CN115956101A - 热塑性组合物、方法、装置和用途 - Google Patents

Abstract

公开了热塑性聚氨酯(TPU)组合物、生产TPU组合物的方法、使用TPU组合物的方法和由其生产的装置。所公开的TPU组合物包括热塑性聚氨酯聚合物、热稳定剂、助流剂和填充材料。填料可以是玻璃纤维。所公开的TPU组合物具有改进的热稳定性和改进的流动性能，适合于具有大量细小开口或孔的制造制品的注塑成型。由该组合物生产的制品具有优异的热稳定性、耐磨性和耐化学性。示例性制品包括振动筛分机的筛分元件。进一步的实施例包括不含热稳定剂、助流剂和填充材料的组合物，以及其中将具有不同硬度的两种TPU材料组合以产生具有预定硬度的材料的组合物。公开了具有25至150微米的开口和10％至35％的开口筛分面积的注塑成型筛分元件。

Description

热塑性组合物、方法、装置和用途

相关申请的交叉引用

本发明要求于2020年6月18日提交的美国专利申请号16/904,819的权益，该申请是于2018年4月27日提交的美国专利申请号15/965,363的部分延续案，该部分延续案要求于2017年4月28日提交的美国临时专利申请号62/492,054和于2017年5月2日提交的美国临时申请号62/500,262的权益，其全部内容通过引用并入本文，并要求其优先权。

附图说明

附图是本公开的一部分，其并入本说明书。附图示出了本公开的示例性实施例，并且结合说明书和权利要求，用于解释本公开的各种原理、特征或方面。下面参考附图更充分地描述本公开的某些实施例。然而，本公开的各个方面可以以许多不同的形式来实现，并且不应被解释为限于本文所规定的实施方式。相似的数字指的是相似但不一定相同或同一元件。

图1是根据实施例的筛分元件的等轴测俯视图。

图1A是根据实施例的图1所示的筛分元件的俯视图。

图1B是根据实施例的图1所示的筛分元件的仰视等轴测视图。

图1C是根据实施例的图1所示的筛分元件的仰视图。

图2是根据实施例的图1所示的筛分元件的断裂部分的放大俯视图。

图3是根据实施例的端部次网格的等轴测视图，其示出了在附接到端部次网格之前的筛分元件。

图3A是根据实施例的图3中所示的具有附接到其上的筛分元件的端部次网格的分解等轴测视图。

图4示出了根据实施例的由如图1至3A所示的筛分元件和次网格结构产生的示例筛分组件。

图5示出了根据实施例的筛分组件的实际现场测试的结果。

图6A示出了根据实施例的包括具有圆角的筛分开口的筛分元件的俯视图。

图6B示出了根据实施例的图6A的筛分元件的侧视图。

图6C示出了根据实施例的图6A的筛分元件的表面区域的顶部分解图，其示出了具有圆角的筛分开口。

图7A示出了根据实施例的包括横向对齐的筛分开口的筛分元件的俯视图。

图7B示出了根据实施例的图7A的筛分元件的一部分的分解俯视图，其示出了横向对齐的筛分开口的细节。

图7C示出了根据实施例的包括纵向对齐的筛分开口的筛分元件的俯视图。

图7D示出了根据实施例的图7C的筛分元件的一部分的分解俯视图，其示出了纵向对齐的筛分开口的细节。

图8A示出了根据实施例的具有大约0.007英寸厚度的表面元件的截面图。

图8B示出了根据实施例的具有大约0.005英寸厚度的第一表面元件的截面图。

图8C示出了根据实施例的具有大约0.005英寸厚度的第二表面元件的截面图。

图9示出了根据实施例的筛分元件和具有可以被激光焊接到下面的次网格的各种区域的框架组件的俯视图。

图10示出了根据实施例的部分结合到次网格的筛分元件的振动幅度剖面图(profile)。

具体实施方式

本公开一般涉及热塑性聚氨酯(TPU)的组合物、装置、方法和用途。所公开的实施例TPU组合物可用于注塑成型工艺中，以产生用于振动筛分机的筛分元件。振动筛分机提供了能够激发已安装的筛的能力，从而使放置在筛上的材料可以分离到所需的水平。尺寸过大的材料与尺寸过小的材料分离。所公开的组合物和筛分元件可用于与石油工业、气体/油分离、采矿、水净化和其他相关工业应用相关的技术领域。

所公开的实施例提供了满足严苛要求的筛分元件，所述要求例如：约43μm至约100μm的细小开口，其有效筛分相似尺寸的颗粒；约几平方英尺的大面积筛，其具有约30％至35％的大开口筛分面积；热稳定且机械稳定的筛，其能够承受操作期间的恶劣条件，例如压缩载荷(例如施加在筛分元件边缘的1,500lbs.至3,000lbs.的力和最高达10G的振动加速度)和高温材料的载荷(例如37℃至94℃)，其具有显著的重量载荷和被筛分材料的严格化学和研磨条件。

所公开的实施例材料和方法提供了一种混合方法，其中使用所公开的TPU材料对小筛分元件进行微模塑，以可靠地产生约43μm至约100μm的细小特征，从而产生具有大开口筛分面积的筛分元件。如下文更详细讨论的，所公开的TPU材料包括的实施例的特征在于：优化填料的量、热稳定剂和助流剂(flow agent)作为适当热塑性聚氨酯的添加剂。这些添加剂进而允许将小筛分元件牢固地附接(例如通过激光焊接)到次网格(subgrid)结构，以提供可承受上述大的机械载荷和加速度的机械稳定性。例如，玻璃纤维可用作填料，其允许TPU材料的增强，并进而允许筛分元件以增加的结构稳定性牢固地附接到次网格结构。然而，鉴于玻璃的折射特性为激光系统提供了障碍，添加大量玻璃纤维可能会导致激光焊接的难度增加。任何量的添加剂也必需要稀释热塑性氨基甲酸乙酯(urethane)。类似地，应添加最小但有效量的热稳定剂，其中添加剂的量应足以使端部结构承受如上所述的高温材料的添加。

如下文更详细地讨论，所公开的TPU组合物中添加剂的量也可以根据筛分元件表面元件的所需厚度T而变化，如美国专利申请号15/965,195和62/648,771中详细讨论的那样，其通过引用并入本文。例如，如在美国专利申请号15/965,195中的第[00366]至[00373]段和相应的表1至表4中所述，可改变筛分元件表面元件的厚度T，以最大化整个筛分组件上的开口面积百分比，从而提高筛分组件在使用时的效率。

然后可以将多个这些优化的次网格结构组装成具有约为几平方英尺的大表面积的筛分结构。基于所公开TPU组合物的筛分组件可例如以美国专利申请号15/965,195和62/648,771中所述的方式使用。例如，如美国专利申请号15/965,195中说明书第[0017]至[0021]段中所述，基于所公开的TPU组合物的网格框架可提供所需的耐久性，以防止其在固定到振动筛分机上时承受的大量振动载荷负载下的损坏或变形。当组装以形成完整的筛分组件时，次网格足够坚固，从而不仅能够承受将筛分组件固定到振动筛分机上所需的力，还能够承受振动载荷中可能出现的极端条件。如美国专利申请号15/965,195中说明书第[00280]至[00282]段中详细讨论的，将筛分元件固定到次网格的方法可以包括对布置在次网格上的熔接棒(fusion bar)进行激光焊接。因此，可以利用所公开的TPU组合物来创建参考振动筛分装置，该装置能够承受本文和美国专利申请号15/965,195中所讨论的极端条件。

基于所公开的TPU组合物的筛分组件也可配置为安装在美国专利号7,578,394；5,332,101；6,669,027；6,431,366和6,820,748中所述的振动筛分机上。此类筛分组件可包括：如美国专利号5,332,101中所述的侧部或粘结条(binder bar)，其包括配置为用于接收顶覆式张紧构件的U形构件；如美国专利号6,669,027中所述的侧部或粘结条，其包括配置为在接收下悬式张紧的指状接收孔；如美国专利号7,578,394中所述的用于压缩载荷或配置为在多层机器(例如美国专利号6,431,366中所述的机器)上用于附接和载荷的侧部构件或粘结条。

基于所公开的TPU组合物的筛分组件和/或筛分元件也可以配置为包括如美国专利号8,443,984中描述的特征，包括其中所述的引导组件技术和其中所述的预制板技术。此外，基于所公开的TPU组合物的筛分组件和筛分元件可配置为并入预筛分技术，与如美国专利号7,578,394；5,332,101；4,882,054；4,857,176；6,669,027；7,228,971；6,431,366；6,820,748；8,443,984和8,439,203中所述的安装结构和筛配置兼容。这些专利文件中的每一个的公开以及它们的相关专利同族和申请，以及这些文件中引用的专利和专利申请，通过引用全部明确地并入本文。

示例性筛实施例

由热固性和热塑性聚合物制成的筛分元件在上述参考专利文件中进行了描述(即，美国临时专利申请序列号61/652,039和61/714,882；美国专利申请号13/800,826；美国专利号9,409,209；美国专利号9,884,344；以及美国专利申请号15/851,099)，其公开内容通过引用整体并入本文。

图1至图3A示出了通过使用所公开的TPU组合物的注塑成型工艺产生的示例性实施例筛分元件。图1至图1C示出了实施例筛分元件416，其具有基本平行的筛分元件端部20和基本垂直于筛分元件端部20的基本平行的筛分元件侧部22。筛分元件416可包括多个锥形沉孔470，其可有助于从模具中取出筛分元件416，如在上述专利文献中进行更详细的描述。筛分元件416还可以包括定位孔424，定位孔424可以位于筛分元件416的中心以及位于筛分元件416四个角中的每一个。定位孔424用于将筛分元件416附接到次网格结构，如下面参照图3和图3A进行更详细的描述。

如图1和图1A所示，筛分元件416具有筛分表面13，筛分表面13包括平行于筛分元件端部20延伸并形成筛分开口86的固体的表面元件84(如图2的近视图所示)，如下面进行更详细的描述。

图1B和图1C示出了筛分元件416的仰视图，筛分元件416具有在端部20之间延伸并基本垂直于端部20的第一筛分元件支撑构件28。图1B还示出了垂直于第一筛分元件支撑构件28的第二筛分元件支撑构件30，其在侧边缘部分22之间延伸，基本平行于端部20并且基本垂直于侧部22。筛分元件还可以包括基本平行于侧边缘部分22的第一系列加强构件32和基本平行于端部20的第二系列加强构件34。在各种载荷(包括压缩力的分布和/或振动载荷条件)期间，端部20、侧边缘部分22、第一筛分元件支撑构件28、第二筛分元件支撑构件30、第一系列加强构件32和第二系列加强构件34在结构上稳定筛分表面元件84和筛分开口86。

如图1B和图1C所示，筛分元件416可包括一个或多个粘附排列472，其可包括多个延伸部、空腔、或延伸部和空腔的组合。在该示例中，粘附排列472是多个型腔(cavitypocket)。粘附排列472配置为与次网格结构的互补粘附排列匹配。例如，次网格结构414(如图3和图3A所示)具有多个熔接棒476和478，它们与筛分元件416的型腔472匹配，如下面参照图3和图3A进行更详细的描述。

如图2所示，筛分开口86可以是细长槽，筛分开口86沿着第一方向具有长度L以及沿着第二方向具有宽度W，由表面元件84隔开，表面元件84沿着第二方向具有厚度T。厚度T可根据筛分应用和筛分开口86的配置而变化。厚度T可选择为约0.003英寸至约0.020英寸(即，约76μm至约508μm)，这取决于所需的开口筛分面积和筛分开口86的宽度W。在示例性实施例中，表面元件的厚度T可以是0.015英寸(即381μm)。然而，所公开的TPU组合物的性质允许形成更薄的表面元件，例如厚度T为0.007英寸(即177.8μm)的表面元件。表面元件的厚度T越小，筛分元件的筛分面积越大。例如，0.014英寸的厚度T将提供大约10-15％开口的筛分元件，而0.003英寸的厚度T将提供约30-35％开口的筛分元件，从而增加开口筛分面积。

如上所述，筛分开口86具有宽度W。在示例性实施例中，在每个筛分表面元件84的内表面之间，宽度W可为约38μm至约150μm(即，约0.0015至约0.0059英寸)。开口的长宽比可为1:1(即，对应于圆孔)至120:1(即，长窄槽)。在示例性实施例中，开口可以优选为矩形，并且可以具有约20:1(例如，长度860μm；宽度43μm)至约30:1(即，长度约1290μm，宽度约43μm)的长宽比。筛分开口不需要是矩形的，但可以是热塑性注塑成型以包括适合于特定筛应用的任何形状，包括近似正方形、圆形和/或椭圆形。

