至少10mm和至多30mm或甚至更大、至多25mm、至多20mm、至多15mm、至多12mm或至多10mm。根据应用或用途,具有相对一致的最长横截面距离的长丝和/或复合长丝可能是有利的。
通常,皮贡献了长丝和/或复合长丝的最长横截面距离(例如,直径)的0.1%至25%,并且皮贡献了第一部分、第二部分或两者的最长横截面距离(例如,直径)的75%至99.9%。例如,长丝和/或复合长丝的最长横截面距离的至多25%、至多20%、至多15%、至多10%、至多8%、至多6%、或至多5%和至少0.1%、至少0.5%、至少1%、至少2%或至少5%可以由皮贡献,剩余部分由第一部分和/或第二部分贡献。在一些示例中,皮贡献长丝和/或复合长丝的最长横截面距离的0.5%至20%、0.5%至15%、0.5%至10%或1%至10%。皮完全环绕长丝和/或复合长丝的外周(例如,圆周,在圆形横截面的情况下)延伸,以防止过早固化。
通常,长丝制品的每根长丝和/或复合长丝具有50:1或更大、100:1或更大、200:1或更大、或250:1或更大的长度与最长横截面距离的长径比。长度为至少20英尺(6米)的长丝和/或复合长丝可尤其适用于沉积到基底上。根据长丝制品的应用或用途,在其长度上具有相对一致的最长横截面距离(例如,直径)可以是期望的。例如,操作员可以基于每个预定长度的长丝或复合长丝的预期质量计算被熔融和分配的材料的量;但是,如果单位长度的质量变化很大,则所分配材料的量可能不匹配所计算的量。在一些实施方案中,长丝和/或复合长丝在50厘米(cm)的长度上的最长横截面距离(例如,直径)的最大变化为20%,或甚至在50cm的长度上的最长横截面距离(例如,直径)的最大变化为15%。
长丝制品可用于将可固化粘合剂组合物沉积在将两个基底或同一基底的不同区域粘结在一起所需的任何位置或量。如果需要,可施加额外的热以加速固化反应。
长丝制品有利地具有符合处置而不会使皮压裂或撕裂的强度。长丝制品所需的结构完整性根据特定应用或用途而变化。优选地,长丝制品具有符合一个或多个增材制造装置(例如,3D打印系统)的要求和参数的强度。然而,当将长丝制品馈送到沉积喷嘴时,与不同设备相比,一种增材制造设备可使长丝制品经受更大的力。在形成时,长丝制品期望也具有符合被处置而不会过度拉伸或意外拉伸的模量和屈服应力。
有利地,长丝制品的皮材料的断裂伸长率为50%或更高、60%或更高、80%或更高、100%或更高、250%或更高、400%或更高、750%或更高、1000%或更高、1400%或更高、或1750%或更高,以及2000%或更低、1500%或更低、900%或更低、500%或更低或200%或更低。换句话讲,长丝制品的皮材料的断裂伸长率可在50%至2000%的范围内。在一些实施方案中,断裂伸长率为至少60%、至少80%或至少100%。断裂伸长率可例如通过ASTMD638-14中概述的方法,使用测试样本类型IV来测量。
长丝制品可用于使用熔融长丝加工(FFF)打印或分配可固化组合物。FFF分配所需的材料特性通常显著不同于可固化结构粘合剂组合物的热熔分配所需的材料特性。例如,在传统的热熔融分配的情况下,可固化组合物在罐内被熔融成液体并且通过软管和喷嘴泵送。因此,传统的热熔融分配需要低熔体粘度可固化组合物,其通常被量化为高熔体流动指数可固化组合物。如果粘度太高(或熔体流动指数(MFI)太低),则热熔可固化组合物不能有效地从含有流体可固化组合物的罐输送到其分配的喷嘴。相比之下,FFF包括在分配时使长丝在喷嘴内熔融,并且不限于可轻松泵送的低熔体粘度可固化组合物(高熔体流动可固化组合物)。事实上,高熔体粘度可固化组合物(低熔体流动指数可固化组合物)可在分配之后有利地提供可固化组合物的几何稳定性,这允许对感兴趣的基底上的可固化组合物进行精准和受控放置。可固化组合物通常在沉积(打印)之后不会过度扩散。
此外,用于FFF的合适长丝制品通常需要至少一定的最小拉伸强度,使得可将大线轴的长丝连续地馈送至喷嘴而不会断裂。长丝制品通常卷绕成水平缠绕的辊。如果将长丝制品卷绕成水平缠绕的辊时,则辊中心的部分可经受高压缩力。优选地,长丝制品耐受永久性横截面变形(即,压缩永久变形)和自粘性(即,在储存期间成块)。
可固化组合物被分成两个单独的部分。第一部分包含环氧树脂,并且第二部分包含具有选自伯氨基基团或仲氨基基团的至少两个氨基的多胺。通常,第一部分和第二部分各自制备成半固体。因此,每个部分通常是各种组分的混合物以提供期望的粘度。在一些实施方案中,第一部分和/或第二部分触摸起来是粘性的。
另外的任选组分可以包含在第一部分、第二部分或两者中。通常选择添加到第一部分或第二部分中的任何任选组分,使得在该部分中的组分之间不会发生反应。例如,任选的促进剂如路易斯酸可以包含在第二部分而不是第一部分中。可以将任选的组分(诸如成膜树脂、增韧剂、填料、热稳定剂、抗氧化剂等)添加到第一部分或第二部分中,条件是这些组分不与部分反应。这些组分中的每种组分进一步描述于下文中。
可固化组合物
第一部分中的环氧树脂
可固化组合物的第一部分包含环氧树脂。环氧树脂具有每分子至少一个环氧官能团(即,环氧乙烷基团)。如本文所用,术语环氧乙烷基团是指以下二价基团。
星号代表环氧乙烷基团连接到另一基团的位点。如果环氧乙烷基团处于环氧树脂的末端位置,则环氧乙烷基团通常键合到氢原子。
该末端环氧乙烷基团通常(并且优选地)为缩水甘油基基团的一部分。
环氧树脂通常每分子具有至少一个环氧乙烷基团,并且通常每分子具有至少两个环氧乙烷基团。例如,环氧树脂每分子可具有1至10个、2至10个、2至6个、2至4个或2个环氧乙烷基团。环氧乙烷基团通常为缩水甘油基基团的一部分。
环氧树脂可为单一材料或不同材料的混合物,所述材料被选择用于在固化之前提供期望的粘度特性并且在固化之后提供期望的机械性能。如果环氧树脂为材料的混合物,则该混合物中的环氧树脂中的至少一种通常被选择为每个分子具有至少两个环氧乙烷基团。例如,混合物中的第一环氧树脂可具有二至四个环氧乙烷基团,并且混合物中的第二环氧树脂可具有一至四个环氧乙烷基团。在这些示例中的一些中,第一环氧树脂为具有二至四个缩水甘油基基团的第一缩水甘油醚,并且第二环氧树脂为具有一至四个缩水甘油基基团的第二缩水甘油醚。在另一个示例中,混合物中的第一环氧树脂为液体,而第二环氧树脂为固体,诸如可与第一环氧树脂混溶的玻璃态或脆性固体。
环氧树脂分子中不为环氧乙烷基团的部分(即,环氧树脂分子减去环氧乙烷基团)可为芳族、脂族或它们的组合,并且可为直链的、支链的、环状的或它们的组合。环氧树脂的芳族部分和脂族部分可包含不与环氧乙烷基团反应的杂原子或其它基团。即,环氧树脂可包括卤素基团,诸如在醚键基团、羰基基团、羰氧基基团中的氧基团等。环氧树脂还可为基于有机硅的材料,诸如基于聚二有机硅氧烷的材料。
在大部分实施方案中,环氧树脂包括缩水甘油醚。示例性缩水甘油醚可具有式(I)。
在式(I)中,基团R1为芳族、脂族或它们的组合的p价基团。基团R1可为直链的、支链的、环状的、或它们的组合。基团R1可任选地包括卤素基团、氧基基团、羰基基团、羰氧基基团等。尽管变量p可为大于或等于1的任何合适的整数,但p通常为在2至6或2至4范围内的整数。在许多实施方案中,p等于2。
在式(I)的一些示例性环氧树脂中,变量p等于2(即,环氧树脂为二缩水甘油醚),并且R1包括亚烷基(即,亚烷基为烷烃的二价基团并且可被称为烷烃-二基)、杂亚烷基(即,杂亚烷基为杂烷烃的二价基团并且可被称为杂烷烃-二基)、亚芳基(即,芳烃化合物的二价基团)或它们的混合物。合适的亚烷基基团通常具有1至20个碳原子、1至12个碳原子、1至8个碳原子或1至4个碳原子。合适的杂亚烷基基团通常具有2至50个碳原子、2至40个碳原子、2至30个碳原子、2至20个碳原子、2至10个碳原子或2至6个碳原子。杂亚烷基中的杂原子通常为氧基基团。合适的亚芳基基团通常具有6至18个碳原子、6至12个碳原子或6至10个碳原子。例如,亚芳基可为亚苯基。基团R1还可任选地包括卤素基团、氧基基团、羰基基团、羰氧基基团等。
式(I)的一些环氧树脂为二缩水甘油醚,其中R1包括(a)亚芳基基团或(b)与亚烷基、杂亚烷基或这两者组合的亚芳基基团。基团R1还可包括任选的基团,诸如卤素基团、氧基基团、羰基基团、羰氧基基团等。可例如通过使具有至少两个羟基基团的芳族化合物与过量的表氯醇反应来制备这些环氧树脂。具有至少两个羟基基团的可用芳族化合物的示例包括但不限于间苯二酚、儿茶酚、对苯二酚、p,p'-二羟基二苄基、p,p'-二羟基苯基砜、p,p'-二羟基二苯甲酮、2,2'-二羟基苯基砜和p,p'-二羟基二苯甲酮。其它示例包括二羟基二苯基甲烷、二羟基二苯基二甲基甲烷、二羟基二苯基乙基甲基甲烷、二羟基二苯基甲基丙基甲烷、二羟基二苯基乙基苯基甲烷、二羟基二苯基丙基苯基甲烷、二羟基二苯基丁基苯基甲烷、二羟基二苯基甲苯基乙烷、二羟基二苯基甲苯基甲基甲烷、二羟基二苯基二环己基甲烷和二羟基二苯基环己烷的2,2'、2,3'、2,4'、3,3'、3,4'和4,4'异构体。
一些可商购获得的式(I)的二缩水甘油醚环氧树脂衍生自双酚A(即,双酚A为4,4'-二羟基二苯基甲烷)。示例包括但不限于以商品名EPON(例如,EPON 828、EPON 872、EPON1001F、EPON 1004和EPON 2004)购自德克萨斯州休斯敦的瀚森特种化学公司(HexionSpecialty Chemicals,Inc.(Houston,TX))的那些、以商品名DER(例如,DER 331、DER 332和DER 336)购自密歇根州米德兰陶氏化学公司(Dow Chemical Co.(Midland,MI))的那些和以商品名EPICLON(例如,EPICLON 850)购自日本千叶大日本油墨化学工业株式会社(Dainippon Ink and Chemicals,Inc.(Chiba,Japan))的那些。其它可商购获得的二缩水甘油醚环氧树脂衍生自双酚F(即,双酚F为2,2'-二羟基二苯基甲烷)。示例包括但不限于以商品名DER(例如DER 334)购自陶氏化学公司(Dow Chemical Co.)的那些和以商品名EPICLON(例如,EPICLON 830)购自大日本油墨化学工业株式会社(Dainippon Ink andChemicals,Inc.)的那些。
式(I)的其它环氧树脂为聚(环氧烷)二醇的二缩水甘油醚。这些环氧树脂可被称为聚(烷撑二醇)二醇的二缩水甘油醚。变量p等于2,并且R4为具有氧杂原子的杂亚烷基。聚(烷撑二醇)可为共聚物或均聚物。示例包括但不限于聚(环氧乙烷)二醇的二缩水甘油酯、聚(环氧丙烷)二醇的二缩水甘油酯以及聚(氧化四亚甲基)二醇的二缩水甘油酯。该类型的环氧树脂可从美国宾夕法尼亚州沃灵顿的拜力科学有限公司(Polysciences,Inc.,Warrington,PA,USA)商购获得,诸如衍生自聚(环氧乙烷)二醇的那些或衍生自聚(环氧丙烷)二醇的那些,其重均分子量为约400道尔顿、约600道尔顿或约1000道尔顿。
