JP2018516283A - バリスティック法によるエラストマー成型パーツの作製のためのシリコーン組成物 - Google Patents

バリスティック法によるエラストマー成型パーツの作製のためのシリコーン組成物 Download PDF

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Abstract

本発明は架橋性シリコーンゴム組成物に関するものであり、本発明の特性により、バリスティック付加法(3D圧力)によるエラストマー成型体の作製が可能になる。

Description

本発明は架橋性シリコーン組成物に関し、本発明の特性により、バリスティック(ballistic)付加法(3D印刷)によるエラストマー成形体の作製が可能になる。
架橋性シリコーンゴム組成物から始めてエラストマー成型体を作製するのには数多くの方法が利用可能である。シリコーンゴム組成物の架橋の一貫性および機構によれば、成型体は、例えば射出成形、圧縮成形、押出し法、カレンダー加工、流し込みなどによって作製され得る。これらの慣用的な方法に共通することは、形成される成型体の特性(硬度、引裂き抵抗、伸長性、着色など)が、架橋性シリコーンゴム組成物の物理的組成によって本質的に固定されることであり、これは、これらの方法では典型的には、機械的、光学的および電気的特性の点において実質的に等方性のシリコーン成型体がもたらされることを意味する。このようにして形成されるシリコーンパーツの形状は、特定のモールド(インジェクションモールド、プレス成形用モールド、キャスティングモールド)の使用(モールド内で架橋を行わせる。)または押出しダイ、カレンダー加工ロールなどのいずれかによって固定される。
しかしながら、慣用的な加工方法は、より複雑な幾何構造体、異なる材料組成および/または可変的特性プロフィールのシリコーン成型体が必要とされる場合、次第に限界に直面するようになってきている。生活物品の個別化および個々の調整に対する一般的なトレンドにより、さらに、より少ないアイテム数(例えば、プロトタイプ、個々に適合させた人工補綴など)、迅速な入手可能性の必要性および新製品シリーズに簡単に切り換えられることが求められてきており、これは、慣用的な方法がもはや効率的でないことを意味する。
成型体の作製のための次第に重要になってきている方法は付加製造法(3D印刷方法)であり、これは、層の自動付加による成型体の構築という共通の要素を有する数多くの異なる手法を含む(A.Gebhardt,Generative Fertigungsverfahren[Additive Manufacturing Methods],Carl Hanser Verlag,Munich 2013)。付加製造法では、慣用的な加工方法の前述の欠点を回避することが可能になるだけでなく、成型物品の根本的に新しい設計も可能になる。
レイヤーバイレイヤー付加による成型体の構築は、適用された架橋性材料の層を位置選択的な様式で架橋させることによって行われ得る。位置選択的な架橋は、例えばUVまたはIRレーザーによって行われ得る。また、位置選択的な架橋は、架橋を開始させる薬剤(例えば、触媒)を噴射、吐出、噴霧などによって厳密な位置に適用することによってももたらされ得る(WO2015/059502A1にシリコーンエラストマーパーツの作製について記載のとおり)。位置選択的な架橋とは、層内において、後に成型物品を形成する材料のみを架橋させることを意味する;未架橋の材料は最終的に除去され、場合により再利用され得る。しかしながら、レイヤーバイレイヤー付加による成型体の構築はまた、架橋性材料を位置選択的な様式で(例えば、プリントヘッドによって個々の液滴の形態で)、即ち、形成される成形体の一部である部位のみに適用することによっても行われ得る。このようにして適用される層は一般的に、連続的ではないが、所望の成形体の断面を直接、反映する。位置選択的な様式で適用された材料は続いて架橋され(例えば、全面照射によって)、次の層が位置選択的な様式で適用される、などである。印刷されるパーツの形状によって必要とされる場合(例えば、突き出した構造体、空洞などの場合)、架橋性シリコーン材料に加えて適当な支持材を適用することが可能であり、該支持材は、印刷操作が終了した後に、再度、取り除かれ得る。架橋性材料の位置選択的な適用は、例えば、液滴の不連続的な(離散的)吐出(いわゆるバリスティック法)または細い液柱の連続的な定量供給によって行われ得る。