如下文更详细描述的，为了增加稳定性，筛分表面元件84可包括能基本平行于端部20延伸的整体纤维材料(例如，玻璃纤维)。筛分元件416可为单个热塑性注塑成型件。筛分元件416还可以包括多个热塑性注塑成型件，每个热塑性注塑成型件配置成跨越一个或多个网格开口。利用小的热塑性注塑成型筛分元件416(其如下文所述附接到网格框架)提供了优于现有筛分组件的显著优点，如在上述专利文献中进行更详细的描述。

图3和图3A示出了根据实施例的用于将筛分元件416附接到端部次网格单元414的过程。筛分元件416可经由(次网格414的)细长附接元件444与端部次网格单元414对齐，所述细长附接元件444与筛分元件416的下侧的定位孔424接合(例如，参见图1至图1C)。在这方面，次网格414的细长附接元件444穿过筛分元件416的筛分元件定位孔424。然后，端部次网格414中的细长附接元件444可以熔化以填充筛分元件附接孔424的锥形孔，从而将筛分元件416固定到次网格单元414。经由细长附接元件444和筛分元件定位孔424的附接仅仅是用于将筛分元件416附接到次网格414的一种方法。

可选地，可以使用粘合剂、紧固件和紧固件孔、激光焊接等将筛分元件416固定到端部次网格单元414。如上所述，次网格414的熔接棒476和478(例如，参见图3和图3A)可配置为装配到筛分元件416的型腔472中(例如，参见图1至图3C)。在施加热(例如，通过激光焊接等)时，熔接棒476和478可以熔化，以在冷却时在筛分元件416和次网格414之间形成结合。

将筛分元件416布置在也可以是热塑性注塑成型的次网格(例如，次网格414)上，这允许容易地构建具有非常细小的筛分开口的完整筛分组件。将筛分元件416布置在次网格上还允许筛分组件10的总体尺寸和/或配置的显著变化，筛分组件可以通过包括更多或更少的次网格或具有不同形状的次网格等来改变。此外，简单地通过将具有不同尺寸的筛分开口的筛分元件416结合到次网格上并将次网格连接以形成所需的配置，可以构造具有各种筛分开口尺寸或筛分开口尺寸梯度的筛分组件。

上文参考图1至图3所述的并在上述参考专利文件中所公开的筛具有适合用作筛分元件的小筛分开口。所公开的TPU组合物还允许这些筛在以下关键领域中的每一个有效地发挥作用：结构稳定性和耐久性；承受压缩型载荷的能力；耐高温的能力；延长的商品寿命，尽管存在潜在的磨损、切口或撕裂；以及不过于复杂、耗时或容易出错的制造方法。

因此，需要具有改进的化学性质的改进TPU组合物，可通过注塑成型为具有改进的物理性质的筛分元件和筛分组件来形成。

所公开的组合物通常包括TPU材料、选择用于优化组合物耐热性的热稳定剂、选择用于在注塑成型中优化组合物使用的助流剂以及选择用于优化所得复合材料刚性的填料。填料可以包括在小于TPU的约10重量％的含量中。在一个实施例中，填料以TPU的约7重量％的量提供。在其他示例性实施例中，填料的以小于TPU重量的约7％、小于约5％或小于约3％的量提供。

填料的一个示例包括玻璃纤维。玻璃纤维可以以允许在注塑成型中使用组合物、提高组合物硬化后的硬度、增加最终产品的耐温性的量引入，但也不排除将组合物激光焊接到其他材料上。

玻璃纤维的初始长度可以在约1.0mm至约4.0mm之间。在一个实施例中，玻璃纤维的起始长度可以为约3.175mm(即1/8英寸)。玻璃纤维的直径也可以为小于约20μm，例如在约2μm和约20μm之间。在一个示例性实施例中，玻璃纤维的直径在约9μm至约13μm之间。在进一步的实施例中，玻璃纤维的直径在约10μm至约14μm之间。在进一步的实施例中，玻璃纤维的初始长度可以为1/8英寸或更小。例如，玻璃纤维的初始长度可以为1/8英寸、1/16英寸、1/32英寸、1/64英寸等。在其他实施例中，玻璃纤维的初始长度可在约200μm至约800μm的范围内。在加工之后，玻璃纤维的长度可以显著小于起始长度。例如，玻璃纤维的最终长度可以为小于1μm。在进一步的实施例中，玻璃纤维的初始长度可以为约4mm，并且在加工之后的最终长度可以为约0.5mm。

TPU材料可由低游离异氰酸酯单体预聚物制成。在一个示例性实施例中，低游离异氰酸酯单体预聚物可以选择为对亚苯基二异氰酸酯。在进一步的实施例中，可以选择其他预聚物。TPU可首先通过使氨基甲酸乙酯预聚物与固化剂反应而产生。氨基甲酸乙酯预聚物可以选择为具有小于1重量％的游离聚异氰酸酯单体含量。在进一步的实施例中，TPU材料可以是亚甲基二苯基二异氰酸酯(MDI)或甲苯二异氰酸酯(TDI)改性的聚酯聚氨酯。在各种实施例中，改性聚酯是其中侧链已被改性以增加耐水解性的材料。

然后可在150℃或更高的温度下通过挤压对所得材料进行热处理，以形成TPU聚合物。氨基甲酸乙酯预聚物可由聚异氰酸酯单体和多元醇制备，所述多元醇包括烷烃二醇、聚醚多元醇、聚酯多元醇、聚己内酯多元醇和/或聚碳酸酯多元醇。在示例性实施例中，固化剂可包括二醇、三醇、四醇、亚烷基(alkylene)多元醇、聚醚多元醇、聚酯多元醇、聚己内酯多元醇、聚碳酸酯多元醇、二胺或二胺衍生物。

根据实施例，上述热稳定剂可包括在TPU的约0.1重量％至约5重量％的含量中。热稳定剂可以是位阻酚类抗氧化剂。位阻酚类抗氧化剂可以是季戊四醇四(3-(3,5-二叔丁基-4-羟基苯基)丙酸酯)(CAS登录号6683-19-8)。可选地，可以包括紫外线(UV)稳定剂。在一些实施例中，热稳定剂还将用作紫外线稳定剂。

根据实施例，上述助流剂可包括在TPU的约0.1重量％至约5重量％的含量中。助流剂可以选择为乙烯乙酰磺胺蜡(ethylene steramide wax)。乙烯乙酰磺胺蜡可包括N,N’-1,2-乙二基双十八烷酰胺(CAS登录号110-30-5)和硬脂酸(CAS登录号57-11-4)。在其他实施例中，可以选择其他助流剂。

根据实施例，上述玻璃纤维的直径或宽度可在约2至约20μm之间，在约9至约13μm之间，或其直径或宽度可为约11μm。玻璃纤维的初始长度可以在约3.1mm至约3.2mm之间。在注塑成型后处于硬化状态的玻璃纤维的最终平均长度可以小于约1.5mm，这是由于在加工过程中纤维断裂。在注塑成型后的最终硬化状态下，纤维的特征可以在于长度分布范围为约1.0mm至约3.2mm，其中一些纤维保持未断裂。在其他实施例中，玻璃纤维可以具有更小的初始长度和最终长度。例如，处理后的玻璃纤维的初始长度可以为1/8英寸、1/16英寸、1/32英寸、1/64英寸等。在其他实施例中，玻璃纤维的初始长度可在约200μm至约800μm的范围内。在加工之后，玻璃纤维的长度可以比初始长度小得多。例如，玻璃纤维的最终长度可以小于1mm、小于1μm等。

所公开的实施例包括制备和使用TPU组合物的方法，所述TPU组合物适用于具有细孔的制造制品的注塑成型。实施例方法包括在大于约150℃的温度下使TPU、热稳定剂、助流剂和填料反应以产生TPU组合物。在其他实施例中，可以通过结合更少的组分来产生材料。例如，可以产生不含热稳定剂、不含助流剂、不含填料、或不含两种或多种这些组分的组合物。所述填料可包括直径在约2μm至约20μm之间的玻璃纤维，其量经选择以优化由TPU组合物模塑而成的制造制品的刚性。TPU可以是聚碳酸酯TPU或可以是聚酯或改性聚酯TPU。TPU可以是反应步骤之前的预聚物。玻璃纤维可以以TPU的约1重量％至约10重量％之间的量存在。在一个实施例中，玻璃纤维可以TPU的约7重量％的量存在。

由本文所公开的组合物模塑而成的制造制品适合通过各种方法(包括激光焊接)连接。在这方面，所得制品可以激光焊接到其他制品，例如支撑结构。

如上文所述，示例性制造制品包括用于振动的振动筛(shaker screen)的筛分元件。上述所公开的TPU材料随后可用于注塑成型工艺中以产生筛分元件。在这方面，TPU材料可以在升高的温度下被引入/注塑到适当设计的模具中。温度可以选择为TPU材料具有充分降低的粘度以允许材料流入模具的温度。冷却后，可以从模具中取出所得的固化筛分元件。

所得筛分元件可设计为具有多个开口，开口宽度在约38μm至约150μm的范围内。具有这种开口的筛可用于从各种工业流体中去除颗粒，从而过滤/清洁流体。可以有效地去除大于筛分开口宽度的颗粒。TPU材料的理想热性能允许由TPU材料制成的筛分元件在升高的温度(例如，高达约82至94℃的工作温度)下有效地筛分颗粒。

所公开的TPU组合物和由此产生的产品的特征包括温度和流动特征，这些特征有助于使用技术(例如注塑成型)产生非常细小、高分辨率的结构。所得的最终产品在升高的操作温度(例如高达约94℃)下也具有优异的热稳定性。所得的结构还表现出足够的结构刚度以承受压缩载荷，同时保持允许用于微米级颗粒物质的筛分的小开口。由所公开的TPU材料产生的结构在富含碳氢化合物的环境(例如包括碳氢化合物(如柴油燃料)的环境)中也表现出耐切割、耐撕裂和耐磨损以及耐化学性。

热塑性聚氨酯

所公开的实施例提供了包括聚氨酯的热塑性组合物，聚氨酯是一类称为聚合物的高分子塑料。通常，聚合物(如聚氨酯)包括较小的重复单元，称为单体。单体可以端对端地化学连接，以形成具有或不具有连接侧基的主要长链主链分子。在一个示例性实施例中，聚氨酯聚合物的特征可以是包括例如碳酸酯基团(-NHCO₂)的分子主链。

虽然热塑性组合物通常归为塑料，但它包括彼此之间没有共价键合或交联的聚合物链。这种聚合物链交联的缺乏使得热塑性聚合物在高温下熔化。此外，热塑性材料是可逆地可热成型的，这意味着它们可以被熔化，形成所需的结构，并在稍后的时间全部或部分重新熔化。重新熔化热塑性材料的能力允许对由热塑性材料产生的制品进行可选的下游处理(例如，再循环)。这种基于TPU的制品也可以通过将热源施加到制品上的特定位置而在离散位置熔化。在这方面，由所公开的TPU组合物产生的制品适于使用焊接(例如，激光焊接)连接，以有效地将基于TPU的筛分元件固定到合适的筛分框架。

所公开的TPU材料在极端的温度条件和恶劣的化学环境下表现出理想的性能。在示例性实施例中，此类TPU材料可由预聚物制成。示例性预聚物可包括具有低游离异氰酸酯含量的对亚苯基二异氰酸酯(PPDI)。在其他实施例中，可以使用不同的合适的预聚物。

本文公开了适用于制造所公开的筛分元件的热塑性聚氨酯。所公开的聚氨酯包括硬段和软段，其可由制造者熟练地操纵以产生具有所需性能(例如，磨损控制、在注塑成型期间可流动、抗断裂性能等)的最终聚氨酯。在一个方面，如本文所述，所公开的聚氨酯具有85肖氏A至59肖氏D。

所公开的热塑性聚氨酯可由预聚物和固化剂制成。预聚物以及固化剂可以从化学供应商处购买，或者预聚物和固化剂可以由制造者合成。

预聚物

所公开的预聚物可以包括任何氨基甲酸乙酯形成单元。氨基甲酸乙酯形成单元包括两种类型：芳基二异氰酸酯和脂肪族二异氰酸酯。通常，氨基甲酸乙酯形成单元与用于连接两个二异氰酸酯部分的多元醇反应。例如，预聚物可以通过以下反应形成：