式(I)的其它环氧树脂为烷烃二醇的二缩水甘油醚(R1为亚烷基并且变量p等于2)。示例包括1,4-二甲醇环己基的二缩水甘油醚、1,4-丁二醇的二缩水甘油醚和由氢化双酚A形成的脂环族二醇的二缩水甘油醚,诸如以商品名EPONEX 1510从美国德克萨斯州休斯顿的瀚森特种化学公司商购获得的那些。
其他环氧树脂包括具有至少两个缩水甘油基基团的有机硅树脂和具有至少两个缩水甘油基基团的阻燃性环氧树脂(例如,具有至少两个缩水甘油基基团的溴化双酚型环氧树脂,诸如可以商品名DER 580从美国密歇根州米德兰的陶氏化学公司(Dow ChemicalCo.(Midland,MI,USA))商购获得)。
环氧树脂通常为材料的混合物。例如,环氧树脂可被选择为在固化之前提供所需粘度或流动特征的混合物。该混合物可包含至少一种被称为具有较低粘度的反应性稀释剂的第一环氧树脂和至少一种具有较高粘度的第二环氧树脂。反应性稀释剂往往会降低环氧树脂混合物的粘度并且通常具有饱和的支化主链或者饱和或不饱和的环状主链。示例包括但不限于间苯二酚的二缩水甘油醚、环己烷二甲醇的二缩水甘油醚、新戊二醇的二缩水甘油醚和三羟甲基丙烷的三缩水甘油醚。环己烷二甲醇的二缩水甘油醚可以商品名HELOXYMODIFIER 107从美国俄亥俄州哥伦布的迈图专用化学品公司(Hexion SpecialtyChemicals(Columbus,OH,USA))和以商品名EPODIL 757从德国北莱因-威斯特伐利亚埃森的赢创公司(Evonik Corporation(Essen,North Rhine-Westphalia,Germany))商购获得。其它反应性稀释剂仅具有一个官能团(即,环氧乙烷基团),诸如各种单缩水甘油醚。一些示例性单缩水甘油醚包括但不限于其中烷基基团具有1至20个碳原子、1至12个碳原子、1至8个碳原子或1至4个碳原子的烷基缩水甘油醚。一些示例性单缩水甘油醚可以商品名EPODIL从赢创公司(Evonik Corporation)商购获得,诸如EPODIL 746(2-乙基己基缩水甘油醚)和EPODIL 748(脂族缩水甘油醚)。
在一些情况下,环氧树脂的粘度和分子量可通过使二缩水甘油醚与二胺反应形成加合物来调节,使得二缩水甘油醚的摩尔数与二胺的摩尔数的比率接近2:1。
第一部分中的一种或多种环氧树脂通常处于50克/当量至750克/当量的范围内。环氧树脂的当量重量是指含有一当量的环氧化物的以克为单位的树脂的重量。当量重量通常不大于750克/当量、不大于700克/当量、不大于650克/当量、不大于600克/当量、不大于550克/当量、不大于500克/当量、不大于450克/当量、不大于400克/当量、不大于350克/当量、不大于300克/当量或不大于250克/当量,并且通常为至少50克/当量、至少75克/当量、至少100克/当量、至少125克/当量或至少150克/当量。在一些实施方案中,当量重量通常在50克/当量至750克/当量、50克/当量至500克/当量、100克/当量至500克/当量、100克/当量至300克/当量或150克/当量至250克/当量的范围内。
在许多实施方案中,100重量%的环氧树脂具有式(I)。在其他实施方案中,至少95重量%、至少90重量%、至少85重量%、至少80重量%、至少75重量%或至少70重量%的环氧树脂具有式(I)。
在许多实施方案中,100重量%的环氧树脂为二缩水甘油醚(即,p等于2的式(I)化合物)。在其他实施方案中,环氧树脂为p等于2的式(I)化合物与p不等于2的式(I)化合物的混合物。在此类混合物中,基于环氧树脂的总重量计,二缩水甘油醚的量通常为至少50重量%、至少60重量%、至少70重量%、至少75重量%、至少80重量%、至少85重量%、至少90重量%或至少95重量%。
在大多数实施方案中,环氧树脂不含具有不是缩水甘油基基团的环氧乙烷基团的化合物。然而,如果包含此类化合物,则基于环氧树脂的总重量计,其通常构成小于30重量%、小于20重量%、小于10重量%、小于5重量%、小于2重量%、小于1重量%或小于0.5重量%。
基于第一部分中的可固化组分的总重量计,第一部分含有至少30重量%至100重量%的环氧树脂。如果第一部分包含小于30重量%的环氧树脂,则环氧树脂的量可不足以导致制备具有合适的搭接剪切强度的固化的组合物。基于第一部分中的可固化组分的总重量计,环氧树脂的量可以为至少30重量%、至少35重量%、至少40重量%、至少45重量%、至少50重量%、至少60重量%、或至少70重量%,并且可以为至多100重量%、至多99重量%、至多95重量%、至多90重量%、至多80重量%、至多70重量%、至多60重量%、或至多50重量%。
基于可固化组合物中的可固化组分的总重量计,长丝制品中的环氧树脂的量常常在40重量%至90重量%的范围内。基于可固化组合物中的可固化组分的总重量计,该量常常为至少40重量%、至少45重量%、至少50重量%、至少55重量%、至少60重量%、或至少65重量%并且至多90重量%、至多80重量%、至多75重量%、至多70重量%、至多65重量%、或至多60重量%。
第二部分中的多胺
多胺用作环氧树脂的固化剂。多胺具有至少两个为伯氨基基团和/或仲氨基基团的氨基基团。即,多胺具有反应性胺氢(-NH)基团。伯氨基基团和/或仲氨基基团通常具有式-NHR2,其中R2为氢或烷基。氨基基团连接到亚甲基(-CH2-)基团,而不是羰基(-(CO)-)基团。即,氨基基团不是酰胺键的一部分。可以使用任何合适的多胺,条件是整个第二部分组合物是半固体。优选地,环氧树脂和多胺在沉积到基底上之前混合是是可混溶的或形成稳定的宏观混合物。
在一些实施方案中,多胺可以是聚合物材料,诸如聚(环氧烷)二胺(也称为聚醚二胺)。示例聚(环氧烷)二胺包括例如聚(环氧乙烷)二胺、聚(环氧丙烷)二胺或它们的共聚物。聚醚二胺可以商品名JEFFAMINE从美国德克萨斯州伍德兰的亨斯迈公司(HuntsmanCorporation(The Woodlands,TX,USA))商购获得并以商品名DYNAMAR(例如DYNAMAR HC1101)从购自美国明尼苏达州圣保罗的3M公司(3M Company(Saint Paul,MN,USA))。
多胺可以是胺封端的聚酰胺。这些多胺可以通过使二酸与二胺反应来制备。在一些实施方案中,二胺是聚醚二胺并且二酸是二聚体酸。基于二聚体酸的胺封端的聚酰胺可以如美国专利5,629,380(Baldwin等人)和WO 2019/215533(Yao等人)中所述制备。如果需要,可以使用此方法形成聚合多胺。
其他多胺可以是胺封端的草酰胺。草酰胺可以通过二聚体酸性二胺(例如,可购自美国加利福尼亚州奇诺冈市的禾大公司(Croda Inc.(Chino Hills,CA,USA))的PRIAMINE1075)与草酸酯(诸如草酸二乙酯)反应以形成草酸乙酯封端的中间体来制备,所述中间体进一步与另一种二胺(诸如聚醚二胺)反应以形成胺封端的草酰胺。如果需要,可以使用此方法形成聚合多胺。
其他多胺可以是通过使具有至少两个缩水甘油基基团的环氧树脂与多胺如二胺反应形成具有两个末端氨基基团的多胺加合物而形成的加合物。当二胺与具有两个缩水甘油基基团的环氧树脂反应时,二胺与环氧树脂的摩尔比通常大于或等于2:1。常常使用摩尔过量的二胺(如果需要,其可以为聚合物),使得多胺包括含胺加合物和游离的(未反应的)二胺(如果需要,其可以为聚合物)两者。例如,二胺与具有两个缩水甘油基基团的环氧树脂的摩尔比可大于2.5:1、大于3:1、大于3.5:1或大于4:1。该反应打开了缩水甘油基基团并且使二胺共价键合到环氧树脂。反应导致形成式-OCH2-CH2-NR2-的二价基团,其中R2是氢或烷基。如果需要,可以使用此方法制备聚合多胺。
可用作多胺或用于制备较高分子量聚酰胺如具有末端氨基基团的聚酰胺、具有末端环氧基团的草酰胺和多胺加合物的其他多胺包括例如乙二胺、二亚乙基三胺、三亚乙基四胺、丙二胺、二丙二胺、四亚乙基五胺、六亚乙基七胺、环己二胺、2-甲基-1,5-戊二胺、1-氨基-3-氨基甲基-3,3,5-三甲基环己烷(也称为异佛尔酮二胺)、1,3-双-氨基甲基环己烷、1,10-二氨基癸烷、1,12-二氨基十二烯、氨基乙基哌嗪、4,7,10-三氧杂十三烷-1,13-二胺(TTD)(可购自美国俄勒冈州波特兰的TCI美国公司(TCI America,Portland,OR,USA)。
其他多胺可以商品名ANCAMINE(例如,ANCAMINE 2609,其被描述为不含壬基苯酚的脂族多胺曼尼希碱固化剂;以及ANCAMINE 2337S,其被描述为经过修饰的脂族胺固化剂)从德国北莱茵-威斯特法伦州埃森的赢创公司(Evonik Corporation(Essen,North Rhine-Westphalia,Germany))商购获得,间二甲苯二胺可以商品名ARADUR 2965购自美国德克萨斯州伍德兰的亨斯迈公司并且4,4'-二氨基二苯砜(DDS)可以商品名ARADUR 9964-1购自亨斯迈公司。
其他多胺还包括肼、酰肼或其衍生物(例如,氨基二酰肼、己二酸二酰肼和间苯二甲酰基二酰)、胍或其衍生物、以及二氰胺(DICY)或其衍生物。
多胺的量取决于其分子量,并且第二部分通常含有不同多胺的混合物以获得期望的粘度。此外,多胺的量还取决于每摩尔多胺的氨基基团(反应性胺氢基团)的数量。总体来讲,基于控股组合物中的可固化组分的总重量计,多胺的量常常在10重量%至60重量%的范围内。例如,基于可固化组合物中的可固化组分的总重量计,量可以为至少10重量%、至少15重量%、至少20重量%、至少25重量%、至少30重量%、至少35重量%或至少40重量%,并且至多60重量%、至多55重量%、至多50重量%、至多45重量%、至多40重量%、至多35重量%或至多30重量%。
第一部分中环氧基团的当量与第二部分中多胺上的活性氢的当量的比率通常在0.5至1.5的范围内。在一些实施方案中,比率为至少0.6、至少0.8、至少0.9、至少0.95、1、至多1.1、至多1.2、至多1.3或至多1.5。比率通常在0.8至1.2的范围内或在0.9至1.1的范围内。
第二部分中任选的固化催化剂
可固化组合物可以任选地包含可以在第二部分中的固化催化剂。固化催化剂的示例包括被叔氨基基团取代的酚、双取代的脲化合物、磺酸化合物或其盐、咪唑或其盐、咪唑啉或其盐以及路易斯酸。这些化合物通常加速上文所论述的多胺的反应。
一些固化催化剂是被叔氨基基团取代的酚,诸如式(IV)的那些。
在式(IV)中,每个基团R11独立地为烷基。变量v是等于2或3的整数。基团R10为氢或烷基。适用于R10和R11的烷基基团常常具有1至12个碳原子、1至8个碳原子、1至6个碳原子或1至4个碳原子。一种示例性的式(IV)辅助固化剂为三-2,4,6-(二甲基氨基甲基)酚,其可以商品名ANCAMINE K54从德国北莱茵-威斯特法伦州埃森的赢创公司商购获得。