原理的には、吐出は、定量供給と比べて、より微細な構造細部およびより複雑な構造体の印刷が可能である。定量供給の利点は、単位時間あたりに、より多くの量の材料を適用することが可能であるということである。また、定量供給では、高粘度材料の適用も同様に可能であり、このため、3Dプリンターにジェットノズル(1つまたは複数)に加えて1つ、または適切な場合は1つより多くの定量供給ノズルも設置することによってこの2つの手法を併用することが好都合であり得る。このように、例えば、成形体のフィリグリー部分はジェットノズルによって形成し、成形体の大容積部分は定量供給によって印刷することが可能である。吐出および定量供給によって求められる印刷対象の材料に対するレオロジーに関する要件に関しては、吐出の方が、有意に要件が多いことがわかっている。
WO2015/107333A1には、混合ノズルからの架橋性シリコーンゴム組成物の(連続)押出しによるシリコーンエラストマーからの人工補綴の作製のための3D印刷方法が記載されている。この3D印刷は場合により、印刷されるシリコーンゴム組成物の支持材としての機能を果たす熱可塑性材料の押出しのための第2の混合ノズルによって補助される。シリコーンゴム組成物の架橋は、室温での白金触媒性付加反応(ヒドロシリル化)によって行われる。この方法の不都合点は、細かい細部の印刷のための超小型のシリコーンゴム組成物の空間的に厳密なポジショニングがなされ得ないことである。さらに、これらの2種類のゴム成分の混合後は、架橋の接合点に影響を与えることは、もはや可能でなくなり、この不都合点の1つは、印刷操作の過程で、非常に異なる架橋度を有するシリコーンゴム組成物領域同士が接触するに至ること(ゴム組成物の加工時間が印刷時間より短い場合)、または印刷された構造体が自立しないこと(印刷時間より長い加工時間)である。
付加製造法の具体的な一実施形態は、バリスティック法のものであって、プリントヘッドの補助を伴って個々の液滴(ボクセル)の形態での架橋性組成物の位置選択的な適用を特色とするものである(吐出;インクジェット印刷)。適用された組成物は続いて、例えば電磁放射線によって架橋され得、これにより成型体の薄層が形成される。このレイヤーバイレイヤー式の積層操作を、完全な成形体が形成されるまで繰り返す。
バリスティック法(吐出)の場合、連続式インクジェット(CIJ)印刷とドロップオンデマンド(rop−n−emand)(DOD)インクジェット印刷は基本的に区別される。どちらの方法も、10μmから数百μmまでの直径を有する液滴が生成され得る。
CIJ法では、液滴は、高圧下でのノズルからの材料の押出しおよび生じた液体ジェットの個々の液滴へのレイリー不安定性の結果としての崩壊によって連続的な流れで生成される。静電気的に帯電された液滴は電気的偏光板により、作業面(素地)上の正確な位置に到達するか、または(印刷されない場合は)戻り流路内に到達して流路内を通って送られて再利用され得るかのいずれかとなるように指向される。印刷材料のこのリサイクリングは、架橋性シリコーンゴム組成物の場合、汚染のリスクとともに、最初の段階での架橋によりレオロジー特性が大きく改変されるという深刻な危険性を有し、従って実現不可能である。
対照的に、DOD法では、液滴は、必要とされる場合にだけ生成され、これらはすべて、ポジショニングロボットがジェットノズルをx,y,z方向に厳密にポジショニングするか、または作業面が相応してx,y,z方向に移動するかのいずれかで、成型体の形成のための位置選択的な様式で堆積される;原理的には、両方のオプションを同時に実行することもできる。
DE102011012412A1およびDE102011012480A1には、少なくとも2個、好ましくは50から200個のプリントヘッドノズルを有するプリントヘッド配置(これにより、異なる感光性を有する、場合により複数の種類の光架橋性材料の位置選択的な適用が可能になる。)を有する、3D構造体の段階的作製のための装置および方法が記載されており、この場合、該光架橋性材料はその後、位置選択的な様式で電磁放射線により、特に、レーザーの焦点領域内での二光子法または多光子法によって固められ得る。インクジェット印刷によって光架橋性材料を適用するには、光架橋性材料の粘度に対して特定の要件が必要とされる。例えば、光架橋性材料は、200mPa.s未満、特に80mPa.s未満、より好ましくは40mPa.s未満の粘度を特色とするものである。