其中R是2至15个碳原子的碳骨架和/或6至18个碳原子的二价芳族基团。

在一个实施例中，R是具有2至15个碳原子的亚烷基单元，即2至15个亚甲基单元，–(CH₂)₂–至–(CH₂)₁₅–。因此，R可以包括2至15个亚甲基单元，例如2、3、4、5、6、7、8、9、10、11、12、13、14或15个亚甲基单元。ONC–R–NCO的非限制性示例包括1,6-六亚甲基二异氰酸酯、1-异氰酸-3-异氰酸甲基-3,5,5-三甲基环己烷(异佛尔酮二异氰酸酯，IPDI)和4,4′-二异氰酸酯二环己基甲烷。

在另一实施例中，R是具有6至18个碳原子的二价芳族基团。在一次迭代中，R由亚甲基二苯基二异氰酸酯(MDI)形成，其中R具有下式：

在另一实施例中，R可以是1,2-亚苯基、1,3-亚苯基、1,4-亚苯基单元，其具有下式：

这些R单元的利用可得到聚亚苯基二异氰酸酯预聚物单元。

连接R¹单元

所公开的R¹单元可以是具有2至10个碳原子的亚烷基单元，即2至10个亚甲基单元，–(CH₂)₂–至–(CH₂)₁₀–。因此，R¹可以包括2至10个亚甲基单元，例如2、3、4、5、6、7、8、9或10个亚甲基单元。HO–R–OH的非限制性示例包括1,2-乙二醇、1,3-丙二醇、1,4-丁二醇、1,5-戊二醇、1,6-己二醇、1,7-庚二醇、1,8-辛二醇、1,9-壬二醇和1,10-癸二醇。

聚己内酯二醇基聚酯预聚物

所公开的R¹单元可衍生自具有下式的己内酯二醇单元：

聚己内酯二醇预聚物的非限制性示例具有下式：

其中下标x为2至约6，下标n为2至约8。

衍生自聚己内酯二醇单元的预聚物的另一非限制性示例具有下式：

其中下标x为2至约6，下标n为2至约8。

聚缩水甘油二醇预聚物

所公开的R¹单元可衍生自具有下式的聚缩水甘油二醇：

聚缩水甘油二醇预聚物的非限制性示例具有下式：

其中下标x为2至约6，下标n为2至约8。

衍生自聚缩水甘油二醇单元的预聚物的另一非限制性示例具有下式：

其中下标x为2至约6，下标n为2至约8。

聚乳酸二醇预聚物

所公开的R¹单元可衍生自具有下式的聚乳酸二醇：

聚乳酸二醇预聚物的非限制性示例具有下式：

其中下标x为2至约6，下标n为2至约8。

衍生自聚乳酸二醇单元的预聚物的另一非限制性示例具有下式：

其中下标x为2至约6，下标n为2至约8。

聚碳酸酯预聚物

所公开的R¹单元可衍生自具有下式的二醇：

聚碳酸酯二醇预聚物的非限制性示例具有下式：

其中下标x为2至约6，下标n为2至约8。

聚亚烷基二醇预聚物

所公开的R¹单元可衍生自具有下式的聚亚烷基二醇：

其中下标z为约4至约25。

所公开的聚亚烷基二醇预聚物的一个实施例具有下式：

聚亚烷基二醇预聚物的非限制性示例具有下式：

聚醚二醇预聚物

1.聚乙二醇预聚物

所公开的R¹单元可衍生自聚醚二醇。在一个实施例中，R¹包括具有下式的聚乙二醇：

HO-[(CH₂CH₂O)_y]CH₂CH₂-OH

其中下标y为约4至约25。以下是所公开的PEG预聚物的非限制性实施例：

2.聚丙二醇预聚物

在所公开的聚醚二醇预聚物的另一个实施例中，所公开的R¹单元可衍生自具有下式的聚乙二醇：

其中下标y为约4至约25。以下是所公开的PPG预聚物的非限制性实施例：

固化剂

将所公开的预聚物进一步与一种或多种固化剂反应，以形成所公开的热塑性聚氨酯，其具有下式：

其中下标m为3至20。固化剂选自聚己内酯二醇、聚缩水甘油二醇、聚乳酸二醇、聚碳酸酯二醇、聚乙二醇、聚丙二醇或聚亚烷基二醇。

所公开的R²单元选自：

i)聚酯聚氨酯形成单元：

ii)聚酯聚氨酯形成单元：

iii)聚酯聚氨酯形成单元：

iv)聚碳酸酯聚氨酯形成单元：

v)聚亚烷基聚氨酯形成单元：

vi)聚醚聚氨酯形成单元：

或

vii)聚醚聚氨酯形成单元：

在一些实施例中，固化剂可以是重复或非重复多元醇。例如，具有下式的支链多元醇：

其可与三个预聚物单元反应，从而提供用于交联聚氨酯链的手段。在一次迭代中，非化学计量的量的第一固化剂可以与多元醇组合，多元醇的量提供消耗可用异氰酸酯基团所需的羟基单元。

如上所述，在一个方面，如本文所述，所公开的聚氨酯具有85肖氏A至59肖氏D的硬度值。所得热塑性聚氨酯的所需硬度可以通过熟练地选择所公开的R、R¹和R²单元以及适当地选择指数x、y、m和n来实现。另一种所公开的方法是选择具有不同肖氏D硬度值的两种聚合物，并将这两种聚合物混合，以获得介于两种聚合物的值之间的中间肖氏D硬度的硬度值。此外，95肖氏硬度A可转化为45肖氏硬度D，45肖氏硬度D可与56肖氏硬度D组合以形成具有中等硬度的聚合物。

本文公开了一种筛分元件，包括：

i)具有第一硬度的第一热塑性聚氨酯；和

ii)具有第二硬度的第二热塑性聚氨酯；

其中将所述第一和第二聚氨酯组合以形成最终的热塑性聚氨酯，其具有约85肖氏A至59肖氏D的硬度；

其中所述筛分元件是具有43μm至100μm的多个开口的单个注塑成型件；和

其中所述开口的量为所述筛分元件的10％至35％。

第一聚氨酯和第二聚氨酯通过使具有选自下式的预聚物与固化剂反应而形成：

i)

ii)

iii)

iv)

v)

vi)

或

vii)

其中下标x为2至约6，下标y为约4至约25，下标z为约4至约25，且下标n为2至约8；

并且其中所述预聚物还含有少于0.1重量％的过量异氰酸酯部分；其中所述固化剂选自聚己内酯二醇、聚缩水甘油二醇、聚乳酸二醇、聚碳酸酯二醇、聚乙二醇、聚丙二醇或聚亚烷基二醇。

示例TPU材料可如下产生。TPU聚合物可通过使游离聚异氰酸酯单体含量小于1重量％的氨基甲酸乙酯预聚物与固化剂反应来制备。然后，可在150℃(或更高)的温度下通过挤压对所得材料进行热处理，以形成TPU材料。氨基甲酸乙酯预聚物可由聚异氰酸酯单体和多元醇制备，所述多元醇包括烷烃二醇、聚醚多元醇、聚酯多元醇、聚己内酯多元醇和/或聚碳酸酯多元醇。固化剂可以包括二醇、三醇、四醇、亚烷基多元醇、聚醚多元醇、聚酯多元醇、聚己内酯多元醇、聚碳酸酯多元醇、二胺或二胺衍生物。

根据各种实施例，所公开的TPU材料可以与热稳定剂、助流剂和填料组合。在进一步的实施例中，可以根据需要包括其他添加剂。

通常，所公开的实施例提供了可通过多元醇与聚异氰酸酯和聚合物扩链剂反应形成的TPU组合物。示例性实施例包括用于制备TPU组合物的合成产生方法和工艺。所公开的方法可以包括在反应容器中使单体、固化剂和扩链剂反应以形成预聚物。所公开的方法可进一步包括通过使二异氰酸酯(OCN-R-NCO)与二醇(HO-R-OH)反应形成预聚物。预聚物的形成包括化学连接两个反应物分子以产生在产物分子的一个位置上具有醇(OH)和在另一位置上具有异氰酸酯(NCO)的化学产物。在一个实施例中，所公开的预聚物包括反应性醇(OH)和反应性异氰酸酯(NCO)。使用本文所公开的TPU组合物产生的制品可以是完全固化的聚合物树脂，其可以作为固体塑料储存。

所公开的实施例提供了可由聚异氰酸酯单体和固化剂制备的预聚物。固化剂的非限制性示例可包括乙二醇、丙二醇、丁二醇、环己烷二甲醇、对苯二酚-双羟烷基(例如，对苯二酚-双羟乙基醚)、二甘醇、二丙二醇、二丁二醇、三甘醇等、二甲基硫-2,4-甲苯二胺、二对氨基苯甲酸酯、苯基二乙醇胺混合物、亚甲基二苯胺氯化钠络合物等。

在示例性实施例中，多元醇可包括烷烃二醇、聚醚多元醇、聚酯多元醇、聚己内酯多元醇和/或聚碳酸酯多元醇。在某些实施例中，多元醇可以单独或与其他多元醇组合地包括聚碳酸酯多元醇。

热稳定剂

所公开的热/热稳定剂可包括添加剂，例如有机硫化合物，其是热稳定聚合物的有效氢过氧化物分解剂。非限制性示例热稳定剂包括：有机亚磷酸酯，例如亚磷酸三苯酯、三磷酸(2,6-二甲基苯基)酯、三(混合的单-和二壬基苯基)亚磷酸酯等；膦酸酯，例如二甲基苯膦酸酯等；磷酸盐，例如磷酸三甲酯等；二己基硫代二甲酸盐、二环己基-10,10’-硫代二癸酸酯、dicerotylthiodiformate、dicerotyl-10,10’-thiodidecylate、二辛基-4,4-硫代二丁酸酯、二苯基-2，2’-硫代二乙酸酯(硫代二甘醇酸酯)、二月桂基-3,3’-硫代二丙酸酯、二硬脂酰-3,3’-硫代二丙酸酯、二(对甲苯基)-4,4’-硫代二丁酸酯、月桂基肉豆蔻基-3,3’-硫代二丙酸酯、棕榈基硬脂基-2,2’-硫代二乙酸酯、二月桂基-2-甲基-2,2’-硫代二乙酸酯、十二烷基3-(十二烷基氧基羰基甲硫基)丙酸酯、硬脂酯4-(肉豆蔻氧基羰基甲基硫基)丁酸酯、二庚基-4,4-硫代二苯甲酸酯、二环己基-4,4’-硫代二环己酸酯、二月桂基-5,5’-硫代-4-甲基苯甲酸酯；及其混合物等。当存在时，基于TPU组合物中使用的基础聚合物组分的重量，热稳定剂的含量可包括为约0.0001重量％至约5重量％。包含有机硫化合物也可以改善TPU组合物以及由其产生的制品的热稳定性。

在示例性实施例中，热稳定剂可以是位阻酚类抗氧化剂，例如季戊四醇四(3-(3,5-二叔丁基-4-羟基苯基)丙酸酯)(CAS登录号6683-19-8)。在示例性实施例中，热稳定剂可以以TPU的约0.1重量％至约5重量％的量包含。

助流剂

助流剂用于增强TPU材料的流动特性，以便此类TPU材料可以容易地注射到模具中。所公开的TPU材料的注射时间优选在约1至约2秒之间。在一个实施例中，已经实现了平均约1.6秒的流动时间。助流剂用于实现这种注射时间。

所公开的TPU组合物可包括助流剂，其改善润滑性以增加熔化聚合物组合物相对于外表面的流动(即，增加外部流动)。助流剂还可以增加热塑性熔体中单个聚合物链的流动(即，增加内部流动)。

所公开的实施例提供了TPU组合物，其可包括可与聚合物基质容易相容的内部助流剂。例如，内部助流剂可以具有相似的极性，该极性通过防止聚合物的各个颗粒之间的内部摩擦来改善熔体流动的容易性。在某些实施例中，包括内部助流剂的TPU组合物可以改善模塑特性。例如，在特定实施例中，TPU组合物可用于产生具有小或非常小的开口的制品。在另一个实施例中，TPU组合物可用于通过注塑成型产生具有非常细小的开口的制品。在进一步的实施例中，TPU组合物的改进的流动允许产生具有小或非常小的开口的高分辨率制品。