另一类固化催化剂包括取代的脲,诸如例如双取代的脲。示例包括但不限于4,4'-亚甲基双(苯基二甲基)脲、甲苯二异氰酸酯脲、3-(4-氯苯基)-1,1-二甲基脲和可以商品名OMICURE(例如,OMICURE U-35(其为脂环族双脲)、U-52和U-52M)从美国新泽西州摩尔斯镇的CVC热固性特种材料公司(CVC Thermoset Specialties(Moorestown,NJ,USA))商购获得的各种化合物。
另一类固化催化剂包括各种磺酸化合物及其盐,诸如可以商品名NACURE从美国康涅狄格州诺瓦克的金氏工业有限公司(King Industries,Inc.(Norwalk,CT,USA))商购获得的那些。
其他固化催化剂为咪唑或其盐或者咪唑啉或其盐。第一种类型的这些化合物可在室温下与环氧树脂反应。第二种类型的这些化合物可在加热到高于其熔点(例如,高于150℃、高于170℃或高于200℃)后与环氧树脂反应。第二种类型化合物可被称为“潜固化剂”或“封闭的固化剂”。
第一种类型的咪唑化合物(即,可在低于其熔点反应的那些化合物)常常在咪唑环的1-位或2-位被取代。在环氧体系中,这种类型的咪唑化合物可用作其他固化剂的促进剂或催化剂,并且也可用作环氧树脂的固化催化剂。用作催化剂或促进剂的那些的示例包括:2-甲基-咪唑、2-乙基-4-甲基咪唑、2-苯基咪唑、2-苯基-4-甲基咪唑、1,2-二甲基咪唑、2-十七烷基咪唑、1-苄基-2-甲基咪唑、1-苄基-2-苯基-咪唑和2-苯基-4,5-二羟基甲基咪唑。
第二种类型的咪唑化合物(即,能够在高于其熔点反应的那些)可以商品名CUREZOL 2MZ Azine(其为2,4-二氨基-6(2'-甲基咪唑基-(1'))乙基-s-三嗪)和CUREZOL2MA-OK(其为2,4-二氨基-6(2'-甲基咪唑基-(1')(乙基-s-三嗪异氰脲酸酯加合物)))从德国北莱茵-威斯特法伦州埃森的赢创公司商购获得并且以商品名ARADUR 3123(其为1-((2-甲基-1H-咪唑-1-基)甲基)萘-2-醇)从亨斯迈公司商购获得。其他咪唑化合物是金属咪唑盐,诸如美国专利4,948,449(Tarbutton等人)中所述的那些。
适合用作环氧树脂的固化催化剂的其它化合物是路易斯酸。示例性路易斯酸包括但不限于三氟化硼(BF3)、三氯化硼(BCl3)、氯化锌(ZnCl2)、氯化锡(SnCl4)、五氯化锑(SbCl5)、五氟化锑(SbF5)、氯化铁(FeCl3)、三氯化铝(AlCl3)、五氟化砷(AsF5)和五氟化磷(PF5)。由于它们的高反应性,路易斯酸通常与含氮化合物和/或含羟基化合物络合。路易斯酸与络合剂的摩尔比通常为约1:1,但可以更高,这取决于特定路易斯酸和所选择的络合剂。制备路易斯酸络合物的方法描述于例如美国专利3,565,861(White等)、4,503,161(Korbel等)、4,503,211(Robins)和5,731,369(Mahoney)中。
第一部分、第二部分或两者中任选的成膜树脂
可固化组合物还可以任选地包含在第一部分中、在第二部分中或两个部分中的成膜树脂。通常选择成膜树脂以与第一部分中的环氧树脂和/或第二部分中的多胺混溶。可混溶意味着成膜树脂与环氧树脂或多胺在宏观上彼此不发生相分离。成膜树脂可用于调节第一部分和/或第二部分的粘度,使得该部分是半固体。
为了避免与环氧树脂和/或多胺的宏观相分离,成膜树脂通常具有极性基团,例如羰基氧基基团(-(CO)-O-)、羰基氨基基团(-(CO)-NH-)、羟基基团(-OH)或醚基团(即,式-CH2-O-CH2-的基团)。任选地,成膜树脂可以包括可加速可固化组合物的固化的反应性基团。反应性基团的示例包括但不限于羧酸基团(-(CO)-OH)、磺酸基团(-(-(O=S=O)-OH)、膦酸基团(-(P=O)-OH-OH)和叔氨基基团(-N(R)2,其中R是烷基)。如果存在这些反应性基团,则成膜树脂放置在形成熔融组合物之前不会引起过早固化的部分中。
合适的示例性成膜树脂包括例如(甲基)丙烯酸酯共聚物,诸如具有侧链羟基基团和/或侧链醚基团以及各种热塑性树脂的那些。合适的热塑性成膜树脂包括乙烯乙酸乙烯酯树脂、苯氧基树脂、聚酯树脂、聚(乙烯基酯)树脂、聚(N-乙烯基酰胺)树脂和聚醚树脂。
可添加到可固化组合物中的任选的成膜树脂的量通过诸如所得结构粘合剂组合物的所需剪切强度和每个部分的粘度的考虑因素确定。基于可固化组合物中的可固化组分的总重量计,成膜树脂的量通常为0重量%至70重量%的范围。成膜树脂倾向于增加可固化组合物的粘度。如果除了成膜树脂之外,可固化组分还可包括其他任选的聚合物材料,诸如倾向于降低可固化组合物的粘度的聚醚多醇,则至多70重量%的可固化组分可以是成膜树脂。另一方面,如果可固化组分不包括降低粘度的聚合物材料,则至多50重量%的可固化组分可以是成膜树脂。如果将填料添加到可固化组合物中,则上限可进一步降低。基于可固化组合物中的可固化组分的总重量计,成膜树脂(如果存在)的量可为至多70重量%、至多60重量%、至多50重量%、至多40重量%、至多30重量%或至多20重量%,以及至少1重量%、至少5重量%、至少10重量%、至少15重量%或至少20重量%。在一些实施方案中,可固化组合物不包含或基本上不包含(例如,小于1重量%、小于0.5重量%或小于0.1重量%的可固化组分)成膜树脂。
作为成膜树脂的(甲基)丙烯酸酯共聚物
在一些实施方案中,成膜树脂为(甲基)丙烯酸酯共聚物,诸如具有侧基式羟基基团和/或侧基式醚基团的(甲基)丙烯酸酯共聚物。(甲基)丙烯酸酯共聚物通常由包含第一单体和第二单体的单体混合物形成,该第一单体为具有羟基或醚基团(例如,环醚基团或直链醚基团)的(甲基)丙烯酸酯单体,该第二单体为(甲基)丙烯酸烷基酯。
第一单体可具有式(II)。这些单体具有环状醚基团。
在式(II)中,基团R为氢或甲基。基团R3为单键、亚烷基、式-(R5-O-R5)n-的基团,其中R5为亚烷基并且n为1至10范围内的整数。基团R4为亚烷基。用于R3、R4和R5的合适的亚烷基基团通常含有1至10个、1至8个、1至6个、1至4个或1至3个碳原子。变量n可以是至少1、至少2或至少3且至多10、至多8、至多6或至多4的整数。当R3为单键时,环状醚基团直接键合到CH2=CR2-(CO)-O-,如在丙烯酸2-四氢吡喃基酯中。
式(II)的第一单体的一些具体示例包括(甲基)丙烯酸四氢糠基酯、(甲基)丙烯酸缩水甘油酯、(甲基)丙烯酸4-羟基丁酯缩水甘油醚和(甲基)丙烯酸2-四氢吡喃基酯。
在其他实施方案中,第一单体具有式(III)。这些单体具有羟基或醚基团。
在式(III)中,基团R为氢或甲基。基团R6为亚烷基、亚芳基、式-(R8-O-R8)m-的基团,其中R8为亚烷基并且m为1至10范围内的整数或甚至更大。基团R7为氢、烷基或芳基。用于R6和R8的合适的亚烷基基团通常含有1至10个、1至8个、1至6个、1至4个或1至3个碳原子。用于R6的合适的亚芳基基团通常含有6至12个、6至10个或6个碳原子(例如,亚苯基)。用于R7的合适的烷基基团通常含有1至10个、1至6个、1至4个或1至3个碳原子。用于R7的合适的芳基基团通常含有6至12个、6至10个或6个碳原子(例如,苯基)。变量m可以是至少1、至少2或至少3且至多10、至多8、至多6、至多4、至多3或至多2的整数。如果R7为氢,则第一单体具有羟基基团;如果R7为烷基或芳基,则第一单体具有醚基团。
式(III)的第一单体的一些具体示例包括(甲基)丙烯酸羟烷基酯,诸如(甲基)丙烯酸羟乙酯、(甲基)丙烯酸羟丙酯和(甲基)丙烯酸羟丁酯、聚(丙二醇)(甲基)丙烯酸酯和聚(乙二醇)(甲基)丙烯酸酯(其可以是乙氧基化的(甲基)丙烯酸羟乙酯)。
基于用于形成(甲基)丙烯酸酯共聚物的单体的总重量计,第一单体的量通常在30重量%至80重量%的范围内。例如,第一单体的量可以为至少30重量%、至少40重量%、至少45重量%、至少50重量%、至少55重量%或至少60重量%,并且至多80重量%、至多75重量%、至多70重量%、至多65重量%、至多60重量%、至多55重量%或至多50重量%。
可用作成膜树脂的(甲基)丙烯酸酯共聚物通常由还含有作为(甲基)丙烯酸烷基酯的第二单体的单体混合物形成。可用作第二单体的(甲基)丙烯酸烷基酯的示例包括但不限于(甲基)丙烯酸甲酯、(甲基)丙烯酸乙酯、(甲基)丙烯酸正丙酯、(甲基)丙烯酸异丙酯、(甲基)丙烯酸正丁酯、(甲基)丙烯酸异丁酯、(甲基)丙烯酸正戊酯、(甲基)丙烯酸2-甲基丁酯、(甲基)丙烯酸正己酯、(甲基)丙烯酸环己酯、(甲基)丙烯酸4-甲基-2-戊酯、(甲基)丙烯酸2-乙基己酯、(甲基)丙烯酸2-甲基己酯、(甲基)丙烯酸正辛酯、(甲基)丙烯酸异辛酯、(甲基)丙烯酸2-辛酯、(甲基)丙烯酸异壬酯、(甲基)丙烯酸异戊酯、(甲基)丙烯酸异冰片酯、(甲基)丙烯酸正癸酯、(甲基)丙烯酸异癸酯、(甲基)丙烯酸2-丙基庚酯、(甲基)丙烯酸异十三烷基酯、(甲基)丙烯酸异硬脂基酯、(甲基)丙烯酸十八烷基酯、(甲基)丙烯酸2-辛基癸酯、(甲基)丙烯酸十二烷基酯、(甲基)丙烯酸月桂酯和(甲基)丙烯酸十七烷基酯。在一些实施方案中,可使用这些单体中的任何单体的异构体混合物。在一些实施方案中,具有含有1至8个碳原子的烷基基团的单体可以是优选的,因为所得(甲基)丙烯酸酯共聚物可与环氧树脂更混溶。
(甲基)丙烯酸酯共聚物通常由含有20重量%至70重量%的第二单体的单体混合物形成。基于用于形成(甲基)丙烯酸酯共聚物的单体的总重量计,第二单体的量可以为至少20重量%、至少25重量%、至少30重量%、至少35重量%、至少40重量%、至少45重量%或至少50重量%,并且至多70重量%、至多65重量%、至多60重量%、至多55重量%或至多50重量%。
可以将(甲基)丙烯酸酯共聚物添加到第一部分、第二部分或两者中。然而,取决于其所添加的部分,通常选择单体混合物为不含或基本上不含可能过早引发部分的固化的单体。例如,如果将(甲基)丙烯酸酯共聚物添加到第一部分中的可固化组合物中,通常优选的是,由不含或基本上不含酸性单体、含胺单体或强碱性单体的单体混合物制备(甲基)丙烯酸酯共聚物。然而,如果(甲基)丙烯酸酯共聚物在第二部分中,则通常可以使用这些单体。酸性基团可能过早地引发环氧树脂的固化,但具有羧酸根、硫酸根、磷酸根和膦基团的(甲基)丙烯酸酯共聚物可以与第二部分中的多胺一起使用。类似地,具有活性氢原子的含氮基团可能过早地引发环氧树脂的固化,或但具有酰胺、内酰胺、脲、氨基甲酸酯或-CH2NHR9基团(其中R9为氢或烷基)的(甲基)丙烯酸酯共聚物可以与多胺一起置于第二部分中。另一方面,强碱性单体可抑制环氧树脂的阳离子固化。因此,与环氧树脂一起添加到第一部分中的(甲基)丙烯酸酯共聚物通常不含或基本上不含强碱性基团,但是此类(甲基)丙烯酸酯共聚物可以添加到含有多胺的第二部分中。
制备(甲基)丙烯酸酯共聚物的各种方法是本领域技术人员熟知的。可使用任何合适的方法。(甲基)丙烯酸酯共聚物的重均分子量通常在50,000道尔顿至1,000,000道尔顿的范围内。
任选的热塑性成膜树脂
各种热塑性树脂可用作成膜树脂。这些包括但不限于乙烯乙酸乙烯酯树脂、苯氧基树脂、聚酯树脂、聚(乙烯基酯)树脂、聚(N-乙烯基酰胺)树脂和聚醚树脂。