二光子重合または多光子重合によって適用した材料の充分な架橋を行うためには、レーザー波長に適合した光開始剤および光架橋性基を含む高分子架橋剤成分が必要とされ、ここで、該光架橋性基は、アクリレート、メタクリレート、アクリルアミド、メタクリルアミド、ウレタンアクリレート、ウレタンメタクリレート、尿素アクリレートおよび尿素メタクリレートの類型に属するものである。しかしながら、記載の方法は、シリコーンエラストマーからなる成型体の作製には不適当である。第1に、使用される光開始剤、光増感剤、共開始剤などは、(無極性)シリコーン組成物中において少ししか溶解性を有しておらず、これにより曇り、ミクロ相分離および不均一性がもたらされる。よく知られているように、上記の光架橋性基で官能性付与されたシリコーンのフリーラジカル硬化は、酸素によって引き起こされる阻害という問題を有し、これにより架橋速度がかなり低下し、表面が粘着性になる。この効果を、例えば、アクリレート基の官能性密度を上げることによって相殺した場合、結果は非弾性で脆性の加硫物となる。最後に、多光子重合(特に、光重合性基の官能性密度が低い結果)に必要とされ、フェムト秒パルスレーザーによって生成する極めて高い局所光子密度により、シリコーン内で崩壊反応(炭化)が引き起こされ、これにより、材料に対して許容できない変色およびダメージがもたらされる。
DOD法では、形成される成形体の構造細部の解像度は、特に、吐出される液滴(ボクセル)のサイズと、該液滴の空間的に厳密な適用とに依存する。一般に、より小さな液滴により、より細かい構造細部を作製することが可能である。しかしながら、プリントヘッドが液滴を生成させる周波数は限られているため、より小さい液滴の使用は、長い成型体作製時間を不可避的にもたらし、このため、個々の場合で寸法精度と作製時間との折り合いをつけなければならない。しかしながら、液滴のサイズは、プリントヘッドの適切な設計に応じて広い範囲内でさまざまであり得、かなりの度合いで架橋性組成物のレオロジー特性に依存する。一般的にこれは、低粘度組成物では、高周波数での小液滴の吐出が可能であるが、高粘度組成物では、現在利用可能なプリントヘッドがすぐに限界に達してしまうということである。
DOD法をより詳細に検討すると、満足な印刷(即ち、寸法が厳密なエラストマーパーツ)は、プリントヘッドの技術的パラメータが、印刷される材料の特性、特にレオロジー特性と適合性である場合でのみ得られることが示される。プリントヘッドの必須の技術的パラメータは、材料貯蔵部とノズルの排出口との圧力差、ノズル直径および液滴の全量がノズルから出る時間(吐出時間)である。有用なプリントヘッドとしては、特に、(サーマル)バブルジェット(登録商標)式およびピエゾ式のプリントヘッドが挙げられ、特に好ましいのはピエゾ式のプリントヘッドであり、これは、エラストマーパーツの印刷のために高粘度材料も吐出することができる。このようなものは市販されている(例えば、「NORDSON CORP./USA」および「VERMES MICRODISPENSING GMBH/Germany」製のプリントヘッド)。このようなピエゾ式のプリントヘッドはキロバール範囲での加圧積層が可能であり、これは、plからnl範囲の液体量を1から100μs以内で50から500μmの直径を有するノズルから1から100m/秒の速度で排出できることを意味する。この操作を数百Hzまでの周波数で繰り返す(これは典型的なサイズ範囲であり、個々の場合でかなり異なり得る。)。印刷バルブのこれらの技術的パラメータと同様に、印刷される材料のレオロジー特性もまた、非常に重要であることがわかっている。印刷バルブの製造業者が約200万mPa.sまでの加工可能粘度(低剪断速度で)を指定した場合であっても、かかる高粘度の材料は一般的に、極めて剪断減粘特性の場合でしか吐出され得ない。剪断減粘特性は、剪断速度の増大に伴って材料の粘度が低下することを意味する。ピエゾ式のプリントヘッドでの吐出の場合ではノズル内で10から10−1の並外れて高い剪断速度が生じるため、吐出中に、剪断減粘特性によって数桁の劇的な粘度の低下がもたらされ得、この結果として、吐出が実際に可能になっているにすぎない。高粘度材料の剪断減粘特性が低すぎる場合、ピエゾ式印刷バルブのエネルギーは、材料をノズルから押し出すには不充分であり、プリントヘッドが詰まる。材料はノズルから完成された液滴として排出されない;それでも液滴形成過程は進行することを重視することが重要である。