所公开的实施例提供了TPU组合物，其可包括与TPU组合物的聚合物基质相容更好或更差的外部助流剂。例如，相对于TPU组合物聚合物，外部助流剂可以具有不同的极性。由于外部助流剂可能与组合物的TPU聚合物基质不相容，因此外部助流剂可以充当聚合物和加工机器的热金属表面之间的外部润滑膜。因此，外部润滑剂可以防止聚合物熔体粘附到机器部件(例如，诸如挤出机)，并且还可以在注塑成型的情况下，减少从模具中移除固化的聚合物所需的力(即，可以改善脱模)。

TPU组合物中可能包含的助流剂的非限制性示例包括胺(例如，乙烯基双硬脂酰胺)、蜡、润滑剂、滑石和分散剂。所公开的实施例提供了TPU组合物，其还可以包括一种或多种无机助流剂，例如水合二氧化硅、无定形氧化铝、玻璃态二氧化硅、玻璃态磷酸盐、玻璃态硼酸盐、玻璃态氧化物、二氧化钛、滑石、云母、气相二氧化硅、高岭土、凹凸棒石(attapulgite)、硅酸钙、氧化铝和硅酸镁。助流剂的量可随所选特定助流剂的性质和粒度而变化。

在示例性实施例中，助流剂可以是蜡，例如乙烯乙酰磺胺蜡。乙烯乙酰磺胺蜡可包括N,N’-1,2-乙二基双十八酰胺(C₃₈H₇₆N₂O₂；CAS登录号100-30-5)和硬脂酸[CH₃(CH₂)₁₆COOH；CAS登录号57-11-4]。在示例性实施例中，助流剂可以TPU的约0.1重量％至约5重量％的量存在。

通过减少或消除某些化合物(例如硬脂酸钙)的存在，可以改善TPU组合物的流动特性。

填料

如上所述，所公开的实施例提供了TPU组合物，其也可以包括填料，所述填料也可以含有无机材料。填料增强和硬化基于TPU的材料，增强由TPU材料注塑成型的物体的性能。例如，填料有助于保持由TPU组合物注塑成型的物体中形成的小开口、洞或孔的形状。在一些实施例中，例如，光纤允许光的传输，以用于模塑TPU部件到支撑结构的激光焊接。

在示例性实施例中，如上所述，玻璃纤维可用作填料。玻璃纤维可以采用实心或中空玻璃管的形式。在示例性实施例中，玻璃管的直径(或宽度，如果不是圆形)可以在约2μm至约20μm之间。在示例性实施例中，玻璃纤维的直径(或宽度，如果不是圆形)可以在约9μm至约13μm之间。在一个实施例中，玻璃纤维的直径或宽度可以为11μm。玻璃纤维的初始长度可以在约3.0mm至约3.4mm之间。在示例性实施例中，玻璃纤维的初始长度可以为1/8英寸(即3.175mm)。在进一步的实施例中，玻璃纤维的初始长度可以为1/16英寸、1/32英寸、1/64英寸等。然而，在TPU材料的加工期间，玻璃纤维可能断裂，从而变得更短。在注塑成型后的经硬化状态下，玻璃纤维的平均长度可小于约1.5mm，其中大多数纤维的范围在约1.0mm至约3.2mm之间。在加工之后，玻璃纤维的长度可以显著小于起始长度。例如，玻璃纤维的最终长度可以为小于1μm。有些纤维保留了其原来的长度，但大多数纤维断裂成更小的片。

为了允许TPU组合物的激光焊接，需要使用尽可能少的玻璃纤维。过多的玻璃纤维导致激光的反射/折射量过高。此外，TPU组合物的所需性质可能随着玻璃纤维含量的增加而降低。具有足够大直径的玻璃纤维可以更好地用于可激光焊接的组合物。这种大直径纤维还可提供所需的增强和硬化性能。然而，玻璃纤维的直径不应太大，因为所需的流动性能可能随着玻璃纤维直径的增加而降低，从而降低了所得组合物用于注塑成型的适用性。

玻璃纤维填料不应包含直径大于50μm的纤维，且在为了具有亚毫米级特征的结构的注塑成型而开发的组合物中，其直径应优选小于20μm。应避免使用碳纤维，因为碳纤维不是半透明的，因此不能用于激光焊接。被设计为可通过激光焊接连接的基于TPU的物体可以具有允许激光穿过TPU材料的光学性质。这样，激光可以穿过TPU物体，并且可以撞击相邻结构(例如尼龙次网格)。次网格的尼龙材料是具有吸收激光的深色的热塑性材料，因此可以被激光加热。在吸收激光后，TPU和相邻尼龙可被加热至高于其各自熔化温度的温度。这样，两种材料都可以熔化，并且在冷却时，可以在TPU和尼龙之间的界面处形成机械结合，从而将部件焊接在一起。

所公开的实施例提供了TPU组合物，其也可以包括任何构型的颗粒状填料，所述构型包括例如球体、板、纤维、针状(即针样)结构、薄片、晶须或不规则形状。合适的填料的平均最长尺寸可在约1nm至约500μm的范围内。一些实施例可包括平均最长尺寸在约10nm至约100μm范围内的填料。一些纤维状、针状或晶须状填充材料(例如，玻璃或硅灰石)的平均纵横比(即，长度/直径)可在约1.5至约1000的范围内。在其他实施例中也可使用更长的纤维。

板状填充材料(例如云母、滑石或高岭土)的平均纵横比(即相同面积的圆的平均直径/平均厚度)可大于约5。在一个实施例中，板状填充材料的纵横比可在约10至约1000的范围内。在另一个实施例中，这种板状材料的纵横比可以在约10至约200的范围内。也可以使用纵横比的双模态、三模态或更高模态的混合物。在某些实施例中也可以使用填料的组合。

根据一个实施例，TPU组合物可包括天然的、合成的、矿物的或非矿物的填充材料。可以选择合适的填充材料以具有足够的耐热性，从而可以至少在与之结合的TPU组合物的加工温度下保持填充材料的固体物理结构。在某些实施例中，合适的填充材料可包括粘土、纳米粘土、炭黑、木粉(含或不含油)和各种形式的二氧化硅。二氧化硅材料可以是沉淀的或水合的、气相的或焦化的、玻璃态的、熔化的或胶态的。此类二氧化硅材料可包括普通砂、玻璃、金属和无机氧化物。无机氧化物可包括周期表IB、IIB、IIIA、IIIB、IVA、IVB(碳除外)、VA、VIA、VIIA和VIII族的第2、3、4、5和6周期的金属氧化物。

填充材料还可包括金属氧化物，例如氧化铝、氧化钛、氧化锆、二氧化钛、纳米级氧化钛、三水合铝、氧化钒、氧化镁、三氧化二锑，铝、铵或镁的氢氧化物。填充材料可进一步包括碱金属和碱土金属的碳酸盐，例如碳酸钙、碳酸钡和碳酸镁。矿物基材料可包括硅酸钙、硅藻土(diatomaceous earth)、漂白土、硅藻土(kieselguhr)、云母、滑石、板岩粉、火山灰、棉屑、石棉和高岭土。

填充材料还可包括碱金属和碱土金属硫酸盐，例如钡的硫酸盐和硫酸钙、钛、沸石、硅灰石、硼化钛、硼酸锌、碳化钨、铁氧体、二硫化钼、方石英、硅铝酸盐(其包括蛭石、膨润土、蒙脱石、钠蒙脱石、钙蒙脱石、水合钠钙铝镁硅酸盐氢氧化物、叶蜡石、硅酸镁铝、硅酸锂铝、硅酸锆)，以及上述填充材料的组合。

所公开的实施例提供了TPU组合物，其可包括纤维填料，如玻璃纤维(如上所述)、玄武岩纤维、芳香族聚酰胺纤维(aramid fibers)、碳纤维、碳纳米纤维、碳纳米管、碳巴基球(carbon buckyballs)、超高分子量聚乙烯纤维、三聚氰胺纤维、聚酰胺纤维、纤维素纤维、金属纤维、钛酸钾晶须、以及硼酸铝晶须。

在某些实施例中，TPU组合物可包括如上所述的玻璃纤维填料。玻璃纤维填料可以是E-玻璃、S-玻璃、AR-玻璃、T-玻璃、D-玻璃和R-玻璃。在某些实施例中，玻璃纤维直径可以在约5μm至约35μm的范围内。在其他实施例中，玻璃纤维的直径可以在约9至约20μm的范围内。在进一步的实施例中，玻璃纤维的长度可以为约3.2mm或更短。如上所述，包含玻璃填料的TPU组合物可赋予TPU组合物及其产生的制品改进的热稳定性。

所公开的实施例可包括含有玻璃填料的组合物，所述玻璃填料的浓度在约0.1重量％至约7重量％的范围内。实施例还可以包括如下浓度范围的玻璃填料：约1％至约2％；约2％至约3％；3％至约4％；约4％至约5％；约5％至约6％；约6％至约7％；约7％至约8％；约8％至约9％；约9％至约10％；约10％至约11％；约11％至约12％；约12％至约13％；约13％至约14％；约14％至约15％；约15％至约16％；约16％至约17％；约17％至约18％；约18％至约19％；以及约19％至约20％。在某些实施例中，玻璃填料浓度可为约1％。在某些实施例中，玻璃填料浓度可为约3％。在某些实施例中，玻璃填料浓度可为约5％。在某些实施例中，玻璃填料浓度可为约7％。在某些实施例中，玻璃填料浓度可为约10％。

如上所述，实施例可包括玻璃填充材料，其中各玻璃纤维的直径或宽度在约1μm至约50μm的范围内。在某些实施例中，玻璃填料的特征在于纤维直径的窄分布，使得至少90％的玻璃纤维具有特定的直径或宽度。其他实施例可包括具有跨越约1μm至约20μm范围的更宽直径或宽度分布的玻璃填料。其他实施例可包括具有跨越如下范围的直径或宽度分布的玻璃填料：约1μm至约2μm；约2μm至约3μm；约3μm至约4μm；约4μm至约5μm；约5μm至约6μm；约6μm至约7μm；约7μm至约8μm；约8μm至约9μm；约9μm至约10μm；约10μm至约11μm；约11μm至约12μm；约12μm至约13μm；约13μm至约14μm；约14μm至约15μm；约15μm至约16μm；约16μm至约17μm；约17μm至约18μm；约18μm至约19μm；约19μm至约20μm。在某些实施例中，玻璃填料可以具有以大致特定值为中心的直径或宽度分布。例如，根据实施例，特定直径或宽度值可以是10μm±2μm。

根据实施例，TPU组合物可包括玻璃纤维填料，其包括表面处理剂和任选的偶联剂。许多合适的材料可用作偶联剂。示例包括基于硅烷的偶联剂、基于钛酸盐的偶联剂、或其混合物。例如，适用的基于硅烷的偶联剂可以包括氨基硅烷、环氧硅烷、酰胺硅烷、叠氮硅烷和丙烯基硅烷。

所公开的实施例提供了TPU组合物，其还可以包括其他合适的无机纤维，例如：碳纤维、碳/玻璃混合纤维、硼纤维、石墨纤维等。还可以使用各种陶瓷纤维，例如氧化铝-二氧化硅纤维、氧化铝纤维、碳化硅纤维等。也可以使用金属纤维，例如铝纤维、镍纤维、钢、不锈钢纤维等。

所公开的TPU组合物可通过TPU反应物可与填充材料(例如，纤维填料)和其他可选添加剂组合的工艺产生。然后可以在混合或掺和装置中物理混合材料的组合。

示例性混合或掺和装置可包括：密炼机(Banbury)、双螺杆挤出机、布斯捏合机(Buss Kneader)。在某些实施例中，可将填料和基础TPU组合物材料混合或掺和，以产生具有并入其中的纤维的TPU组合物掺和物。可以将具有填料(例如，玻璃纤维)和可选的其他附加添加剂的所得TPU组合物冷却以产生固体物质。然后可以将所得固体物质制粒或以其他方式分成合适尺寸的颗粒(例如，造粒)以用于注塑成型工艺。注塑成型工艺可用于产生制品，例如筛或筛分元件。

上文提及的TPU组合物的可选的添加剂可包括分散剂。在某些实施例中，分散剂有助于产生基础TPU组合物和其他组分(如填料)的均匀分散体。在某些实施例中，分散剂还可以改善包括填料的所得TPU组合物的机械和光学性能。