在一些实施方案中,热塑性成膜树脂是乙烯-乙酸乙烯酯(EVA)树脂或类似聚合物,其中乙酸酯基团的一部分已经通过水解转化为羟基基团。基于EVA树脂的总重量计,合适的乙烯-乙酸乙烯酯共聚物树脂通常含有28重量%至90重量%(或甚至更高)的乙酸乙烯酯单体单元。例如,EVA树脂可含有至少30重量%、至少35重量%、至少40重量%、至少45重量%、至少50重量%、至少55重量%或至少60重量%,并且至多90重量%(或甚至更高,诸如至多95重量%或至多99重量%)、至多85重量%、至多80重量%、至多75重量%、至多70重量%、至多65重量%或至多60重量%的乙酸乙烯酯单体单元。基于EVA树脂的总重量计,EVA树脂通常被选择为含有40重量%至90重量%、50重量%至90重量%或甚至60重量%至90重量%的乙酸乙烯酯单体单元。
可使用的可商购获得的乙烯-乙酸乙烯酯共聚物的示例包括但不限于可以商品名ELVAX购自美国密歇根州米德兰陶氏化学公司的那些,诸如ELVAX 150、210、250、260和265,可以商品名ATEVA系列购自美国德克萨斯州欧文的塞拉尼斯公司(Celanese,Inc.(Irving,TX,USA))的那些,可以商品名LEVAPREN购自美国宾夕法尼亚州匹兹堡的阿朗新科美国公司(Arlanxeo USA(Pittsburgh,PA,USA))的那些,诸如含有40重量%乙酸乙烯酯的LEVAPREN400、含有45重量%乙酸乙烯酯的LEVAPREN 450、452或456、含有50重量%乙酸乙烯酯的LEVAPREN 500、含有60重量%乙酸乙烯酯的LEVAPREN 600、含有70重量%乙酸乙烯酯的LEVAPREN 700和含有80重量%乙酸乙烯酯的LEVAPREN 800。
在一些实施方案中,热塑性成膜树脂是具有一个或多个羟基基团的苯氧基树脂。苯氧基树脂通常衍生自二缩水甘油基双酚化合物的聚合。通常,苯氧基树脂具有20,000道尔顿至60,000道尔顿范围内的数均分子量。例如,数均分子量为至少20,000道尔顿、至少30,000道尔顿、至少40,000道尔顿,并且至多60,000道尔顿、至多50,000道尔顿、至多40,000道尔顿或至多30,000道尔顿。
适合用作成膜树脂的可商购获得的苯氧基树脂包括但不限于以商品名PHENOXY购自美国俄亥俄州阿克伦的加布里埃尔(Gabriel(Akron,OH,USA))的那些(例如PHENOXYPKHP-200),以及以商品名SYNFAC购自美国南卡罗来纳州斯帕坦堡的美利肯化学公司(Milliken Chemical(Spartanburg,SC,USA))的那些(例如,SYNFAC 8009、773240、8024、8027、8026、8071和8031)。SYNFAC材料是聚氧烷基化的双酚A树脂。
热塑性成膜树脂可以是聚酯树脂,诸如半结晶聚酯和非结晶聚酯。“非结晶”的材料具有玻璃化转变温度,但不显示如使用差示扫描量热法(DSC)所测定的可测量的结晶熔点。优选地,玻璃化转变温度小于约100℃。“半结晶”的材料显示出如DSC所测定的结晶熔点,优选地具有约120℃的最大熔点。
聚合物中的结晶度也可通过冷却时加热至非结晶状态的片材的混浊或不透明性来反映。当聚酯聚合物被加热到熔融状态并被刮涂到衬垫上以形成片材时,它通常最初是非结晶的,并且观察到片材是透光的且对光透明的。当片材中的聚合物冷却时,结晶域可形成,并且结晶的特征在于片材的混浊变成半透明或不透明状态。通过混合具有不同结晶度的非结晶聚合物和半结晶聚合物的任何相容组合,结晶度可以在聚合物中变化。通常优选的是,在使用或应用之前,允许被加热到非结晶状态的材料有足够的时间返回到其半结晶状态。片材的混浊提供了确定聚合物中已发生一定程度的结晶的方便的非破坏性方法。
聚酯可包括成核剂以增加给定温度下的结晶速率。可用成核剂包括微晶蜡。合适的蜡可以包括包含长度大于14个碳原子的碳链的醇(CAS#71770-71-5)或由得克萨斯州休斯顿的贝克休斯公司(Baker Hughes,Houston,TX)以UNILIN 700出售的乙烯均聚物(CAS#9002-88-4)。
聚酯树脂在室温处通常是固体。合适的聚酯树脂通常具有约7,500道尔顿至200,000道尔顿的数均分子量。在一些示例中,聚酯树脂的数均分子量为至少10,000道尔顿、至少15,000道尔顿、至少20,000道尔顿、至少25,000道尔顿、至少30,000道尔顿或至少50,000道尔顿并且至多200,000道尔顿、至多100,000道尔顿、至多80,000道尔顿、至多60,000道尔顿、至多50,000道尔顿、至多40,000道尔顿和至多30,000道尔顿。
可用的聚酯包括二羧酸(或其二酯等价物)与二醇的反应产物。二酸(或二酯等价物)可以是包含4至12个碳原子的饱和脂族酸(包括环中具有5至6个碳原子的支链、非支链或环状材料)和/或包含8至15个碳原子的芳族酸。合适的脂族酸的示例为琥珀酸、戊二酸、己二酸、庚二酸、辛二酸、壬二酸、癸二酸、1,12-十二烷二酸、1,4-环己烷二羧酸、1,3-环戊烷二羧酸、2-甲基琥珀酸、2-甲基戊二酸、3-甲基己二酸等。合适的芳族酸包括对苯二甲酸、间苯二甲酸、邻苯二甲酸、4,4'-二苯甲酮二甲酸、4,4'-二苯基甲烷二甲酸、4,4'-二苯基硫醚二甲酸、以及4,4'-二苯基胺二甲酸。通常,二酸中的两个羧基基团之间的结构仅含有碳和氢原子。可使用上述二酸的共混物。
用于制备聚酯的二醇可包括具有2至12个碳原子的支链、非支链和环状脂族二醇。合适的二醇的示例包括乙二醇、1,3-丙二醇、1,2-丙二醇、1,4-丁二醇、1,3-丁二醇、1,5-戊二醇、2-甲基-2,4-戊二醇、1,6-己二醇、环丁烷-1,3-二(2'-乙醇)、环己烷-1,4-二甲醇、1,10-癸二醇、1,12-十二烷二醇、以及新戊二醇。还可使用包括聚(氧基亚烷基)二醇的长链二醇,其中亚烷基基团含有2至9个碳原子、2至6个碳原子或2至4个碳原子。可使用上述二醇的共混物。
在许多实施方案中,聚酯树脂为在室温处为半结晶的羟基封端的聚酯。可用的可商购获得的羟基封端的聚酯材料包括各种饱和直链、半结晶聚酯,其以商品名DYNAPOL购自德国北莱因-威斯特伐利亚埃森的赢创公司(Evonik Corporation(Essen,North Rhine-Westphalia,Germany)),诸如DYNAPOL S1401、DYNAPOL S1402、DYNAPOL S1358、DYNAPOLS1359、DYNAPOL S1227和DYNAPOL S1229。购自赢创公司(Evonik Corporation)的可用的饱和线性非结晶聚酯包括DYNAPOL 1313和DYNAPOL S1430。
其他可用的聚酯树脂包括以商品名TONE购自美国密歇根州米德兰陶氏化学公司的聚己内酯多元醇、以商品名CAPA购自瑞典佩什托普的柏斯托公司(Perstorp Inc.(Perstorp,Sweden))的聚己内酯多元醇和以商品名DESMOPHEN(例如,DESMOPHEN 631A 75)购自德国勒沃库森的科思创公司的饱和聚酯多元醇。
其他热塑性成膜树脂包括聚(乙烯基酯)树脂、聚(N-乙烯基酰胺)和各种聚醚树脂。合适的聚(乙烯基酯)树脂包括聚(乙酸乙烯酯)和共聚物,如可以商品名VINNAPAS从德国慕尼黑的瓦克化学股份有限公司(Wacker Chemie AG(Munich,Germany))商购获得的那些。示例聚(N-乙烯酰胺)成膜树脂包括聚乙烯吡咯烷酮和聚乙烯己内酰胺。合适的聚醚成膜树脂包括聚乙二醇、聚丙二醇和聚四亚甲基醚二醇。
其他任选组分
在一些可固化组合物中,包含任选的有机溶剂。合适的有机溶剂包括但不限于:甲醇、四氢呋喃、乙醇、异丙醇、戊烷、己烷、庚烷、丙酮、甲基乙基酮、乙酸甲酯、乙酸乙酯、甲苯、二甲苯、乙二醇烷基醚、丙二醇碳酸酯、以及它们的混合物。有机溶剂可被添加以溶解可固化组合物中的反应物,可被添加以降低可固化组合物的粘度以有利于其分配,或可以为来自(甲基)丙烯酸酯共聚物的制备的残余物。通常控制有机溶剂的量,使得第一部分和第二部分都是半固体。基于可固化组合物的总重量计,该可固化组合物中的有机溶剂的量可在0重量%至10重量%的范围内。在一些实施方案中,该量为至少0.5重量%、至少1重量%、至少2重量%、至少3重量%、至少4重量%,且至多10重量%、至多9重量%、至多8重量%、至多7重量%、至多6重量%、或至多5重量%。
可固化组合物任选地含有流动控制剂或增稠剂,以向组合物提供期望的流变特性。二氧化硅为触变剂,并且被添加以提供剪切致稀。当施加力(剪切)时,二氧化硅具有降低可固化组合物的粘度的效果。然而,当不施加力(剪切)时,粘度似乎更高。即,剪切粘度低于静止粘度。二氧化硅通常具有小于500纳米、小于400纳米、小于300纳米、小于200纳米或小于100纳米的平均最长尺寸。二氧化硅颗粒通常具有至少5纳米、至少10纳米、至少20纳米、或至少50纳米的平均最长尺寸。在一些实施方案中,二氧化硅颗粒为热解法二氧化硅,诸如以商品名CAB-O-SIL TS 720购自美国乔治亚州阿法乐特的卡伯特公司(CabotCorporation(Alpharetta,GA,USA))的经处理的热解法二氧化硅,以及以商品名CAB-O-SILM5购自该公司的未经处理的热解法二氧化硅。在其他实施方案中,二氧化硅颗粒为非聚集的纳米颗粒。
如果使用,基于可固化组合物的总重量计,任选的二氧化硅颗粒的量为至少0.5重量%。二氧化硅的量可以为至少1重量%、至少1.5重量%、或至少2重量%,并且可以为至多10重量%、至多8重量%或至多5重量%。例如,二氧化硅的量可在0重量%至10重量%、0.5重量%至10重量%、1重量%至10重量%、0.5重量%至8重量%、1重量%至8重量%、0.5重量%至5重量%或1重量%至5重量%的范围内。
可固化组合物可任选地包含用于增强固化的组合物的纤维。然而,在许多实施方案中,可固化组合物不含或基本上不含纤维增强材料。如本文所用,“基本上不含”意指该可固化组合物包含不大于1重量%、不大于0.5重量%、不大于0.2重量%、不大于0.1重量%、不大于0.05重量%、或不大于0.01重量%的纤维。
在一些实施方案中,可固化组合物任选地含有粘合促进剂以增强与基底的粘结。粘合促进剂的具体类型可根据该组合物将粘附到的表面而变化。已经使用各种硅烷和钛酸盐化合物来促进对利用固化的组合物粘结到一起的第一基底和/或第二基底的粘附性。如果存在,基于可固化组合物的总重量计,粘合促进剂的量将为至多5重量%、至多3重量%、至多2重量%或至多1重量%并且至少0.1重量%、至少0.2重量%或至少0.5重量%。
其他任选的组分包括例如填料(例如,铝粉、炭黑、玻璃泡、滑石、粘土、碳酸钙、硫酸钡、二氧化钛和云母)、稳定剂、增塑剂、增粘剂、固化速率阻滞剂、抗冲改性剂、增韧剂、可膨胀微球、玻璃珠或玻璃泡、导热颗粒、导电颗粒、阻燃剂、抗静电材料、玻璃、颜料、着色剂和抗氧化剂。可添加任选的组分,例如以降低结构粘合剂层的重量、调节粘度、提供附加的增强、改变导热特性或导电特性、改变固化速率等。如果存在这些任选组分中的任一种,则其通常以不妨碍可固化组合物的打印或分配的量使用。