材料はノズルから、最初は層流ジェットの形態で排出され、ヘッド末端で楕円型増粘性が急速に形成される(メイン液滴のため)が、これは、細くなった材料の液柱によってノズルの排出口に結合したままになる。続いて、種々のシナリオが考えられ得る。材料の液柱がノズルの排出口で離脱状態になり、続いて、メイン液滴と結合した場合、結果は単一の液滴となり、この速度は、この弾性結合過程のために、かなり遅くなる。対照的に、材料の液柱がノズルの排出口とメイン液滴の両方において離脱状態になった場合、弾性収縮によって第2の液滴(サテライト)の形成がもたらされ得る。サテライト液滴とメイン液滴は次々に素地表面(作業面)に衝突し得るが、飛翔相においてもなお結合し、単一の液滴が得られ得る。しかしながら、離脱状態になった材料の液柱もまた、多くの箇所で細くなり得、最終的に多くのサテライト液滴が形成され得、これらはすべて、続いて飛翔相において素地に衝突し得るか、またはなおメイン液滴と結合し得る。後者を可能にするためには、作業面からノズルの排出口までの特定の最低限の間隔が必要である。他方、厳密な位置への液滴のポジショニングは、飛翔時間の増大により悪影響を受け、従って実際には、ノズルと素地間の最適な間隔を見出すことが必要であり、これは典型的には数ミリメートルの範囲である。
材料の液柱がノズルの排出口で即座に離脱状態にならない場合(これは、かなりの度合いで、ノズルの材質と印刷材料間に存在する界面張力によって決定される。)、ノズルの排出口に残留している材料の液柱部分は収縮し、ノズル詰まりが生じ、これはプリントヘッドの故障をもたらす。さらに、プリントヘッドをx,y面にポジショニングする移動ロボットがx,y面を連続的に(即ち、個々の点(x,y)で停止せずに)横移動することを考慮すると、サテライトの形成により不可避的に、はっきりしない印刷がもたらされることは理解できよう。これは、印刷ノズルが、材料の液柱がノズルの排出口で離脱状態になるときまでに既に、次の(x,y)点の方向にさらに移動してしまっているためである(移動ユニットの典型的な速度は0.1から1m/秒である。)。作業面に高速で衝突する液滴も同様に、異なる様式の挙動を示し得る。これは変形し、例えば、球体断片様、球体様またはドーナツ様の形状になり得、この場合、この形状の通常では円形の足跡は、液滴の外方への広がりの結果、ノズルまたは液滴よりも大きな直径を有する。また、液滴は、衝突時に王冠様の形状を形成する場合があり得、次いでこれは即座に、非常に小さな液滴を半径方向に飛散させる。この飛散によっても、きれいでない印刷がもたらされる。ポジショニングされた液滴は、ノズル内の極めて高剪断速度のため、低速緩和の結果、依然として非常に低い粘度を有し、さらに有意に外方に広がり得る。他方、降伏点の存在下での高い出発粘度への過度に急速な緩和は、充分なレベリングが欠如した粗い表面を有するとんがり帽子のような液滴形状をもたらし得る。液滴の剪断増粘レオロジー特性でさえ、衝突した液滴の反発をもたらすことがあり得る。当業者には、上記のことから、プリントヘッドの技術的パラメータと印刷材料のレオロジー特性および界面特性との厳密なマッチングによってのみ、高品質の成型物品の作製が可能であることが自明であろう。シリコーンゴム組成物から始めてバリスティック3D印刷方法によって成型体を作製する場合、さらに複雑な幾つかの境界条件がある。良好な機械的特性(破断伸び、伸長性、引裂き伝播抵抗など)を有するシリコーンエラストマーの作製は、a)充分に長いシリコーンポリマー(即ち、充分に高い重合度または分子量を有する。)を使用した場合、およびb)活性な強化性フィラー(ヒュームドシリカまたは沈降シリカ、カーボンブラックなど)を組成物中に同時に存在させた場合でのみ可能である。これらはどちらも不可避的に、比較的高粘度を有するシリコーンゴム組成物をもたらし、これは、吐出の際のきれいな液滴形成の障害となる。用語「比較的高粘度」は本明細書において、1000から300000mPa.s(各場合において、25℃および0.5秒−1の剪断速度で、本説明に開示したηMP1の測定のためのレオロジー試験法による。)の粘度範囲を意味していると理解されたい。この種の粘度は、インクジェット法によって典型的に加工可能な材料(アクリレートなど)の粘度と比べて非常に高い。対照的に、この粘度範囲は、シリコーンゴム組成物においては、比較的低粘度から中粘度とみなされる。