在某些实施例中，蜡可用作分散剂。适用于所公开的TPU组合物的蜡分散剂的非限制性示例包括：聚乙烯蜡、酰胺蜡和褐煤蜡。本文所公开的TPU组合物可包括酰胺蜡分散剂，例如N,N-双-硬脂酰乙二胺。使用这种蜡分散剂可以增加TPU组合物的热稳定性，但对聚合物透明度几乎没有影响。因此，在所公开的TPU组合物中包含的分散剂可至少具有如下所需的效果：(1)组合物和由其产生的制品的改进的热稳定性，以及(2)适合于下游加工(包括激光焊接)的所需光学性质。

根据实施例，所公开的TPU组合物可进一步包括抗氧化剂。抗氧化剂可用于终止可能由于各种风化条件而发生的氧化反应，和/或可用于减少TPU组合物的降解。例如，由合成聚合物形成的制品在投入使用时可能与大气氧发生反应。此外，由合成聚合物形成的制品可能由于自由基链式反应而发生自氧化。氧源(例如，大气氧，单独或与自由基引发剂组合)可与包含在所公开的TPU组合物中的底物反应。这种反应可能损害TPU组合物及由其产生的制品的完整性。因此，包含抗氧化剂可以改善TPU组合物的化学稳定性，以及改善由其产生的制品的化学稳定性。

聚合物可能会响应于导致自由基引发的自氧化的紫外线的吸收而发生风化。这种自氧化可能导致氢过氧化物和羰基化合物的裂解。实施例TPU组合物可包括供氢抗氧化剂(AH)，例如受阻酚和仲芳族胺。此类AH添加剂可通过与有机底物竞争过氧自由基来抑制TPU组合物的氧化。这种对过氧自由基的竞争可以终止链反应，从而稳定或防止进一步的氧化反应。在所公开的TPU组合物中包含抗氧化剂可以抑制自由基的形成。除了AH是光稳定剂之外，AH还可以在包含在所公开的TPU组合物中时提供热稳定性。因此，某些实施例可包括增强暴露于紫外线和热的聚合物的稳定性的添加剂(例如AH)。因此，相对于由缺乏抗氧化剂的TPU组合物产生的制品，当在高温条件下应用时，由所公开的具有抗氧化剂的TPU组合物产生的制品可以耐风化并且具有改进的功能和/或寿命。

根据实施例，所公开的TPU组合物可进一步包括紫外线吸收剂。紫外线吸收剂通过可逆的分子内质子转移反应将吸收的紫外线辐射转化为热。在一些实施例中，紫外线吸收剂可吸收在相反情况下被TPU组合物吸收的紫外线辐射。所得的TPU组合物对紫外线射线的吸收减少可有助于减少紫外线辐射引起的TPU组合物的风化。非限制性示例紫外线吸收剂可包括用于聚酰胺的草酰替苯胺(oxanilide)、用于聚氯乙烯(PVC)的苯甲酮以及用于聚碳酸酯材料的苯并三唑和羟基苯基三嗪。在实施例中，2-(2’-羟基-3’-异丁基-5’-叔丁基苯基)苯并三唑可为聚碳酸酯、聚酯、聚缩醛、聚酰胺、TPU材料、苯乙烯基均聚物和共聚物提供紫外光稳定。根据各种实施例，这些和其他紫外线吸收剂可改善所公开的TPU组合物和由其产生的制品的稳定性。

TPU组合物可进一步包括抗臭氧剂，其可防止或减缓由空气中臭氧气体导致的TPU材料降解(即，可减少臭氧龟裂(ozone cracking))。抗臭氧剂的非限制性示例性实施例可以包括：对苯二胺，例如6PPP(N-(1,3-二甲基丁基)-N’-苯基对苯二胺)或IPPD(N-异丙基-N’-苯基-对苯二胺)；6-乙氧基-2,2,4-三甲基-1,2-二氢喹啉(ETMQ)、乙烯叉二脲(EDU)和石蜡，其可能形成表面屏障。根据各种实施例，这些和其他抗臭氧剂可改善所公开的TPU组合物以及由其产生的制品的稳定性。

根据实施例，可以如下制备示例混合物。起始材料可以选择为基于聚碳酸酯的热塑性聚氨酯。填充材料可以选择为小直径(如上所述)玻璃纤维，其含量为约3重量％至约10重量％。然后可以选择助流剂，使其含量包含在约0.1重量％至约5重量％之间。在本实施例中，助流剂可以是N,N’-1,2-乙二基双十八烷酰胺和硬脂酸的混合物。热稳定剂可以选择为季戊四醇四(3-(3,5-二叔丁基-4-羟基苯基)丙酸酯)，其含量为约0.1重量％至约5重量％。然后可以将上述热塑性混合物注射到散装热塑性棒中，然后制粒用于下游注塑成型。

方法

所公开的实施例提供了产生TPU组合物的方法和工艺。所公开的方法可以包括使包括醇(OH)和异氰酸酯(NCO)的预聚物单元反应(即，连接)以有效地“生长”和/或延伸聚合物链或主链。例如，在实施例中，TPU组合物可以通过使聚氨酯预聚物和固化剂反应来制备，通常在例如约50℃至约150℃，或约50℃到约100℃的温度下进行。在某些实施例中，也可以采用这些范围之外的温度。

所公开的TPU组合物可熔化并形成所需形状，例如通过注塑成型。所公开的方法可进一步包括后固化步骤，包括在约50℃至约200℃或约100℃至约150℃的温度下加热TPU材料，持续预定的时间段。例如，TPU材料可加热约1小时至约24小时。或者，各种方法可包括挤出步骤，其中可在约150℃至约270℃或约190℃或更高的温度下挤出后固化的TPU组合物，以使TPU组合物呈中间体形式。中间体形式可适用于下游加工以产生最终形式，例如基于TPU的筛分元件。

所公开的方法可以包括各种额外的处理操作。例如，所公开的方法或工艺可包括：使聚氨酯预聚物与固化剂反应(即聚合)；后固化聚氨酯；任选地研磨所述材料以产生粒状形式的后固化聚氨酯聚合物；挤出后固化的和/或任选造粒的聚氨酯聚合物；以及任选地将挤出的TPU造粒。

在一个实施例中，TPU组合物可通过如下工艺产生：将预聚物与固化剂在约50℃至约150℃的温度下混合形成聚合物。然后，该方法可包括在约50℃至约200℃的温度下加热聚合物约1至约24小时，以获得后固化聚合物。然后可任选地研磨后固化聚合物以产生粒状聚合物。可选地，该方法还可包括在约150℃或更高的温度下在挤出机中处理后固化聚合物或粒状聚合物，以产生TPU组合物。进一步的操作可任选地包括将TPU组合物制粒、将制粒的TPU组合物重新熔化以及将熔化的TPU组合物挤出。

所公开的方法可进一步包括产生含有任选添加剂的TPU组合物。在一个实施例中，任选的添加剂可以包括抗氧化剂(包括酚类、亚磷酸酯、硫代酯和/或胺)、抗臭氧剂、热稳定剂、惰性填料、润滑剂、抑制剂、水解稳定剂、光稳定剂、受阻胺光稳定剂、紫外线吸收剂(例如苯并三唑)、热稳定剂、防止变色的稳定剂、染料、颜料、无机和有机填料、有机硫化合物、热稳定剂、增强剂及其组合。

所公开的方法包括产生包含任选的添加剂的TPU组合物，所述任选的添加剂的量为通常对于每种相应添加剂的有效量。在各种实施例中，这些任选的额外添加剂可掺入用于制备TPU组合物的组分或反应混合物中。在其他实施例中，可以产生和任选地加工缺少任选添加剂的基础TPU组合物。任选的加工操作可以包括研磨TPU材料以产生粒状材料或者形成粉末状的基础TPU组合物材料，然后可以在进一步加工之前将可选的添加剂混合到该材料中。

在其他实施例中，可以混合、熔化和挤出包括基础TPU组合物和可选添加剂的粉末状混合物，以形成组合物。在其他实施例中，TPU组合物可通过反应性挤出工艺制备，其中将预聚物、固化剂和任何任选的添加剂直接进料到挤出机中，然后在升高的温度下混合、反应和挤出。在各种实施例中也可以采用这些配制操作的各种替代组合。

其他实施例可包括许多不同类型的聚合物添加剂。此类添加剂可包括酸清除剂、防结块剂、防雾剂、抗氧化剂/热稳定剂、发泡剂、相容剂/粘附促进剂、导电增强剂、阻燃剂、香料、抗冲击改性剂、光漫射剂、成核剂/澄清剂、光学增亮剂、颜料、增滑剂/润滑剂/脱模剂/加工助剂、紫外线保护剂/光稳定剂、填料、增强剂/偶联剂等。

如上所述，抗氧化剂/热稳定剂有助于防止通过氧化降解，尤其是在高温下。抗静电剂有助于消除静电。这种添加剂对于油田应用可能是有利的。发泡剂在聚合物内形成蜂窝状(泡沫)结构，其倾向于降低密度，增加隔热和隔音，并增加刚度。相容剂/粘附促进剂有助于在掺和聚合物之间形成更稳定的相形态。这种相容剂/粘附促进剂可用于将TPU与另一种类型的塑料掺和的实施例。如上所述，增滑剂/润滑剂/脱模剂/加工助剂有助于聚合物在加工过程中流入模具和从模具中释放。此类材料可包括可用于铸造氨基甲酸乙酯的含氟聚合物。如上所述，紫外线保护剂/光稳定剂有助于防止紫外线与TPU材料相互作用导致的光降解。如上所述，填料增强剂/偶联剂用于增强、硬化并提高TPU材料的加工性能。填料可包括玻璃纤维、芳香族聚酰胺纤维、碳纤维等。芳香族聚酰胺和碳纤维的使用可能影响材料的光学性能，因此，可能影响特定材料可用于激光焊接的程度。

制造制品

所公开的实施例包括装置、制品和使用TPU组合物产生的产品。非限制性示例性实施例可以包括涂层或粘合剂，和/或在铸造或挤出到模具中后固化时具有预定三维结构的制品。所公开的实施例提供了TPU组合物，其可表现出比基于例如天然和合成橡胶的其他材料显著更高的承载性能。

在各种实施例中，由所公开的TPU组合物产生的制品可以是耐热的。在这方面，尽管热塑性材料通常可以被重新熔化和改性，但由所公开的TPU组合物产生的制品可以在充分低于熔化温度的温度下表现出对由热应变引起的影响的耐性。例如，由所公开的TPU组合物产生的制品可以在与使用条件相对应的升高温度下保持其形状(即，它们可以表现出模量保持)，所述升高的温度包括在约170℃至约200℃范围内的温度。所公开的TPU组合物可以用于形成在升高的温度下可保持其结构、机械强度和整体性能的制品。

所公开的TPU组合物可在约160°F至约210°F的温度范围内表现出热稳定性。实施例TPU组合物还可在约170°F至约200°F的温度范围内表现热稳定性，而其他实施例可在约175°F至约195°F的温度范围内表现出稳定性。所公开的实施例还可提供可在约180°F的温度下表现出热稳定性的TPU组合物。在一个实施例中，聚合物组合物具有由ISO 306或ASTMD1525测得的维卡软化度(Vicat softening)高于220°F。

相对于已知的热塑性组合物，所公开的实施例包括具有良好机械性能的TPU组合物，所述机械性能通过切割/撕裂/磨损耐受性数据表征。在某些实施例中，改进的性能可以包括：更大的撕裂强度、在高温下更好的模量保持、低压缩永久变形(compression set)、随着时间的推移以及暴露于有害环境时改进的物理性能的保持。某些实施例提供了TPU组合物，其可以具有改进的特性的组合，例如优异的热稳定性、耐磨性和耐化学性(例如，耐油和油脂)。在某些实施例中，由所公开的TPU组合物产生的制品可以具有对石油、天然气、化学、采矿、汽车和其他工业非常需要的特性。

在一个示例性实施例中，可以将以球粒形式提供的示例性TPU组合物装入到注射压机的气缸中。一旦装入到气缸中，可将球粒加热一段时间，从而熔化TPU组合物材料。然后，注塑压机可以根据预定的注射速率将熔化的示例性TPU组合物材料挤出到模具型腔中。注射压机可适于包括专门的尖端和/或喷嘴，其配置为实现所需的注射输出。

可以控制或调整各种参数，以获得所需的结果。这些参数可以包括但不限于筒体温度、喷嘴温度、模具温度、注射压力、注射速度、注射时间、冷却温度和冷却时间。

在一种实施例方法中，注塑成型装置的筒体温度可选择在约148℃至约260℃、约176℃至233℃、204℃至232℃、约210℃至227℃以及约215℃至约235℃的范围内。注塑成型装置的喷嘴温度可选择在约204℃至约260℃、约218℃至约246℃、约234℃至约238℃以及约229℃至约235℃的范围内。