这些另外的任选组分中的任一种可以在第一部分、第二部分或任一者中,只要它们不导致这些部分中的其他组分的显著固化。
皮
皮为长丝制品提供结构完整性,并且可固化组合物免于过早固化。皮通常被选择为足够厚以支持长丝形状因数,并且允许将长丝制品递送至沉积位置。另一方面,选择皮的厚度,使得其存在不会不利地影响固化的组合物的整体结构粘合剂性能。
皮材料通常被选择为当根据ASTM D1238-13在190℃和2.16千克的负载处测量时具有小于或等于15克/10分钟的熔体流动指数(MFI)。此类低熔体流动指数指示一种皮材料,该皮材料具有足够的强度(稳健性)以允许长丝制品耐受处置所需的物理操纵,诸如用于与增材制造设备一起使用。在此类方法期间,长丝制品通常需要从线轴上退绕,引入增材制造设备中,并且然后推进到喷嘴中以用于熔融和共混而不断裂。与具有较高熔体流动指数的皮材料相比,熔体流动指数小于或等于15克/10分钟的皮材料趋于不太易于断裂(拉伸应力断裂)并且可以缠绕在具有相对小的曲率半径的线轴或辊中。在某些实施方案中,皮材料表现出14克/10分钟或更小、13克/10分钟或更小、11克/10分钟或更小、10克/10分钟或更小、8克/10分钟或更小、7克/10分钟或更小、6克/10分钟或更小、5克/10分钟或更小、4克/10分钟或更小、3克/10分钟或更小、2克/10分钟或更小或1克/10分钟或更小的熔体流动指数。如果需要,可以将各种鞘材料共混(例如,熔融并混合)在一起,以提供具有期望熔体流动指数的鞘组合物。
低熔体流动指数值往往会与高熔体粘度和高分子量相关。较高分子量的皮材料的使用往往会导致更好的机械性能。即,鞘材料趋于更稳健(即,鞘材料更坚韧并且不太可能发生拉伸应力断裂)。这种增加的稳健性通常是聚合物链缠结水平增加的结果。出于另外的原因,较高分子量的皮材料通常有利。例如,这些皮材料倾向于在最终制品中较少迁移到粘合剂/基底界面中;此类迁移可能不利地影响粘合剂性能,尤其是在老化条件下。然而,在一些情况下,具有相对低分子量的嵌段共聚物由于物理交联而表现为像高分子量材料。也就是说,尽管嵌段共聚物分子量相对较低,但是其可以具有低MFI值和良好的韧性。
鞘材料通常是半结晶聚合物,即使在相对低的分子量(诸如100,000道尔顿)下也可以提供稳健的机械性质。即,重均分子量为至少100,000道尔顿的鞘材料通常可提供形成稳定丝卷轴所需的韧性和伸长率。在许多实施方案中,重均分子量为至少150,000道尔顿、至少200,000道尔顿、至少300,000道尔顿、至少400,000道尔顿或甚至至少500,000道尔顿。分子量可以达到,例如2,000,000道尔顿或甚至更高或至多1,000,000道尔顿。较高分子量材料通常有利地具有较低的熔体流动指数值。
随着熔体流动指数降低(诸如至小于或等于15克/10分钟),需要较少的皮材料来获得期望的机械强度。也就是说,可以减小皮层的厚度并且可以减少其对长丝制品的总最长横截面距离(例如,直径)的贡献。这是有利的,因为如果皮材料以大于长丝总重量的约10重量%的量存在,则皮材料可能不利地影响最终固化的组合物的粘合性能。
为了应用于基底,在沉积在基底上之前,长丝制品通常熔融并混合在一起。期望地将皮材料与可固化组合物共混,而不会不利地影响所得固化的组合物(其通常是结构粘合剂)的性能。为了在第一部分和第二部分内有效地共混皮和可固化组合物,通常期望皮组合物与可固化组合物相容。因为可固化物含有具有极性基团的环氧树脂,所以使用包含极性基团(诸如氧基团、羰基基团、酰胺基团或它们的组合)的皮材料可能是有利的。然而,皮和可固化组分在室温处或在长丝制品的储存条件下不应混溶。此外,通常选择皮组合物,使得其不被可能从第一部分和/或第二部分迁移的组分增塑。皮的增塑可以增加其粘性。
如果长丝制品通过共挤出可固化组合物的第一部分和/或第二部分与皮组合物而形成,则期望选择皮组合物的熔体粘度以与可固化组合物的第一部分和/或第二部分的熔体粘度相当。如果熔体粘度不足够相似(诸如如果可固化组合物的第一部分和/或第二部分的熔体粘度显著低于皮组合物的熔体粘度),则皮可能不包围长丝制品中的第一部分和/或第二部分。然后长丝制品可以具有暴露的第一部分和/或第二部分区域。另外,如果皮组合物的熔体粘度显著高于第一部分和/或第二部分,则在分配期间可固化组合物和皮组合物的熔融共混期间,非粘性皮可以保持暴露(未与可固化组合物充分共混)并且不利地影响与基底的粘合剂粘结的形成。皮组合物的熔体粘度与第一部分和/或第二部分组合物的熔体粘度在100:1至1:100的范围内,在50:1至1:50的范围内,在20:1至1:20的范围内,在10:1至1:10的范围内,或在5:1至1:5的范围内。在许多实施方案中,皮组合物的熔体粘度大于第一部分和/或第二部分组合物的熔体粘度。在这种情况下,皮组合物的熔体粘度与第一部分和/或第二部分组合物的熔体粘度通常在100:1至1:1的范围内,在50:1至1:1的范围内,在20:1至1:1的范围内,在10:1至1:1的范围内,或在5:1至1:1的范围内。
基于长丝制品减去任何任选的填料的总重量,长丝制品通常包含0.1重量%至25重量%的皮。例如,长丝制品包含至少0.1重量%、至少0.2重量%、至少0.5重量%、至少1重量%、至少2重量%、至少3重量%、至少5重量%或至少10重量%并且至多25重量%、至多20重量%、至多15重量%、至多10重量%的皮减去任何任选的填料。基于长丝制品减去任何任选的填料的总重量,所述量通常处于0.5重量%至20重量%、1重量%至15重量%或1重量%至10重量%的范围内。
除表现出强度之外,皮材料为非粘性的。如果材料通过“自粘附测试”,则该材料为非粘性的,在该自粘附测试中将材料从其自身剥离所需的力等于或小于预先确定的最大阈值量,而不会使材料压裂。自粘性测试在下面的实施例中有所描述。采用非粘性皮允许处置并任选地打印长丝,而不会在沉积到基底上之前不期望地粘附到任何事物上。
在某些实施方案中,鞘材料表现出低MFI(例如,小于或等于15克/10分钟)和中等断裂伸长率(例如,如通过ASTM D638-14使用测试样本类型IV所确定的100%或更高)和低断裂拉伸应力(例如,如通过ASTM D638-14使用测试样本类型IV所确定的10MPa或更多)的组合。具有这些特性的鞘趋于具有适合用于FFF型应用中的韧性。
在一些实施方案中,为了实现提供结构完整性和非粘性表面的目标,鞘包含选自以下的材料:苯乙烯共聚物(例如,苯乙烯嵌段共聚物,诸如苯乙烯-丁二烯嵌段共聚物)、聚烯烃(例如,聚乙烯、聚丙烯和它们的共聚物)、乙烯乙酸乙烯酯、聚氨酯、乙烯丙烯酸甲酯共聚物、聚酰胺、(甲基)丙烯酸嵌段共聚物、聚(乳酸)等等。取决于制备长丝制品的方法,至少稍微匹配皮聚合物材料的极性与第一部分和/或第二部分的极性可以是有利的。
通常选择皮材料,使得其在室温处或在长丝制品的储存条件下不与第一部分和/或第二部分混溶。然而,如果第一部分和/或第二部分和皮在熔融条件下是可混溶的,则可能是理想的。此外,理想的是,在使用长丝制品之前,通过与第一部分和/或第二部分接触,皮不会变得发粘。
用于鞘中的合适的苯乙烯材料可商购获得并包括,例如但不限于,以下苯乙烯材料:=以商品名KRATON(例如,KRATON D116 P、D1118、D1119和A1535)得自科腾高性能聚合物公司(美国德克萨斯州,休斯顿)(Kraton Performance Polymers(Houston,TX,USA)),以商品名SOLPRENE(例如,SOLPRENE S-1205)得自达盛(美国德克萨斯州,休斯顿)(Dynasol(Houston,TX,USA)),以商品名QUINTAC得自瑞翁化学(美国肯塔基州,路易斯维尔)(ZeonChemicals(Louisville,KY,USA)),以商品名VECTOR和TAIPOL得自台橡股份有限公司(美国路易斯安那州,新奥尔良)(TSRC Corporation(New Orleans,LA,USA))和以商品名K-RESIN(例如K-RESIN DK11)购自英力士苯领(美国伊利诺伊州,奥罗拉)(Ineos Styrolution(Aurora,IL,USA))。
合适的聚烯烃包括并不特别限于,例如,聚丙烯(例如,聚丙烯均聚物、聚丙烯共聚物和/或包含聚丙烯的共混物)或聚乙烯(例如,聚乙烯均聚物、聚乙烯共聚物、高密度聚乙烯(“HDPE”)、中等密度聚乙烯(“MDPE”)、低密度聚乙烯(“LDPE”)以及它们的组合)。例如,合适的可商购获得的LDPE树脂包括可购自利安德巴塞尔公司(荷兰鹿特丹)(LyondellBasell(Rotterdam,Netherlands))的MFI为5.6克/10分钟的PETROTHENE NA217000和可购自雪佛龙菲利普斯公司(美国德克萨斯州,伍德兰)(Chevron Phillips(Woodlands,TX,USA)的MARLEX 1122。合适的HDPE树脂包括来自陶氏化学公司(美国密歇根州,米德兰)(DowChemical Company(Midland,MI,USA))的ELITE 5960G和来自埃克森美孚公司(美国德克萨斯州,休斯顿)(ExxonMobil(Houston,TX,USA))的HDPE HD 6706系列。聚烯烃嵌段共聚物可以商品名INFUSE(例如,INFUSE 9807)购自陶氏化学公司。
合适的可商购获得的热塑性聚氨酯包括例如可购自路博润公司(美国俄亥俄州,威克利夫)(Lubrizol Corporation(Wickliffe,OH,USA))的ESTANE 58213和ESTANE ALR87A。
用于皮中的合适的乙烯乙酸乙烯酯(“EVA”)聚合物(即,乙烯与乙酸乙烯酯的共聚物)包括以商品名ELVAX购自陶氏化学公司(美国密歇根州,米德兰)的树脂。典型的乙酸乙烯酯含量在9重量%至40重量%的等级范围内以及低至0.3克/10分钟的熔体流动指数(按照ASTM D1238-13)。一种示例性材料是MFI为0.4克/10分钟的ELVAX 3135 SB。合适的EVA还包括可以商品名ULTRATHENE购自利安德巴塞尔公司(德克萨斯州休斯敦)(LyondellBasell(Houston,TX))的高乙酸乙烯酯乙烯共聚物。典型的乙酸乙烯酯含量在12重量%至18重量%的等级范围内。合适的EVA还包括可以商品名ATEVA购自塞拉尼斯公司(德克萨斯州达拉斯)(Celanese Corporation(Dallas,TX))的EVA共聚物。典型的乙酸乙烯酯含量在2重量%至26重量%的等级范围内。
用于鞘中的合适的聚酰胺材料包括尼龙(例如,尼龙6,6)、以商品名NYCOA(例如,MFI为5.1克/10分钟的NYCOA XN-287-CAY)得自美国尼龙公司(美国新罕布什尔州,曼彻斯特)(Nylon Corporation of America(Manchester,NH,USA))的尼龙三元共聚物材料以及聚酰胺-聚醚嵌段共聚物,诸如以商品名PEBAX(例如,PEBAX MV 1074SA)从阿科玛公司(美国宾夕法尼亚州,普鲁士王市)(Arkema Inc.(King of Prussia,PA,USA))商购获得的聚酰胺-聚醚嵌段共聚物。