高粘度シリコーンゴム組成物は典型的には、約300000mPa.sから10kPa.s(各場合において、25℃および0.5秒−1の剪断速度で、本説明に開示したηMP1の測定のためのレオロジー試験法による。)の粘度を有するものである。粘度が高くなると、ノズルの排出口の材料の液柱の急速な離脱がより困難になり、これは、メイン液滴が、材料の液柱によって比較的長時間、ノズルに付着したままであることを意味するが、プリントヘッドは不変に前方に移動する。第2に、吐出の際での離散的な液滴の急速な形成のためには、材料の最大表面張力が必要である。表面張力は常に、形状の表面積の最小限化をもたらし、これは、球体形状になろうとしていることを意味し、例えば、サテライト形成および飛散が抑制され得る。しかしながら、シリコーンの表面張力は、エラストマー類の中で最も低い(さらに低い表面張力は、完全フッ素化炭化水素のみが有する。)。水性印刷インクは約70mN/mの高い表面張力を有するが、後者はシリコーンベースの印刷材料の場合、わずか約20から25mN/mである。粘度および表面張力に関するこのような不都合点のため、シリコーンゴム組成物からのDOD吐出法によるエラストマー成形体の作製は、これまでは実現不可能であると考えられていた。実際、この考えは、数多くの科学刊行物によっても裏付けられている。吐出される材料および印刷バルブを加工性に非常に重要な特性、即ち、ノズル直径、押出し速度、液滴の速度、液滴の体積、密度、表面張力および方法の剪断速度における粘度によって特性評価した場合、吐出の際に生じる慣性力、粘性力、表面張力、流動特性、摩擦力などの相互作用を示す無次元量の特性パラメータを定義することが可能である。このようなパラメータとしては、例えば、レイノルズ数、オーネゾルゲ数、ウェーバー数およびZ数が挙げられる。これらの数値を使用し、吐出(サテライトの形成、飛散、詰まりなどのない。)が可能なはずであるパラメータ範囲を推断することが可能である(例えば、Brian Derby,Inkjet Printing of Functional and Structural Materials:Fluid Property Requirements,Feature Stability,and Resolution,Annu.Rev.Mater.Res.2010.40:395−414参照)。シリコーンゴム組成物の典型的な特性をこのような方程式に当てはめると、プリントヘッドの技術的パラメータの選択に関係なく、これからは、適正な吐出に必要なパラメータ範囲が得られず、DOD 3D印刷の要件を満たさないシリコーンゴム組成物の吐出が可能であるはずがないことが示唆される。
従って、本発明の目的は、バリスティック付加方法(3D印刷)における使用のための加工特性および加工時間に対する要件を満たし、従って、エラストマー成形体の高品質な工業的生産が可能であるシリコーンゴム組成物を提供することである。
広範な試験において、驚くべきことに、この目的が本発明のシリコーンゴム組成物によって達成されることがわかった。これは、該組成物が、並外れたレオロジー特性および界面特性を有し、従って、バリスティックDOD法(吐出)による3D印刷によってエラストマー成型体の作製が可能なためであり、該組成物を用いて、成型体が工業(即ち、市販可能)品質で生産される。
国際公開第2015/059502号 国際公開第2015/107333号 独国特許出願公開第102011012412号明細書 独国特許出願公開第102011012480号明細書
A.Gebhardt,Generative Fertigungsverfahren[Additive Manufacturing Methods],Carl Hanser Verlag,Munich 2013 Brian Derby,Inkjet Printing of Functional and Structural Materials:Fluid Property Requirements,Feature Stability,and Resolution,Annu.Rev.Mater.Res.2010.40:395−414
本発明のシリコーンゴム組成物
バリスティック付加DOD法によるシリコーン成型体の3D印刷のための本発明のシリコーンゴム組成物は:
(A)50%から95%(重量基準)の、1分子あたり少なくとも2個の不飽和脂肪族基を有する少なくとも1種類の有機ケイ素化合物、