在一种实施例方法中，注塑成型装置的注射压力可选择在约10,000psi至约15,000psi的范围内。在进一步实施例中，注射压力可以高得多。在又一实施例中，注射压力为约30,000psi。注塑成型装置的注射速度可以选择在约1.0立方英寸/秒至约3.0立方英寸/秒、约1.5立方英寸/秒至约2.5立方英寸/秒、约1.75立方英寸/秒至约2.5立方英寸/秒和约2.1立方英寸/秒至约2.4立方英寸/秒的范围内。对于细网注射，速度为约5.0立方英寸/秒至约7.0英寸/秒、约5.5立方英寸/秒至约6.5立方英寸/秒、约5.0立方英寸/秒至约6.0立方英寸/秒。

在一种实施例方法中，注射时间可选择在约0.25秒至约3.00秒、约0.50秒至约2.50秒、约0.75秒至约2.00秒以及约1.00秒至约1.80秒的范围内。此外，可以修改注射时间，以包括其中暂停注射的特定时间段的“保持(hold)”。保持期可以是任何特定的时间。在示例性实施例中，保持时间可以在0.10秒至10.0分钟的范围内。在其他实施例中可以使用其他保持时间。

在一种实施例方法中，模具温度可选择在约37℃至约94℃、约43℃至约66℃以及约49℃至约60℃的范围内。冷却温度可逐渐降低，以控制所公开的TPU组合物的固化。温度可以在一段时间内从模具温度逐渐降低到环境温度。用于冷却的时间段可以选择为从秒到小时的几乎任何时间段。在一个实施例中，冷却时间段可以在约0.1至约10分钟的范围内。

以下方法描述了基于所公开的TPU组合物产生筛分元件的注塑成型工艺。如上所述，TPU组合物可形成为TPU球粒。可首先将TPU组合物材料注射到设计成产生筛分元件的模具中。然后可将TPU组合物加热至适合注塑成型的温度，从而熔化TPU材料。然后可将熔化的TPU材料装入到注塑成型机中。在一个实施例中，模具可以是双腔筛分元件模具。然后可以允许包含注入的熔化TPU材料的模具冷却。冷却后，TPU材料固化成由模具所限定的筛分元件形状。然后可以从模具中取出所得的筛分元件，以进行进一步加工。

本公开的实施例提供了具有实用尺寸和配置的注塑成型筛分元件，用于制造振动筛分组件并用于振动筛应用。在单个筛分元件的配置中考虑了几个重要的因素。筛分元件提供为：具有最佳尺寸(大到足以有效地组装完整的筛分组件结构，但小到足以注塑极小的结构形成筛分开口的模具(在某些实施例中为微模具)，同时避免冻结(即，在完全填充模具之前模具中的材料硬化))；具有最佳的开口筛分面积(形成开口和支撑开口的结构具有最小尺寸，以增加用于筛分的总开口面积，在某些实施例中同时保持将材料适当分离至指定标准所需的非常小的筛分开口)；具有耐久性和强度，可在各种温度范围内工作；耐化学性；结构稳定；在筛分组件制造过程中具有高度的通用性；并且可以针对特定应用以可定制的配置进行配置。

本公开的实施例提供了使用极其精确的注塑成型制造的筛分元件。筛分元件越大，组装一个完整的振动筛分组件就越容易。简单地说，要组装的部件越少，系统就越容易组装。然而，筛分元件越大，就越难以注塑成型极小的结构(即形成筛分开口的结构)。重要的是最小化形成筛分开口的结构的尺寸，以便最大化单个筛分元件上的筛分开口的数量，从而优化筛分元件的开口筛分面积，从而优化整个筛分组件。在某些实施例中，筛分元件提供为足够大(例如，1英寸乘1英寸、1英寸乘2英寸、2英寸乘3英寸、1英寸乘6英寸等)使其为能够实际组装完整筛分组件的筛分表面(例如，2英尺乘3英尺、3英尺乘4英尺等)。在微模塑极小的结构元件(例如，开口尺寸和结构元件小到43微米)时，相对“小尺寸”(例如，1英寸乘1英寸、1英寸乘2英寸、2英寸乘3英寸等)是相当大的。整个筛分元件的尺寸越大，形成筛分开口的单个结构元件的尺寸越小，注塑成型工艺就越容易出现错误(例如冻结)。因此，筛分元件的尺寸对于筛分组件的制造必须是实用的，同时足够小以消除例如在微模塑极小结构时冻结的问题。筛分元件的尺寸可根据注塑成型的材料、所需筛分开口的尺寸和所需的总开口筛分面积而变化。

在本发明的实施例中，热塑性材料用于注塑成型筛分元件。与热固性类型的聚合物(其通常包括在温度下发生化学反应并固化的液体材料)相比，热塑性材料的使用通常更简单，并且可以例如通过熔化均质材料(通常为固体球粒的形式)然后注塑成型熔化的材料来提供。不仅热塑性材料的物理性质对于振动筛分应用是最佳的，而且热塑性液体的使用提供了更容易的制造过程，特别是当如本文所述的微模塑零件时。在本发明中热塑性材料的使用提供了优异的挠曲和弯曲疲劳强度，并且对于承受间歇重载或恒定重载的部件是理想的，正如振动筛分机上使用的振动筛所遇到的那样。由于振动筛分机经历运动，热塑性注塑成型材料的低摩擦系数提供了最佳的磨损特性。事实上，某些热塑性材料的耐磨性优于许多金属。此外，本文所述的热塑性材料由于其韧性和伸长特性，在进行“卡扣配合(snap-fits)”时提供了最佳材料。在本发明的实施例中热塑性材料的使用还提供了对应力开裂、老化和极端风化的抵抗力。热塑性材料的热变形温度在200℉范围内。添加玻璃纤维后，热变形温度从约250℉增加到约300℉或更高，并且硬度(由弯曲模量(Flexural Modulus)测定)从约400,000PSI增加到超过约1,000,000PSI。对于在现场遇到的严苛条件下在振动筛分机上使用振动筛时所遇到的环境，所有这些特性都是理想的。

通过这种方式，筛分元件提供为：具有最佳尺寸(大到足以有效地组装完整的筛分组件结构，但小到足以注射模塑极小的结构形成筛分开口(在某些实施例中为微模具)，同时避免冻结(即，在完全填充模具之前，模具中的材料硬化))；具有最佳的开口筛分面积(形成开口和支撑开口的结构具有最小尺寸，以增加用于筛分的总开口面积，在某些实施例中同时保持将材料适当分离至指定标准所需的非常小的筛分开口)；具有耐久性和强度，可在各种温度范围内工作；耐化学性；结构稳定；在筛分组件制造过程中具有高度的通用性；并且可以针对特定应用以可定制的配置进行配置。

此外，筛分元件、次网格和筛分组件可以具有不同的形状和尺寸，只要提供次网格的结构支撑元件来支撑筛分元件的相应加强元件。筛、次网格和筛分组件设计用于承受高振动力(例如，3-9G范围内的加速度)、研磨材料(例如，具有百分之几至65％研磨固体的流体)和高载荷要求(例如，比重高达每加仑3磅的流体)。筛分组件还设计用于承受筛分组件边缘高达2000–3000lb的压缩载荷，例如，如在美国专利号7,578,394和9,027,760中所述，其中每一项的全部公开内容在此通过引用并入。此外，所公开的筛分组件被设计成使得筛分开口的尺寸在包括上述压缩载荷、高振动力和存在重流体的工作条件下保持。

合适的组合物的开发

上述实施例提供了以各种组分的范围表示的TPU组合物。通过改变TPU材料的组成和填料、助流剂和其他添加剂的百分比，获得改进的材料。使用基于各种组合物的注塑成型工艺产生筛分元件。将筛分元件连接到次网格结构上，并组装成用于现场测试应用的大面积筛分组件。

图4示出了根据所公开实施例的示例性筛分组件，其由上文参考图1至图3A所述的筛分元件和次网格结构生成。

图5示出了根据实施例的筛分组件的实际现场测试的结果。图5中所示的数据表示测试实施例筛分组件的结果，所述筛分组件用于筛分在延伸到至少约100,000英尺±5,000英尺的深度进行石油和天然气勘探期间产生的材料。表现最好的组合物BB的玻璃纤维(10μm直径)含量约为7％，而表现次佳的组合物BA的玻璃纤维(10μm直径)含量约为5％。每种组合物还具有约0.5％的助流剂含量和约1.5％的热稳定剂含量。筛分元件表面元件84(例如，参见图2)在所有测试中具有约0.014英寸的厚度T，其结果示于图5中。

在其他实施例中，筛分元件具有更小厚度的表面元件84，包括T＝0.007英寸、0.005英寸和0.03英寸。对于大的棒材厚度(例如0.014英寸)，可以添加更大量的玻璃填料；而对于中等厚度(即0.005英寸和0.007英寸)，需要更少量的填料来充分硬化结构，同时仍然允许容易的注塑成型。对于具有小棒材厚度(例如0.003英寸)的元件，需要少量的填料。对于这些实施例，使用如下表1所示的较低浓度的填料、助流剂和热稳定剂是有利的。

表1

	T＝0.014英寸	T＝0.007英寸	T＝0.005英寸	T＝0.003英寸
					填料	7％	5％	3％	2％
热稳定剂	1.5％	1.5％	1.13％	0.85％
					助流剂	0.5％	0.5％	0.38％	0.28％

随着特征尺寸的减小，采用更高的填料百分比可能是有利的，以使材料更好地填充模具中的所有空间。表2、3、4和5示出了填料百分比，对于表1中所示的四个T值中的每一个，发现填料百分比对于各种筛分开口宽度W是有利的。

表2示出了筛分开口厚度T＝0.014英寸时，填料百分比与筛分开口宽度W的函数关系。

表2

	W>0.0046in	0.0046in>W>0.0033in	W<0.0033in
				填料	0.0％	0.0％	0.0％

因此，对于T＝0.0014in，在上述范围内的所有W值都可以用原始材料(即，无填料)制造。

表3示出了筛分开口厚度T＝0.007英寸时，填料百分比与筛分开口宽度W的函数关系。

表3

	W>0.0046in	0.0046in>W>0.0033in	W<0.0033in
				填料	0.0％	2.5％或更大	5.0％或更大

表4示出了筛分开口厚度T＝0.005英寸时，填料百分比与筛分开口宽度W的函数关系。

表4

	W>0.0046in	0.0046in>W>0.0033in	W<0.0033in
				填料	0.0％	2.5％或更大	5.0％或更大

表5示出了筛分开口厚度T＝0.003英寸时，填料百分比与筛分开口宽度W的函数关系。

表5

	W>0.0046in	0.0046in>W>0.0033in	W<0.0033in
				填料	5.0％或更大	5.0％或更大	5.0％或更大

使用上述组合物产生长度L、宽度W和厚度T尺寸范围的各种筛分元件，如以下表6至表9所示。

表6示出了固定厚度T＝0.014in、固定长度L＝0.076in和可变宽度W的筛分元件示例实施例的开口面积百分比。

表6

筛目	W(in)	T(in)	L(in)	开口面积％
					80	0.0071	0.014	0.076	23.3
100	0.0059	0.014	0.076	20.3
					120	0.0049	0.014	0.076	17.6
140	0.0041	0.014	0.076	13.4
					170	0.0035	0.014	0.076	12.2
200	0.0029	0.014	0.076	10.3
					230	0.0025	0.014	0.076	9.1
270	0.0021	0.014	0.076	7.9
					325	0.0017	0.014	0.076	6.2

表7示出了固定厚度T＝0.007in、固定长度L＝0.046in和可变宽度W的筛分元件示例实施例的开口面积百分比。

表7

筛目	W(in)	T(in)	L(in)	开口面积％
					80	0.0071	0.007	0.046	27.3
100	0.0059	0.007	0.046	25.2
					120	0.0049	0.007	0.046	23.1
140	0.0041	0.007	0.046	20.5
					170	0.0035	0.007	0.046	18.5
200	0.0029	0.007	0.046	16.5
					230	0.0025	0.007	0.046	14.9
270	0.0021	0.007	0.046	12.8
					325	0.0017	0.007	0.046	10.1