用于皮中的合适的聚(乙烯丙烯酸甲酯)包括以商品名ELVALOY(例如,具有30%丙烯酸甲酯并且MFI为3.0克/10分钟的ELVALOY 1330、具有24%丙烯酸甲酯并且MFI为2.0克/10分钟的ELVALOY 1224和具有9%丙烯酸甲酯并且MFI为6.0克/10分钟的ELVALOY 1609)得自陶氏化学公司(美国密歇根州,米德兰)的树脂。
合适的酸酐改性的乙烯丙烯酸酯树脂可以商品名BYNEL购自陶氏化学公司,诸如MFI为7.3克/10分钟的BYNEL 21E533和MFI为2.1克/10分钟的BYNEL 30E753。
用于皮中的合适的乙烯(甲基)丙烯酸共聚物包括以商品名NUCREL(例如,MFI为25.0克/10分钟的NUCREL 925和MFI为10.0克/10分钟的NUCREL 3990)得自陶氏化学公司的树脂。如果NUCREL 925与另一种聚合物材料共混,使得共混物具有较低的MFI(诸如不大于15克/10分钟),则可以使用NUCREL 925。
用于皮中的合适的(甲基)丙烯酸嵌段共聚物包括以商品名KURARITY(例如KURARITY LA2250和KURAITY LA4285)得自可乐丽公司(日本东京,千代田区)(Kuraray(Chiyoda-ku,Tokyo,JP))的嵌段共聚物。MFI为22.7克/10分钟的KURARITY LA2250是含有作为A嵌段的聚(甲基丙烯酸甲酯)和作为B嵌段的聚(丙烯酸正丁酯)的ABA嵌段共聚物。约30重量%的此聚合物为聚(甲基丙烯酸甲酯)。KURARITY LA2250可用于皮中,前提条件是它与具有较低MFI的另一种皮材料(诸如,例如KURARITYLA4285)共混,使得共混物的MFI不大于15克/10分钟。MFI为1.8克/10分钟的KURARITY LA4285是含有作为A嵌段的聚(甲基丙烯酸甲酯)和作为B嵌段的聚(丙烯酸正丁酯)的ABA嵌段共聚物。约50重量%的此聚合物为聚(甲基丙烯酸甲酯)。改变嵌段共聚物中聚(甲基丙烯酸甲酯)的量改变其玻璃化转变温度和其韧性。
用于鞘中的合适的聚(乳酸)包括以商品名INGEO(例如,INGEO 4043D通用纤维等级)购自自然工程有限责任公司(美国明尼苏达州,明尼通卡)(Natureworks,LLC(Minnetonka,MN,USA))的聚(乳酸)。
示例性长丝制品的剖视图示于图1中。第一部分12和第二部分22各自分别被皮14或24包围以形成两个单独的长丝10和20。每个单独的长丝可以通过将第一部分或第二部分与皮材料共挤出来制备。另选地,可以通过形成各自为半固体的第一部分或第二部分,并且将皮材料缠绕在第一部分或第二部分周围以将该部分包封在皮内来制备各单独的长丝。用于包围第一部分的皮材料可以与用于包围第二部分的皮材料相同或不同。
图2是示例性复合长丝制品30的剖视图,其中第一部分31被皮34包围并且第二部分33被皮35包围。皮将第一部分与第二部分分离。皮34和35可以具有相同或不同的材料。该复合长丝可以以任何已知的方式制备。例如,图1的两个单独的长丝可以彼此粘附。另选地,两个单独的长丝可以彼此缠绕或加捻以形成螺旋复合细丝。
图3是另一示例性长丝制品40的剖视图,其中第一部分41被第一皮42包围并且第二部分43定位在第一皮42与第二皮44之间。第一皮42将第一部分41与第二部分43分开,而第二皮44约束第二部分43。第一皮42和第二皮44可以由相同或不同的非粘性的热塑性树脂形成。长丝制品40可以通过共挤出第一部分41、第一皮42、第二部分43和第二皮44来制备。另选地,第一皮42可围绕第一部分41缠绕,第二部分43可围绕第一皮42缠绕,并且第二皮44可围绕第二部分43缠绕。
图4是含有复合细丝的又另一示例长丝制品50的剖视图。复合长丝包括被皮54分离的第一部分51和第二部分53。皮包围第一部分51和第二部分53。第一部分51与第二部分53是分离的。长丝制品可以通过共挤出第一部分、第二部分和皮来制备。另选地,第一部分可以被皮包围,第二部分可以被皮包围,并且围绕第一部分的皮可以连接到围绕第二部分的皮材料。包围第一部分51和第二部分53的皮材料可以相同或不同。
长丝制品可以包括多于一个的第一部分和/或多于一个的第二部分。每个第一部分和每个第二部分被皮材料包围以防止在沉积到基底上之前所述部分的混合。
在一些实施方案中,第一部分和/或第二部分触摸起来是粘性的。虽然如果第一部分和/或第二部分用皮材料包裹以形成长丝制品,这是合乎需要的,但如果长丝制品通过挤出制备,则粘性是任选的。
打印和粘结的方法
在另一方面,提供了一种打印和粘结的方法。所述方法包括提供包含如上所述的可固化组合物的长丝制品。所述方法还包括熔融并共混长丝制品以形成熔融组合物。优选地,长丝制品在熔融组合物中均匀共混。所述方法还包括将所述熔融组合物通过喷嘴分配到第一基底的至少第一部分上。所述方法还包括将第二基底或所述第一基底的第二部分定位成与所述熔融组合物接触,以及在所述第一基底的至少所述第一部分与所述第二基底或所述第一基底的所述第二部分之间形成结构粘合剂粘结。
熔融丝加工,也以商品名“FUSED DEPOSITION MODELING”得自明尼苏达州伊登普雷利的斯特塔西公司(Stratasys,Inc.,Eden Prairie,minn),是一种使用通过热盒馈送的热塑性股线来从挤出头产生材料的熔融等分试样的方法。挤出头按规划或绘图(例如,计算机辅助绘图(CAD文件))的要求在3D空间中挤出材料珠。挤出头通常以层的形式铺设材料,并且在材料沉积之后,其熔合。
用于将包含可固化组合物的长丝制品打印到基底上的一种合适的方法是连续的非泵送式长丝馈送分配单元。在这种方法中,分配吞吐量由允许进入分配头的长丝制品的线性馈送速率调节。在大多数当前可商购获得的FFF分配头中,将未加热的长丝机械地推入加热区中,这提供足够的力以将长丝从喷嘴推出。该方法的变型是将输送螺杆结合在加热区中,该输送螺杆用于从卷轴拉动丝并且用于形成压力以通过喷嘴分配材料。尽管将输送螺杆添加到分配头中增加了成本和复杂性,但这确实使吞吐量增加并且获得使期望水平的组分混合和/或共混的机会。长丝馈送分配的特性在于它是真正的连续方法,在分配头中的任何给定点处仅具有一段短长丝。
与传统的热熔融沉积方法相比,长丝馈送分配方法可存在若干益处。首先,长丝馈送分配方法通常允许更快更换到不同的可固化组合物。而且,这些方法不会与熔融罐一起使用半成批模式,并且这使可固化组合物过早固化的机会最小化。长丝馈送分配方法可使用具有较高熔体粘度的材料,这可导致具有优异的几何精度和稳定性的沉积。此外,由于更高的可允许熔体粘度,可使用更高分子量的原材料以及填料。
FFF长丝的形状因数通常是令人关注的问题。例如,一致的横截面形状和最长横截面距离(例如,直径)有助于长丝制品与现有标准化FFF长丝诸如ABS或聚乳酸(PLA)的交叉相容性。此外,因为FFF分配速率通常由长丝的线性长度的馈送速率确定,所以一致的最长横截面距离(例如,直径)帮助确保恰当吞吐量。当用于FFF中时,根据至少某些实施方案的长丝制品的合适的最长横截面距离变化包括在50cm的长度上具有20%的最大变化,或甚至在50cm的长度上具有15%的最大变化。
基于挤出的分层沉积系统(例如,熔融丝加工系统)可用于在本公开的方法中制备包含打印的可固化组合物的制品。具有各种挤出类型的沉积系统是可商购获得的,该各种挤出类型包括单螺杆挤出机、双螺杆挤出机、热端挤出机(例如,用于丝馈送系统)和直接驱动热端挤出机(例如,用于弹性体丝馈送系统)。沉积系统还可具有用于材料沉积的不同运动类型,包括使用XYZ台、龙门起重机和机械臂。增材制造沉积系统的常见制造商包括斯特拉塔西斯公司(Stratasys)、阿提玛斯特公司(Ultimaker)、马克尔博特(MakerBot)、空狼公司(Airwolf)、WASP、马克弗巨德公司(MarkForged)、蒲璐萨公司(Prusa)、卢尔茨博特公司(Lulzbot)、比格里普公司(BigRep)、科斯添加剂公司(Cosin Additive)和辛辛那提股份有限公司(Cincinnati Incorporated)。合适的可商购获得的沉积系统包括例如但不限于:BAAM,其具有粒料馈送螺杆挤出机和龙门式运动类型,可购自辛辛那提股份有限公司(俄亥俄州哈里逊)(Cincinnati Incorporated(Harrison,OH));BETABRAM型P1,其具有加压糊剂挤出机和龙门型运动类型,可购自英特赖博都(斯洛文尼亚申想)(Interelab d.o.o.(Senovo,Slovenia));AM1,其具有粒料馈送螺杆挤出机或齿轮传动的长丝挤出机以及XYZ级运动类型,可购自科斯添加剂公司(德克萨斯州休斯顿)(Cosine Additive Inc.(Houston,TX));KUKA机器人,其具有机械臂运动类型,可购自库卡(密歇根州斯特灵海茨)(KUKA(Sterling Heights,MI));以及AXIOM,其具有齿轮传动的长丝挤出机和XYZ级运动类型,可购自空狼3D(加利福尼亚州喷泉谷)(AirWolf 3D(Fountain Valley,CA))。
包含打印的可固化组合物的三维制品可例如以逐层方式通过将熔融可固化组合物挤出到基底上由计算机辅助设计(CAD)模型制备。挤出头相对于基底(可固化组合物被挤出到其上)的移动根据代表最终制品的构建数据,在计算机控制下执行。通过将三维制品的CAD模型初始切成多个水平切片的层来获得构建数据。然后,对于每个切片层,主计算机生成构建路径用于获得组合物的沉积道路,以形成在其上具有打印的可固化组合物的三维制品。在选择的实施方案中,打印的可固化组合物包括形成于打印的可固化组合物表面上的至少一个沟槽。任选地,打印的可固化组合物在基底上形成不连续图案。
熔融可固化组合物沉积在其上的基底不受特别限制。在许多实施方案中,基底包括聚合物部件、玻璃部件或金属部件。当基底具有非平面表面(例如具有不规则或复杂表面形貌的基底)时,使用增材制造来将可固化组合物打印在基底上可能尤其有利。
长丝制品可通过由挤出头承载的喷嘴挤出,并且以x-y平面中基底上的一系列道路形式来沉积。挤出的熔融可固化组合物随其在温度下降时固化而与先前沉积的熔融可固化组合物熔合。这可提供打印的可固化组合物的至少一部分。挤出头相对于基底的位置接着沿z轴(垂直于x-y平面)递增,并且重复该过程以在第一层的至少一部分上形成熔融可固化组合物的至少第二层。改变挤出头相对于沉积层的位置可例如通过降低其上沉积层的基底来进行。该过程可根据需要重复多次,以形成类似于CAD模型的包含打印的可固化组合物的三维制品。进一步的细节可见于例如,Turner,B.N.等人“熔融挤出增材制造工艺的综述:I.工艺设计和建模”;快速成型期刊20/3(2014)192-204(“A review of melt extrusionadditive manufacturing processes:I.process design and modeling”;RapidPrototyping Journal 20/3(2014)192-204)。在某些实施方案中,打印的可固化组合物包括厚度在正交于基底的轴线上变化的整体形状。这在期望不能使用可固化组合物的模切形成可固化组合物形状的情况下特别有利。在某些实施方案中,单个可固化组合物层可以是有利的,以使消耗的可固化组合物的量最小化或使粘结线的厚度最小化。