(B)1%から10%(重量基準)の、1分子あたり少なくとも2個のSiH基を有する少なくとも1種類の有機ケイ素化合物、
または、(A)+(B)の代わりに、もしくは(A)と(B)に加えて、
(G)0%から95%(重量基準)の、1分子あたり少なくとも2個の不飽和脂肪族基と少なくとも2個のSiH基を有する少なくとも1種類の有機ケイ素化合物、
(C)シリコーンゴム組成物全体に対して金属の含有量ベースで0.1から500ppm(重量基準)の少なくとも1種類のヒドロシリル化触媒、
(F)0%から30%(重量基準)の、(D)および(E)以外の助剤、
ならびに
(D)1%から50%(重量基準)の、少なくとも1種類の活性強化材を、
(E)0.01%から2%(重量基準)の、極性基を含むものであり、(E1)、(E2)および(E3)ならびにこれらの混合物
(E1)エポキシ基官能性化合物、
(E2)(ポリ)エーテル基官能性化合物、
(E3)(ポリ)エステル基官能性化合物、
ここで、該エポキシおよびエーテルおよびエステル基はまた、単一の分子内に存在していてもよい、
から選択されるレオロジー剤との併用で
含むものであって、
該シリコーンゴム組成物の緩和時間τが以下の範囲内:
0秒<τ≦10秒
であり、
ここで、τは、式(III):
η(t)=ηmax+(η−ηmax)*EXP(−t/τ) (III)
により計算され、
式中
−η(t)は時間tにおける粘度であり、
−ηmaxは、剪断を止めた後、所与の時間内に得られた最大粘度を表し、
−ηは、高剪断の直後に(即ち、時間t=0において)測定された粘度であり、
−EXPは指数関数を意味する、
ただし、
成分(E)を除くすべての成分を含むシリコーンゴム組成物の粘度ηMP1は300000mPa.sより大きくないものとし、
ここで、該緩和時間τおよび該粘度ηMP1を求めるための粘度の測定は、本明細書に開示したレオロジー試験法によって行われることを特徴とする。
ηMP1は、好ましくは少なくとも1000mPa.s、特に、少なくとも10000mPa.s、さらにより好ましくは少なくとも50000mPa.sであって;最大300000mPa.s、特に、最大250000mPa.s、最も好ましくは最大200000mPa.sである。
本発明のシリコーンゴム組成物の成分(A)は、少なくとも2個の脂肪族炭素−炭素多重結合を有する有機ケイ素化合物、好ましくは、式(I):
SiO(4−a−b)/2 (I)
の単位で構成された線状または分枝のポリオルガノシロキサンであり、
式中
Rは同じであっても異なっていてもよく、脂肪族炭素−炭素多重結合がなく、場合によりハロゲンで置換されており、また場合により酸素、窒素、イオウまたはリン原子を含むものであるC−C20原子団であり、
は同じであっても異なっていてもよく、脂肪族炭素−炭素多重結合を有する場合により置換されている一価の有機原子団であり、
aは0、1、2または3であり、
bは0、1または2である、
ただし、a+b<4および1分子あたり少なくとも2個のR原子団が存在しているものとする。
R原子団は一価の原子団を含むものであっても多価の原子団を含むものであってもよく、この場合、該多価の原子団、例えば、二価、三価および四価の原子団は、複数の、例えば、2、3または4個の式(I)のシロキシ単位を互いに連結するものである。
好ましくは、R原子団は、ケイ素に炭素原子または酸素原子を介して結合されている。SiC結合R原子団の例は、アルキル原子団(例えば、メチル、エチル、オクチルおよびオクタデシル原子団)、シクロアルキル原子団(例えば、シクロペンチル、シクロヘキシルおよびメチルシクロヘキシル原子団)、アリール原子団(例えば、フェニルおよびナフチル原子団)、アルカリル原子団(例えば、トリルおよびキシリル原子団)ならびにアラルキル原子団(例えば、ベンジルおよびβ−フェニルエチル原子団)である。置換R原子団の例は、3,3,3−トリフルオロ−n−プロピル、p−クロロフェニル、クロロメチル、グリシドキシプロピルならびに−(CH−(OCHCH−OCH(ここで、nおよびmは、0から10までの同一または異なる整数である。)である。SiO結合R原子団の例は、アルコキシ基(例えば、メトキシ、エトキシ、イソ−プロポキシおよびtert−ブトキシ原子団)ならびにp−ニトロフェノキシ原子団である。