表8示出了固定厚度T＝0.005in、固定长度L＝0.032in和可变宽度W的筛分元件示例实施例的开口面积百分比。

表8

筛目	W(in)	T(in)	L(in)	开口面积％
					80	0.0071	0.005	0.032	31.4
100	0.0059	0.005	0.032	29.3
					120	0.0049	0.005	0.032	27.0
140	0.0041	0.005	0.032	24.1
					170	0.0035	0.005	0.032	22.0
200	0.0029	0.005	0.032	19.7
					230	0.0025	0.005	0.032	16.4
270	0.0021	0.005	0.032	14.7
					325	0.0017	0.005	0.032	12.1

表9示出了固定厚度T＝0.003in、固定长度L＝0.028in和可变宽度W的筛分元件示例实施例的开口面积百分比。

表9

筛目	W(in)	T(in)	L(in)	开口面积％
					80	0.0071	0.003	0.028	32.2
100	0.0059	0.003	0.028	30.1
					120	0.0049	0.003	0.028	27.8
140	0.0041	0.003	0.028	25.2
					170	0.0035	0.003	0.028	23.1
200	0.0029	0.003	0.028	20.1
					230	0.0025	0.003	0.028	17.2
270	0.0021	0.003	0.028	15.3
					325	0.0017	0.003	0.028	13.2

上述实施例涉及基于筛分开口尺寸T、L和W改变填料百分比。在其他实施例中，可以改变纤维长度和直径，以确定长度和直径作为T、L和W的函数的最佳值。

在一些实施例中，填充材料的存在可能会影响材料随时间推移的耐久性。在某些实施例中，较大百分比的填料会导致材料的较短寿命。以这种方式，对于给定的应用，在材料特性与填充材料浓度之间可能存在折衷方案。例如，增加填充材料的百分比可增强材料，有助于避免材料收缩，并可使材料不易粘到模具上。然而，必须权衡机械性能的改善与由于填料百分比较大而导致材料寿命缩短的可能性。

此外，增加填充材料的百分比可能会改变材料的光学性能，这可能会影响材料用于激光焊接的适用性。除了填充材料的百分比，填充材料的选择也可能影响材料的光学性能。例如，相对于使用玻璃纤维的材料，使用碳纤维可导致更大的光吸收。此外，光吸收通常取决于频率/波长。在这方面，与较亮的材料(例如，具有玻璃纤维的材料)相比，较暗的材料(如，具有碳纤维的材料)可能需要使用更长波长的激光辐射进行激光焊接。

可提供不含填料、额外的热稳定剂和/或助流剂的其他组合物。此外，所得组合物的硬度和其他性能可通过适当混合具有不同硬度值和其他性能的各种材料来控制。例如，可以提供一种组合物，其包括具有第一硬度的第一热塑性聚氨酯和具有第二硬度的第二热塑性聚氨酯的混合物。在一个示例性实施例中，第一热塑性聚氨酯和第二热塑性聚氨酯可以各自包括改性酯，并且第一热塑性聚氨酯和第二热塑性聚氨酯可以被选择为具有不同的硬度值。例如，第一热塑性聚氨酯的硬度可以为约59肖氏D硬度计，而第二热塑性聚氨酯的厚度可以为约95肖氏A硬度计。以这种方式，可以产生具有第一热塑性聚氨酯和第二热塑性聚氨酯的混合物的组合物，该组合物的硬度在约95肖氏A硬度计至59肖氏D硬度计的范围内。

例如，其他组合物的硬度可在约48至53肖氏D硬度计的范围，或硬度可在约54至58肖氏D硬度计的范围。根据混合物中材料的硬度值和这种材料的相对比例，其他实施例可以具有各种硬度值。例如，可以提供具有第一聚氨酯和第二聚氨酯的50/50的混合物的组合物，或者可以根据所得材料的所需性质具有任何合适的第一聚氨酯和第二聚氨酯的比例。

每种第一热塑性聚氨酯和第二热塑性聚氨酯可通过以下工艺获得：将游离聚异氰酸酯单体含量小于1重量％的氨基甲酸乙酯预聚物与固化剂反应，然后在150℃或更高温度下通过挤出加工所得材料。所得组合物可适用于孔径在约35微米至约150微米范围内的制品的注塑成型。这种制品可以包括具有在约10％至约35％范围内的开口筛分面积的筛分元件。

上文提及的氨基甲酸乙酯预聚物可由聚异氰酸酯单体和多元醇制备，所述多元醇包括烷烃二醇、聚醚多元醇、聚酯多元醇、聚己内酯多元醇和/或聚碳酸酯多元醇，并且所述固化剂包括二醇、三醇、四醇、亚烷基多元醇、聚醚多元醇、聚酯多元醇、聚己内酯多元醇、聚碳酸酯多元醇、二胺或二胺衍生物。

所公开的制造筛分元件的方法可包括生成具有热塑性聚氨酯的组合物，并使用生成的组合物注塑成型筛分元件。筛分元件可以注塑成型，以具有尺寸在约35微米至约150微米范围内的开口，并且具有在约10％至约35％的范围内的筛分元件的开口筛分面积。

在该方法中，可通过在大于约150℃的温度下使具有第一硬度的第一热塑性聚氨酯与具有第二硬度的第二热塑性聚氨酯反应来生成组合物。可选择第一聚氨酯和第二聚氨酯，使其各自包含改性酯并具有特定的硬度值。例如，第一热塑性聚氨酯可以具有约59肖氏D硬度计的硬度，而第二热塑性聚氨酯可以具有约95肖氏A硬度计的硬度。以这种方式，可以产生具有第一热塑性聚氨酯和第二热塑性聚氨酯的混合物的组合物，该组合物的硬度在约95肖氏A硬度计至59肖氏D硬度计的范围内。

在各种实施例中，所得筛分元件可具有形状近似为矩形、正方形、圆形或椭圆形的开口。在其他实施例中，筛分元件可以具有开口，所述开口是具有长度L和宽度W的细长槽，由具有厚度T的表面元件隔开，如上文参考图2和参考表6至表9所述。表面元件的厚度T例如可以在约0.003英寸至0.020英寸的范围内，或者厚度T可以为约0.014英寸、0.007英寸、0.005英寸、0.003英寸等。例如，在一些实施例中，表面元件的宽度W可以在约0.0015英寸至约0.0059英寸的范围内，并且在进一步实施例中，细长槽的长宽比L/W可以为从约1:1至约30:1的范围内的值。筛分元件的其他几何参数可以改变，如下面参考图6A至图8C和表10所述，并且可以开发出相应的合适的组合物，该组合物具有适合于待注塑制品的特定几何形状的特性。

图6A至图6C示出了根据实施例的包括具有圆角的筛分开口的筛分元件600的各种视图。根据实施例，图6A示出了筛分元件600的俯视图，图6B示出了图6A的筛分元件600的侧视图604。根据实施例，在图6C中的分解图606中示出了图6A的筛分元件600的一小部分602。如图6C所示，每个筛分开口608包括圆角。筛分开口608的圆角用于减少通常在尖角附近形成的局部应力集中，例如在其他实施例中筛分开口的拐角。

例如，在某些其他实施例中，尖角可能会在筛分表面元件和筛分元件壁的交叉点附近产生增加的应力集中系数。这些应力集中系数可能导致板过早失效。当表面元件脱离筛分元件的壁时，可能发生共同的故障点。为了延长筛寿命，如图所示，在图6A至图6C的实施例中，向每个锐边添加了圆角(fillet)以产生圆角。这种添加的圆角的存在减少了几何不连续性，并导致棒与壁连接处的局部应力场的强度降低。额外的优势包括通过允许材料在填充过程中通过的更宽的路径，提高了注塑成型的容易性。尖角的减少也有助于减少注塑成型过程中的材料剪切，否则这可能成为材料过早退化的原因。具有圆角的实施例的优势可能被包括由圆角引起的略微减小的开口面积的缺点所抵消。由于存在圆角，槽宽度减小，也可能会增加堵塞(blinding)。

根据实施例，图7A至7D示出了筛分孔可以具有不同取向的实施例。图7A示出了根据实施例的包括横向对齐的筛分开口的筛分元件700的俯视图。图7B示出了根据实施例的图7A的筛分元件700的一部分的分解俯视图，其示出了横向对齐的筛分开口的细节。图7C示出了根据实施例的包括纵向对齐的筛分开口的筛分元件702的俯视图，图7D示出了图7C的筛分元件的一部分的分解俯视图，其示出了纵向对齐的筛分开口的细节。

图8A至图8C示出了若干实施例的表面元件84(例如，参见图2)的横截面图。每个表面元件84含有具有厚度T的顶部平坦表面802。虽然图2示出了具有表面元件84的筛分元件的俯视图，但图8A至图8C中的每一个示出了在图2的平面中从右向左看的方向所观察的单个表面元件84。因此，图8A至图8C中的每一个中的从底向上的方向对应于垂直于图2的筛分元件表面的方向。图8A至图8C中的表面元件分别具有0.007英寸、0.005英寸和0.005英寸的厚度T。表面元件84可以具有延伸到表面中的各种几何形状(即，在图8A至图8C中向下)。图8A至图8A中的每一个中的表面元件84具有锥形形状，尽管在其它实施例中表面元件84可以具有许多其它形状。

图8A和图8B中的表面元件84均具有锥形形状，具有相对于垂直方向(即，图8A、图8B和图8C中的上下方向)倾斜一定角度的平坦侧表面804。在这方面，图8A中的表面804以大约15度的角度806相对，而图8B中的表面806以大约12度的角度804相对。在图8A和图8B的几何形状中，表面元件84侧边缘804的表面厚度T和角度806确定表面元件84进入表面的深度808。在该示例中，图8A的表面元件84延伸至大约0.015英寸的深度808，而图8B的表面元件84延伸至大约0.009英寸的深度808。图8A和图8B中的表面元件84的底部边缘810可以具有各种几何形状。在该示例中，图8A和图8B的表面元件84各自具有以曲率半径为特征的圆形形状。图8A和图8B中的表面元件84的曲率半径约为0.0018英寸。

图8C示出了具有不同于图8A和图8B的几何形状的表面元件。在这方面，图8C中的表面元件84的侧边缘可以具有双锥形设计。图8C中的表面元件84的侧边缘的第一部分812可以第一角度814相对，而图8C的表面元件84的侧边缘第二部分816可以与第二角度818相对。例如，第一部分812可以大约15度的角度814相对，并延伸到大约0.004英寸的深度820。类似地，第二部分816可以大约4度的角度相对，并延伸到大约0.008英寸的深度822。在该示例中，第一部分812和第二部分816一起延伸到大约0.012英寸的深度824。与图8A和图8B的表面元件84一样，图8C的表面元件84可以具有以曲率半径为特征的圆形底部边缘810。在该示例中，图8C的表面元件84的底部边缘810具有大约0.0018英寸的曲率半径。

图8B和图8C的比较表明，图8C的表面元件84延伸的深度(即，大约0.012英寸)大于图8B的表面元件84的深度(即，延伸到大约0.008英寸)。图8C的表面元件84的更大深度可允许图8C中的表面元件84具有比图8B中的表面元件84有更大的强度。第二部分816的宽度小于第一部分812的宽度。因此，具有图8C的双锥形形状的相邻表面元件84相对于图8B的表面元件84允许相邻表面元件84之间有更大的空间。因此，由于图8C的相邻表面元件84之间的额外空间，具有如图8C所示配置的表面元件84的筛分元件可以比具有图8B的表面元件84的筛分元件更坚固，并且可能更不容易堵塞(即，图2的筛分开口86的堵塞)。

在某些筛分应用中，调整或改变附接到次网格上的筛分元件的数量和位置可能是有利的。如上文参考图3和图3A所述，筛分元件416可以附接到次网格414。例如，筛分元件416可通过激光焊接附接到次网格414。在这方面，熔接棒476和478可以与筛分元件416的相应的型腔472(例如，参见图1B和图1C)接合。然后可以使用激光辐射的施加来熔化熔接棒476，从而在筛分元件416和次网格414之间形成结合。在一些实施例中，熔化所有的熔接棒476，从而在筛分元件416和次网格414之间形成紧密连接，这可能是有利的。在其他实施例中，仅激光焊接熔接棒476的子集(sub-set)，从而在筛分元件416和次网格414之间形成不太紧密的连接，这可能是有利的。熔接棒476未激光焊接到次网格414的点允许筛分元件416相对于次网格414运动，如下文更详细描述的。