多种熔融长丝制造3D打印机可用于实施根据本公开的方法。这些中的许多可以商品名“FDM”从明尼苏达州伊甸草原的斯特拉塔斯公司(Stratasys,Inc.,Eden Prairie,MN)及其附属公司商购获得。用于创意和设计开发的桌面3D打印机和用于直接数字制造的大型打印机可如例如以商品名“MAKERBOT REPLICATOR”、“UPRINT”、“MOJO”、“DIMENSION”和“FORTUS”从斯特拉塔斯公司(Stratasys)及其附属公司获得。用于熔融长丝制造的其他3D打印机可从例如南卡罗来纳州洛克希尔的3D系统公司(3D Systems,Rock Hill,SC)和加利福尼亚州科斯塔梅萨的空狼3D公司(Airwolf 3D,Costa Mesa,CA)商购获得。
在某些实施方案中,该方法还包括在分配熔融组合物之前混合(例如,机械地)熔融组合物。在其他实施方案中,在喷嘴中熔融并通过喷嘴进行分配的过程可向组合物提供充分的混合,使得熔融组合物在喷嘴中混合、在分配期间通过喷嘴、或两者兼有。
可固化组合物可沉积于其上的基底的温度也可进行调节以促进沉积的可固化组合物的熔融。在根据本公开的方法中,基底的温度可为例如至少约100℃、110℃、120℃、130℃或140℃至多175℃或150℃。
将熔融组合物分配在第一基底的至少第一部分上。第二基底或第一基底的第二部分被定位成与熔融组合物接触。所述方法导致在第一基底的至少第一部分与第二基底或第一基底的第二部分之间形成结构粘合剂粘结。
所得粘结制品可用于多种工业,例如,服装、建筑、商用机器产品、施工、消费、防御、牙科、电子器件、教育机构、重型设备、工业、珠宝、医疗、玩具工业以及运输(汽车、航空等等)。
实施方案
提供了包括长丝制品、制造长丝制品的方法以及用长丝制品打印和粘结的方法的各种实施方案。可固化组合物与长丝制品可用于在两个基底或同一基底的不同部分之间形成结构粘结。
实施方案1A是长丝制品,所述长丝制品包含可固化组合物。所述可固化组合物包含第一部分和与所述第一部分分离的第二部分。所述第一部分包含环氧树脂,而所述第二部分包含具有至少两个伯氨基基团或仲氨基基团的多胺。所述长丝制品还包括皮,所述皮包含非粘性的热塑性树脂并且包围所述第一部分和所述第二部分中的每个部分。1)被所述皮包围的所述第一部分和被所述皮包围的所述第二部分各自是单独的长丝或2)被所述皮包围的所述第一部分和被所述皮包围的所述第二部分组合以形成复合长丝。
实施方案2A是根据实施方案1A所述的长丝制品,其中被所述皮包围的所述第一部分和被所述皮包围的所述第二部分各自是单独的长丝。
实施方案3A是根据实施方案1A所述的长丝制品,其中被所述皮包围的所述第一部分和被所述皮包围的所述第二部分组合以形成复合长丝。
实施方案4A是根据实施方案1A至3A中的任一项所述的长丝制品,其中基于所述长丝制品减去任何任选填料的总重量,所述长丝制品包含0.1重量%至25重量%的皮。
实施方案5A是根据实施方案1A至4A中的任一项所述的长丝制品,其中所述第一部分和所述第二部分是半固体。
实施方案6A是根据实施方案1A至6A中的任一项所述的长丝制品,其中基于所述可固化组合物中可固化组分的总重量,所述长丝制品包含40重量%至90重量%的环氧树脂和10重量%至60重量%的多胺。
实施方案7A是根据实施方案1A至6A中的任一项所述的长丝制品,其中所述多胺包括胺封端的草酰胺和/或聚醚二胺。
实施方案8A是根据实施方案1A至7A中的任一项所述的长丝制品,其中所述第一部分中环氧基团的当量与所述第二部分中所述多胺上的活性氢原子的当量的比率在0.8至1.2的范围内。
实施方案9A是根据实施方案1A至8A中的任一项所述的长丝制品,其中所述第一部分和/或所述第二部分还包含成膜树脂。
实施方案10A是根据实施方案9A所述的长丝制品,其中所述成膜树脂是热塑性材料。
实施方案11A是根据实施方案9A所述的长丝制品,其中所述成膜树脂是(甲基)丙烯酸酯共聚物。
实施方案12A是根据实施方案1A至11A中的任一项所述的长丝制品,其中当根据ASTM D1238-13在190℃和2.16千克的负载处测量时,所述皮具有小于或等于15克/10分钟的熔体流动指数。
实施方案1B是一种制备包含可固化组合物的长丝制品的方法。所述方法包括形成(或提供)包含环氧树脂的第一部分以及形成(或提供)与所述第一部分分离并且包含具有至少两个伯氨基基团或仲氨基基团的多胺的第二部分。所述方法还包括将所述第一部分和所述第二部分中的每个部分用包含非粘性的热塑性树脂的皮包围。1)被所述皮包围的所述第一部分和被所述皮包围的所述第二部分各自是单独的长丝或2)被所述皮包围的所述第一部分和被所述皮包围的所述第二部分组合以形成复合长丝。
实施方案2B是根据实施方案1B所述的方法,其中被所述皮包围的所述第一部分和被所述皮包围的所述第二部分各自是单独的长丝。
实施方案3B是根据实施方案1B所述的方法,其中被所述皮包围的所述第一部分和被所述皮包围的所述第二部分组合以形成复合长丝。
实施方案1C为一种打印和粘结的方法。所述方法包括提供包含如第一方面中所述的可固化组合物的长丝制品。所述方法还包括熔融并共混长丝制品以形成熔融组合物。所述方法还包括将所述熔融组合物通过喷嘴分配到第一基底的至少第一部分上。所述方法还包括将第二基底或所述第一基底的第二部分定位成与所述熔融组合物接触,以及在所述第一基底的至少所述第一部分与所述第二基底或所述第一基底的所述第二部分之间形成结构粘合剂粘结。
实施方案2C是根据实施方案1C所述的方法,其中所述长丝制品与根据实施方案1A至18A中的任一项所述的一致。
实施例
除非另外指明或从上下文中容易看出,否则在实施例和说明书的其余部分中的所有份数、百分比、比率等均按重量计。
表1.实施例中所用的材料
实验方法
动态剪切测试样本制备
将1.00英寸×4.00英寸×0.062英寸(25.4mm×101.7mm×1.56mm)的铝基底用SCOTCH-BRITE Light Cleansing Hand Pad 7445(明尼苏达州圣保罗的3M公司(3M,SaintPaul,MN))轻轻研磨30秒,用连续的异丙醇流洗涤5秒,并且使用WYPALL L30通用擦拭物(美国佐治亚州罗斯威尔的金佰利世界有限公司(Kimberly-Clark Worldwide,Inc.Roswell,GA,USA))擦干。在配混之后立即将粘合剂样品(EX-1、EX-2和CE-A)施加到铝基底的研磨表面的0.50英寸×1.00英寸(12.7mm×24.5mm)的贴片上。使用两件钢丝(美国伊利诺伊州唐纳斯格罗夫的美国精密品牌产品(Precision Brand Products,Downers Grove,IL,USA))控制粘合线厚度,直径为0.16mm,长度为30mm,平行于放置在粘结区域中的基底的长轴定向。通过在施加粘合剂的区域中施加重叠的第二基底,使得重叠的长度为0.50英寸(12.7mm),并且用两个0.75英寸(19mm)的装订夹固定在适当位置来封闭粘结。对于每个EX-1、EX-2和CE-A制备六个测试样本。通过下面的动态剪切测试方法立即评估三个样本以接近初始生坯粘结强度,并且在测试之前将剩余的三个在强制空气烘箱中在90℃处固化1小时。
动态剪切测试
在环境温度处使用MTS CRITERION型43负载框架(明尼苏达州伊甸草原的MTS(MTS,Eden Prairie,MN)),对于预固化样品使用Advantage气动夹和1kN负荷传感器或对于固化样品使用Advantage楔形动作夹具和10kN负荷传感器来进行动态搭接剪切(OLS)测试。将测试样本装入夹具中,并使十字头以每分钟1.3mm(0.05in.)/min的速度操作,从而将样本装载至失效。通过测试,测量作为时间函数的负载和十字头位移。对每个粘合剂样品的三个测试样本所记录的峰值载荷取平均值,并且将其与实验室上面积组合以计算被取为粘合剂搭接剪切强度的峰值应力。
流变测试方法
芯组合物的储能模量(G')、损耗模量(G”)和复态粘度(η*)通过振荡流变测定法,使用配备有8mm不锈钢平行板上部几何结构和TA instruments DHR&AR系列AdvancedPeltier板作为下部几何结构并用于温度控制的TA Instruments Discovery HybridRheometer 3(特拉华州纽卡斯尔的TA仪器公司(TA Instruments,New Castle,Delaware))来表征。将大约1毫升体积的样品装载到下部几何形状上并升温至60℃。使上部几何形状达到1.050mm的间隙高度,并且在将上部几何形状降低到1.000mm的最终间隙高度之前修整过量的样品。在测试之前,将单独样品在25℃处在仪器中热平衡300秒。使用对数斜坡在0.1%应变处从0.01赫兹-100赫兹(Hz)每十倍选择10个单独的速率,在25℃处研究混合物的频率依赖性流动行为。
用于应变断裂伸长率的拉伸测试聚合物狗骨
根据“ASTM标准D638-10:用于塑料拉伸性质的标准测试方法”,使用以下测试参数执行拉伸测试。
·样本类型:IV型狗骨(厚度在表3中示出)
·测试设备:具有气动夹具和ARAMIS数字图像相关系统的100kN MTS机电负载框架
·负载传感器:2.5kN负载能力MTS
·夹头位移(标称应变速率):50.8mm/min(2英寸/分钟)
·预测试条件:23℃/50%相对湿度
·测试期间的大气条件:22℃/39%相对湿度
·样品尺寸:每个样品测试最少五个测试样本
伸长仪说明:具有Titanar 2mm相机镜头和ARAMIS专业分析软件的ARAMIS 4M 3D数字图像相关系统
自粘性测试方法和结果
对鞘材料的膜进行自粘性测试,以确定候选鞘材料是否将满足“非粘性”的要求。切出试样块(25毫米×75毫米×0.8毫米)。对于每种材料,将两个试样块彼此堆叠,并且放置在烘箱内的平坦表面上。将750克砝码(43毫米直径,平坦底部)放置在两个试样块的顶部上,使砝码在膜上方居中。将烘箱加热至50℃,并且将样品在该条件下放置4小时,并且然后冷却至室温。静态T剥离测试用于评估通过/未通过。将一个试样块的末端固定到稳定框架,并且用活页夹将250克砝码附接到另一个试样块的对应末端。如果膜是柔性的并且开始剥离开,则它们形成T形。如果两个试样块可在将砝码施加到第二试样块上的3分钟内用静态250克负载分开,则认为它通过并且是非粘性的。否则,如果两个试样块保持粘附,则认为其未通过。评估EMA并通过自粘性测试。