图9示出了根据实施例的筛分元件和框架组件900的俯视图，其具有可以被激光焊接到下面的次网格的各个区域901至920。如上所述，激光焊接所有区域901至920导致筛分元件900和次网格之间的强结合。这种完全焊接的配置使得筛分元件900和下面的次网格之间几乎没有相对运动。在进一步的配置中，一些可能的激光焊接位置(即，区域901至920中的一些)可以保持未焊接，以允许筛分元件900和下面的次网格之间的相对运动。

在第一个示例应用中，在需要进行筛分操作以脱水高固体浆料的情况下，需要将筛分元件完全结合到次网格上。在这种应用中，需要确保筛完全且牢固地连接到支撑次网格。在这方面，筛分元件900可以围绕筛分元件的周边和穿过筛分元件的中间激光焊接到下面的次网格上，包括激光焊接所有区域901至920。这种配置将允许组件(筛和次网格)作为刚性单元与振动筛分机的振动运动一致地移动。这在高流速和高加速度(即高G力)下脱水重固体时尤其有用。这种固体必须沿着筛分表面快速移动。这有时在高G力或在筛分表面的大幅度运动时发生。在这种情况下，与振动筛分机不同步的次网格和筛分表面的任何相对运动都可能导致固体输送的减少，进而导致通过筛的材料流的减少。

在其他情况下，可能需要有一个没有完全激光焊接到下层的次网格上的筛分元件。这样，在操作期间，筛分元件和次网格之间的相对运动(即，二阶运动)可能是有益的。例如，在干法筛分或过筛应用(即，摩擦筛分)中，筛分元件或表面相对于次网格的二阶运动或振动可有助于筛的去堵塞(de-blinding)(即，去除在某些情况下可能会卡在筛分开口中的颗粒)。可以施加轻微的垂直冲击或力，以去除过渡保留在锥形筛分开口中的颗粒。例如，这种情况可能在正方形或开槽的筛分开口中发生。

对于这种类型的应用，通过结合(例如，通过激光焊接)区域905、906、907、901、909、910、912、913、915、916、917和920，同时保留区域902、903、904、908、911、914、918和919未结合，在筛分元件和框架组件900(例如，参见图9)中产生部分结合的筛分元件，这可能是有益的。这种配置将允许筛分元件表面的垂直移动，并且将有助于由于筛分元件900和次网格的表面之间的碰撞而将过渡保留的颗粒从筛分元件开口中去除。

图10示出了根据实施例的部分结合到次网格1000的筛分元件900的振动幅度剖面图。在该示例中，筛分元件900结合到次网格1000，以允许仅在垂直于次网格1000的表面的一个方向上移动。在此配置中，筛分元件900相对于次网格1000的振动运动在垂直于次网格1000表面的方向上发生，使得振幅在第一位置1002a和第二位置1002b处具有最大值，如图10所示。此外，筛分元件900被结合成在第一位置1004a、第二位置1004b和第三位置1004c处具有零振幅的相对运动，使得筛分元件900在这些位置处与次网格1000刚性地移动。在该示例中，垂直运动导致筛分元件900在向上冲程时离开次网格1000，并在向下冲程时撞击次网格1000。如上所述，这种运动在干法筛分应用中可能有用，以帮助去堵塞。

除了筛分元件900与次网格1000的结合配置(例如，参见图9和图10)之外，次网格1000中的材料特性可能会影响筛900和次网格的相对运动。例如，根据厚度和用于构建次网格1000的材料类型，次网格1000可以配置为或多或少具有刚性。这样，对于在筛分元件900紧密结合到次网格1000的应用中，可能需要具有更刚性的次网格1000。或者，在其他应用中，具有较小刚性的次网格1000以允许次网格1000和部分结合的筛分元件900之间的更多相对运动，这可能是有利的。此外，由于次网格材料对于具有更大/更小韧性的材料吸收更多/更少振动能量的相对趋势，次网格材料的韧性可能影响筛分元件900和次网格1000的相对运动。

除了次网格的机械性能外，筛分元件的机械性能也可以根据给定实施例的需要而变化。例如，如上所述，可基于组合物选择用于生成筛分元件的材料的硬度。对于需要将筛分元件紧密地固定到次网格以防止筛分元件的相对运动的应用，可能需要更硬的材料。相比之下，较软的材料可能更适合于筛分元件部分固定到次网格的应用，从而允许筛分元件和次网格之间的相对运动(例如，参见图10)。这样，相对于较硬的材料，较软的材料可以允许增加筛分元件和次网格之间的相对振动运动。

如上所述，所得组合物的硬度和其他性质可通过适当混合具有不同硬度值和其他性质的各种材料来控制。例如，可以提供一种组合物，其包括具有第一硬度的第一热塑性聚氨酯和具有第二硬度的第二热塑性聚氨酯的混合物。例如，第一热塑性聚氨酯可以具有约59肖氏D硬度计的硬度，而第二热塑性聚氨酯可以具有约95肖氏A硬度计的硬度。以这种方式，可以产生具有第一热塑性聚氨酯和第二热塑性聚氨酯的混合物的组合物，该组合物的硬度在约95肖氏A硬度计至59肖氏D硬度计的范围内。根据混合物中材料的硬度值和这种材料的相对比例，其他实施例可以具有各种硬度值。例如，如上所述，其它组合物可具有约48至53肖氏D硬度计范围内的硬度，或可具有约54至58肖氏D硬度计范围内的硬度。

前面描述了示例实施例。然而，这些示例实施例不应被解释为限制性的。在这方面，可以对其进行各种修改和改变，而不偏离其更广泛的精神和范围。因此，说明书和附图应视为说明性的，而非限制性的。本公开的实施例的广度和范围不应受到任何上述示例性实施例的限制，而应仅根据以下权利要求及其等同物来定义。

条件语言，如“能够”、“可能”、“可以”或“可”，除非另有明确说明，或在所使用的上下文中以其他方式理解，通常旨在传达某些实施可能包括，而其他实施不包括某些特征、元件和/或操作。因此，这种条件语言通常不旨在意指一个或多个实施以任何方式需要的特征、元件和/或操作，或一个或多个实施必须包含用于决策的逻辑，伴有或不伴有用户输入或提示，无论这些特性、元件和/或操作是否包含在任何特定的实施中，或是否要在其中执行。

Claims (36)

1.一种筛分元件，其包括：

包含热塑性聚氨酯和改性酯的组合物，

其中所述筛分元件是单个注塑成型件，其包括尺寸在约35μm至约150μm范围内的开口，以及

其中所述筛分元件具有总筛分面积的约10％至约35％的开口筛分面积。

2.根据权利要求1所述的筛分元件，其中，当牢固地连接到次网格结构时，所述筛分元件在最高达约10G的振动加速度和最高达约94℃的温度下承受约1500lbs.至约3000lbs.的施加压缩力。

3.根据权利要求1所述的筛分元件，其中所述筛分元件是微模塑的。

4.根据权利要求1所述的筛分元件，其中改性聚酯包括具有侧链的聚酯，所述侧链已被改性以增加耐水解性。

5.根据权利要求1所述的筛分元件，其中所述改性酯包括改性的聚酯热塑性聚氨酯。

6.根据权利要求1所述的筛分元件，其中所述热塑性聚氨酯包括所述改性酯。

7.根据权利要求6所述的筛分元件，其中所述热塑性聚氨酯包括甲苯二异氰酸酯(TDI)改性的聚酯聚氨酯。

8.根据权利要求1所述的筛分元件，其中所述组合物具有约90肖氏A硬度计至约59肖氏D硬度计的硬度。

9.根据权利要求1所述的筛分元件，其中所述热塑性聚氨酯包括聚碳酸酯热塑性聚氨酯。

10.根据权利要求9所述的筛分元件，其中所述改性酯包括改性的聚酯聚氨酯。

11.根据权利要求1所述的筛分元件，其中，所述开口具有近似矩形、正方形、圆形或椭圆形的形状。

12.根据权利要求1所述的筛分元件，其中，所述开口是细长槽，所述细长槽沿着第一方向具有基本上均匀的长度L，并且沿着第二方向具有基本上均匀的宽度W，由沿着所述第二方向的具有厚度T的表面元件隔开。

13.根据权利要求12所述的筛分元件，其中所述表面元件的厚度T在约0.003英寸至0.020英寸的范围内。

14.根据权利要求12所述的筛分元件，其中所述表面元件的宽度W在约0.0015英寸至约0.0059英寸的范围内。

15.根据权利要求12所述的筛分元件，其中，所述细长槽的长宽比L/W具有在约1:1至约30:1范围内的值。

16.根据权利要求12所述的筛分元件，其中：

表面元件具有约0.014英寸的厚度T。

17.根据权利要求16所述的筛分元件，其中所述筛分元件具有在总筛分面积的约10％至约15％范围内的开口筛分面积。

18.根据权利要求1所述的筛分元件，其中所述筛分元件的开口筛分面积为总筛分面积的约10％至约15％。

19.根据权利要求1所述的筛分元件，其中所述筛分元件的开口筛分面积为总筛分面积的约16％至约35％。

20.根据权利要求12所述的筛分元件，其中：

所述表面元件具有约0.007英寸的厚度T。

21.根据权利要求12所述的筛分元件，其中：

所述表面元件具有约0.005英寸的厚度T。

22.根据权利要求12所述的筛分元件，其中：

所述表面元件具有约0.003英寸的厚度T。

23.根据权利要求1所述的筛分元件，其中所述筛分元件具有在总筛分面积的约30％至约35％范围内的开口筛分面积。

24.根据权利要求1所述的筛分元件，其中所述热塑性聚氨酯通过以下工艺获得，其中将游离聚异氰酸酯单体含量小于1重量％的聚氨酯预聚物与固化剂反应，然后在150℃或更高的温度下通过挤出加工。

25.根据权利要求24所述的筛分元件，其中所述氨基甲酸乙酯预聚物由聚异氰酸酯单体和多元醇制备，其中所述多元醇包括烷烃二醇、聚醚多元醇、聚酯多元醇、聚己内酯多元醇和/或聚碳酸酯多元醇，并且所述固化剂包括二醇、三醇、四醇、亚烷基多元醇、聚醚多元醇、聚酯多元醇、聚己内酯多元醇、聚碳酸酯多元醇、二胺或二胺衍生物。

26.根据权利要求1所述的筛分元件，其中所述组合物具有约48至约53肖氏D硬度计的硬度。

27.根据权利要求1所述的筛分元件，其中所述组合物具有约54至约58肖氏D硬度计的硬度。

28.一种筛，其包括组合的多个单件注塑成型筛分元件；

每个筛分元件包括包含热塑性聚氨酯和改性酯的组合物，

其中所述筛包括尺寸在约35μm至约150μm范围内的开口，并且具有总筛分面积的约10％至约35％的开口筛分面积；以及

所述开口在单件筛分元件的微模塑期间产生。

29.根据权利要求28所述的筛，其中所述筛在最高达约10G的振动加速度和最高达约94℃的温度下承受约1500lbs.至约3000lbs.的施加压缩力。

30.根据权利要求28所述的筛，其中所述开口筛分面积为所述总筛分面积的约30％至约35％。

31.根据权利要求28所述的筛，其中所述开口的尺寸范围为约43μm至约100μm。

32.一种振动筛分机，其包括筛，所述筛具有筛分表面并由组合的多个单件注塑成型筛分元件形成；

每个筛分元件包括包含热塑性聚氨酯和改性酯的组合物，

其中所述筛包括尺寸在约35μm至约150μm范围内的开口，并且具有总筛分面积的约10％至约35％的开口筛分面积；以及

所述开口在单件筛分元件的微模塑期间产生。

33.根据权利要求32所述的振动筛分机，其中所述筛在基本上垂直于所述筛分表面的方向上振动。

34.一种分离材料的方法，包括以下步骤：

提供配备有筛的振动筛分装置；

在所述筛上放置要分离的材料；以及

激发所述筛以将材料分离到所需的水平；

所述筛包括组合的多个单件注塑成型筛分元件；

每个筛分元件包括包含热塑性聚氨酯和改性酯的组合物；

其中所述筛包括尺寸在约35μm至约150μm范围内的开口，并且具有总筛分面积的约10％至约35％的开口筛分面积；以及

所述开口在单件筛分元件的微模塑期间产生。

35.根据权利要求34所述的方法，其中所述振动筛分装置以约3G至约10G的振动加速度激发所述筛。

36.根据权利要求34所述的方法，其中所述方法用于石油工业、天然气/石油分离、采矿和水净化工业中的至少一种。

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