熔体流动指数测试方法
按照ASTM D1238-13(《挤压式5塑性计测定热塑性塑料熔体流动速率的标准测试方法》(Standard Test Method for Melt Flow Rates of Thermoplastics by Extrusion5Platometer),2013年最新修订版)程序A中所述的方法,对所有样品进行熔体流动指数(MFI)测试。所用设备为Tinius Olsen MP 987挤压式塑性计(熔融指数仪),其中标准模头尺寸用于程序A。测试条件为190℃的温度和2.16kg的重量。执行总共8至19个重复份以确定统计数据,即平均MFI(以g/10分钟为单位)、MFI的标准偏差和关于平均值的95%置信区间。
聚合物共混物的MFI可使用以下方法由均聚物的相应MFI近似:
log(MFI最终)=X1*log(MFI1)+X2*log(MFI2)
其中X1和X2为每种聚合物的重量分数Xi并且MFI1和MFI2为原始聚合物的熔体流动指数。
制备例
制备型丙烯酸类共聚物(PA-1)
使用Hamer(US5804610)的方法制备丙烯酸类共聚物。通过在琥珀色玻璃广口瓶中混合各50重量份(pbw)的BA和THFA丙烯酸单体、BDK光引发剂(0.2pbw)和IOTG链转移剂(0.1pbw)并手动涡旋混合来制备溶液。将该溶液在基于乙烯-乙酸乙烯酯的膜的热密封隔室中分成25克的等分试样,浸入16℃水浴中,并且使用UV光来聚合(辐射率UVA=4.5J/cm2)。然后使用配备有容量为大约70cm3的电加热三部分混合器和高剪切反向旋转叶片的ATR塑度计(新泽西州哈肯萨克市的C.W.布拉本德公司)来塑炼包装的聚合物。将混合器预热至120℃,并将大约50克共聚物以100rpm的混合速度塑炼10分钟。
制备型草酰胺(Ox-1)
向250mL 2颈圆底烧瓶中添加1075(54.01g,100.1mmol)和DEOX(29.55g,202.2mmol)。烧瓶配备有顶部搅拌设备和氮气入口。在恒定氮气吹扫下,搅拌反应并将其置于设置为100℃的油浴中以反应。在100℃处40分钟后,经由注射器将TTD(44.53g,202.1mmol)添加到反应中。将反应在90℃处继续进行18小时。从油浴中去除反应,并且在仍然热的情况下将反应混合物倒入聚丙烯广口瓶中。冷却后,产物是无色蜡质固体。通过1H和13C NMR分析反应产物的等分试样。光谱指示草酸二乙酯完全消耗,并且形成具有所需化学计量的酰胺键。
芯配混
如下制备EP-1至EP-3和AM-1的芯组合物。将根据下表1的各组分装入聚丙烯MAX100DAC杯(南卡罗来纳州兰德隆的弗莱克泰克公司)中。将杯子用聚丙烯盖松散地闭合,并温热至100℃以熔化所有组分。在该温度处30分钟后,使用弗莱克泰克公司高速混合器(DAC400FVZ)在环境温度和压力处将混合物以2500rpm(转/分钟)高剪切混合1分钟。
表2.用于芯组合物EP-1至EP-3以及AM-和AM-2的质量。
表3.在1Hz测试频率处EP-1至EP-3以及AM-1和AM-2的流变学数据总结。
材料 | 剪切储能模量(G’) | 复态粘度(η*) |
Pa | Pa·s | |
EP-1 | 11978 | 3390 |
EP-2 | 10454 | 19658 |
EP-3 | 1299 | 101 |
AM-1 | 1218520 | 196096 |
AM-2* | 0.00386 | 0.0467 |
*用具有2°锥角和53微米锥截的40mm锥形夹具进行流变学测量。
皮制备
皮1(S1)的制备
通过在140℃的4389型热压机(印第安纳州沃巴什的卡弗公司(Carver,Inc.,Wabash,IN))中将EMA颗粒热熔加压到5密耳至7密耳(0.127mm至0.178mm)的平均厚度来制备非粘性S1的膜。切割宽度为1.5英寸(3.77cm)和长度为2.7英寸至5.9英寸(7cm至15cm)的矩形膜,并且在如下所述的实施例中使用。
皮2(S2)的制备
在具有螺旋盖的500mL棕色玻璃广口瓶中,将PVOH(45.00g)、甘油(15.00g)和水(400.00g)混合并在85℃处加热直至获得均匀溶液。使用钢棒和1.00mm钢垫片将所得溶液浇铸到有机硅片材上,得到大约254mm×228mm×1mm的湿涂层。将涂覆的聚合物在环境温度处干燥18小时,然后在干燥氮气吹扫下在烘箱中在100℃处再干燥24小时。所得干燥柔性膜的厚度为0.13±0.03mm。切割宽度为1.5英寸(3.77cm)和长度为2.7英寸至5.9英寸(7cm至15cm)的矩形膜,并且在如下所述的实施例中使用。
实施例
芯/皮可固化粘合剂1(EX-1)的制备
通过将25.00克EP-1手动卷成直径为12.5mm的圆柱体并以足够的S2矩形围绕该圆柱体以涂覆表面来制备芯/皮长丝。通过将25.00g AM-1手动卷成直径为12.5mm的圆柱体并以足够的S2矩形围绕该圆柱体以涂覆表面来制备第二芯/皮长丝。将两种芯/皮长丝同时添加到配备有容量为约70cm3的电加热三部分混合器和高剪切反向旋转叶片的ATR塑度计(新泽西州哈肯萨克市的C.W.布拉本德公司(C.W.Brabender,Hackensack,NJ))中。将混合器预热至65℃并设置为100rpm的混合速度。将可固化粘合剂混合物配混两分钟,然后停止混合,并取出粘合剂混合物的样品用于如上所述的动态剪切测试样本制备。
芯/皮可固化粘合剂2(EX-2)的制备
通过将25.00克EP-2手动卷成直径为12.5mm的圆柱体并以足够的S1矩形围绕该圆柱体以涂覆表面来制备芯/皮长丝。通过将25.00克AM-1手动卷成直径为12.5mm的圆柱体并以足够的S1矩形围绕该圆柱体以涂覆表面来制备第二芯/皮长丝。将两种芯/皮长丝同时添加到配备有容量为约70cm3的电加热三部分混合器和高剪切反向旋转叶片的ATR塑度计(新泽西州哈肯萨克市的C.W.布拉本德公司(C.W.Brabender,Hackensack,NJ))中。将混合器预热至65℃并设置为100rpm的混合速度。将可固化粘合剂混合物配混两分钟,然后停止混合,并取出粘合剂混合物的样品用于如上所述的动态剪切测试样本制备。
芯/皮可固化粘合剂3(EX-3)的制备
通过将25.00克EP-3手动卷成直径为12.5mm的圆柱体并以足够的S1矩形围绕该圆柱体以涂覆表面来制备芯/皮长丝。通过将25.00克AM-1手动卷成直径为12.5mm的圆柱体并以足够的S1矩形围绕该圆柱体以涂覆表面来制备第二芯/皮长丝。将两种芯/皮长丝同时添加到配备有容量为约70cm3的电加热三部分混合器和高剪切反向旋转叶片的ATR塑度计(新泽西州哈肯萨克市的C.W.布拉本德公司(C.W.Brabender,Hackensack,NJ))中。将混合器预热至65℃并设置为100rpm的混合速度。将可固化粘合剂混合物配混两分钟,然后停止混合,并取出粘合剂混合物的样品用于如上所述的动态剪切测试样本制备。
具有可固化粘合剂4(EX-4)的复合长丝的制备
通过用S1内衬两个直径为20.0mm并且长度为204mm的半圆形聚丙烯模具来制备复合长丝。将27.05克EP-1加热至100℃并沉积到半圆形模具中的一个中。使用额外的S1矩形覆盖第一模具中的EP-1。将26.98克AM-1加热至100℃并沉积到第二半圆形模具中,并且当AM-1仍然升温时,将含有EP-1和AM-1的两个半圆形模具配合在一起以形成复合长丝。在冷却至23℃之后,用热刀将过量S1从模具中的接缝修剪掉,并从模具中取出长丝。结果是如图4中所示的复合长丝,其具有20.0mm直径和204mm长度的圆形横截面。
比较例A(CE-A)
通过在聚丙烯MAX 100DAC杯(南卡罗来纳州兰德隆的弗莱克泰克公司(FlackTek,Inc.,Landrum,SC))中混合20.00克E828和8.66克AM-2来制备液体结构粘合剂。将杯子用聚丙烯盖松散地封闭,并使用弗莱克泰克公司高速混合器(DAC 400FVZ)在环境温度和压力处以2500rpm(转/分钟)高剪切混合1分钟。如以上动态剪切测试样本制备方法中所述制备粘结,并在90℃处固化1小时。
表4:动态剪切测试结果
*未固化的粘结不是自支撑的,并且值不能通过测试方法测量。
表5.皮材料的熔体流动指数值
**使用数字图像相关性测量每个拉伸测试的最大伸长百分比。样本在报告值处仍然完整,但是跟踪特征变得足够失真,使得数字图像相关算法不再可以跟踪特征。
Claims (10)
1.一种长丝制品,所述长丝制品包含:
a)可固化组合物,所述可固化组合物包含
1)第一部分,所述第一部分包含环氧树脂;和
2)第二部分,所述第二部分包含具有至少两个伯氨基基团或仲氨基基团的多胺,其中所述第二部分与所述第一部分是分离的;以及
b)包围所述第一部分和所述第二部分的皮,其中所述皮包含非粘性的热塑性材料,并且其中
1)被所述皮包围的所述第一部分和被所述皮包围的所述第二部分各自是单独的长丝;或者
2)被所述皮包围的所述第一部分和被所述皮包围的所述第二部分组合以形成复合长丝。
2.根据权利要求1所述的长丝制品,其中被所述皮包围的所述第一部分和被所述皮包围的所述第二部分各自是单独的长丝。
3.根据权利要求1所述的长丝制品,其中被所述皮包围的所述第一部分和被所述皮包围的所述第二部分组合以形成复合长丝。
4.根据权利要求1所述的长丝制品,其中基于所述长丝制品减去任何任选的填料的总重量,所述长丝制品包含0.1重量%至25重量%的皮。
5.根据权利要求1至4中的任一项所述的长丝制品,其中所述第一部分和所述第二部分是半固体。
6.根据权利要求1至5中的任一项所述的长丝制品,其中所述第一部分和/或所述第二部分还包含成膜树脂。
7.根据权利要求1至6中的任一项所述的长丝制品,其中所述多胺包括胺封端的草酰胺和/或聚醚二胺。
8.根据权利要求1至7中的任一项所述的长丝制品,其中所述第一部分中环氧基团的当量与所述第二部分中所述多胺的活性氢原子的当量的比率在0.8至1.2的范围内。
9.一种制备包含可固化组合物的长丝制品的方法,所述方法包括:
形成(或提供)包含环氧树脂的第一部分;以及
形成(或提供)包含具有至少两个伯氨基基团或仲氨基基团的多胺的第二部分,其中所述第二部分与所述第一部分是分离的;
将所述第一部分和所述第二部分中的每个部分用包含非粘性的热塑性树脂的皮包围,其中
1)被所述皮包围的所述第一部分和被所述皮包围的所述第二部分各自是单独的长丝;或者
2)被所述皮包围的所述第一部分和被所述皮包围的所述第二部分组合以形成复合长丝。
10.一种打印和粘结的方法,所述方法包括:
提供根据权利要求1所述的长丝制品;
熔融并共混所述长丝制品以形成熔融组合物;
将所述熔融组合物通过喷嘴分配到第一基底的至少第一部分上;以及
将第二基底或所述第一基底的第二部分定位成与所述熔融组合物接触;以及
在所述第一基底的至少所述第一部分与所述第二基底或所述第一基底的所述第二部分之间形成结构粘合剂粘结。
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