原子団は、SiH官能性化合物との付加反応(ヒドロシリル化)に適した任意の所望の基であり得る。R原子団は好ましくは、2から16個の炭素原子を有するアルケニルおよびアルキニル基、例えば、ビニル、アリル、メタリル、1−プロペニル、5−ヘキセニル、エチニル、ブタジエニル、ヘキサジエニル、ウンデセニル、シクロペンテニル、シクロペンタジエニル、ノルボルネニルおよびスチリル原子団を含むものであり、特に好ましいのはビニル、アリルおよびヘキセニル原子団である。R原子団が置換不飽和脂肪族基を含むものである場合、好ましい置換基はハロゲン原子、シアノ基およびアルコキシ基である。置換R原子団の例は、アリルオキシプロピルおよびイソプロペニルオキシ原子団である。
好ましいのは、成分(A)として、10から500000mPa.s、より好ましくは100から50000mPa.sの粘度を有するビニル官能性の本質的に線状のポリジオルガノシロキサンの使用である。成分(A)は、上記の型の異なる有機ケイ素化合物の混合物であってもよい。
本発明のシリコーンゴム組成物中における成分(A)の含有量は、50%から95%(重量基準)、好ましくは70%から90%(重量基準)、より好ましくは65%から80%(重量基準)である。
成分(B)は、平均で少なくとも2個のSiH基を有する任意のSiH官能性有機ケイ素化合物である。成分(B)はシリコーンゴム組成物の架橋剤としての機能を果たす。また、成分(B)は、種々のSiH官能性有機ケイ素化合物の混合物であってもよい。好ましくは、成分(B)は、Si結合水素原子を有し、式(II)
SiO(4−c−d)/2 (II)
の単位で構成された線状、環状、分枝または樹脂状のポリオルガノシロキサンであり、
式中
Rは同じであっても異なっていてもよく、上記に示した規定を有するものであり、
cは0、1、2または3であり、
dは0、1または2である、
ただし、(c+d)の合計は3を超えず、1分子あたり平均で少なくとも2個のSi結合水素原子が存在しているものとする。
好ましくは、成分(B)は、オルガノポリシロキサン(B)の総重量に対して0.04から1.7重量パーセント(重量%)の範囲のSi結合水素を含有している。成分(B)の分子量は広い範囲でさまざまであり得、例えば10から10g/molであり得る。例えば、成分(B)は、比較的低分子量のSiH官能性オリゴシロキサン、例えばテトラメチルジシロキサンであり得るが、鎖内もしくは末端位置にSiH基を有する高分子ポリジメチルシロキサンまたはSiH基を有するシリコーン樹脂であってもよい。好ましいのは、10から1000mPa.s(25℃および0.8秒−1において)の粘度を有する低分子量のSiH官能性化合物、例えば、テトラキス(ジメチル−シロキシ)シランおよびテトラメチルシクロテトラシロキサン、SiH含有シロキサン、例えば、ポリ(ハイドロジェンメチル)シロキサンおよびポリ(ジメチルハイドロジェンメチル)シロキサンの使用である。好ましいのは、成分(A)と適合性(均一に混和性または少なくとも乳化性)である成分(B)である。従って、成分(A)の型に応じて成分(B)を、例えば、一部のメチル基を3,3,3−トリフルオロプロピルまたはフェニル基で置き換えることにより適切に替えることが必要な場合があり得る。
成分(B)は単独で使用しても、少なくとも2種類の異なる(B)の混合物の形態で使用してもよく、好ましくは本発明のシリコーンゴム組成物中に、不飽和脂肪族基に対するSiH基のモル比が0.1から20、好ましくは0.5から5、より好ましくは1から3となるような量で存在させる。本発明のシリコーンゴム組成物中における成分(B)の含有量は0.1から15%(重量基準)、好ましくは0.5%から10%(重量基準)、より好ましくは2%から5%(重量基準)である。
成分(G)は(A)+(B)の代わりに、または(A)と(B)に加えて使用され得る。従って、本発明の付加−架橋性組成物において、以下の組み合わせ:(A)+(B)または(A)+(G)または(B)+(G)または(A)+(B)+(G)または(G)単独が可能である。(G)は、1分子あたり少なくとも2個の不飽和脂肪族基と少なくとも2個のSiH基を有する有機ケイ素化合物であり、従って自己架橋することができる。化合物(G)は先行技術により当業者に一般的に知られている。化合物(G)が使用される場合、これは好ましくは、一般式
SiO(4−k)/2(VI)、R SiO(3−m)/2(VII)およびR HSiO(3−o)/2(VIII)
の単位で構成されたものであり、
式中
は、脂肪族炭素−炭素多重結合がなく、また原子団1つあたり1から18個の炭素原子を有する場合により置換されている一価のヒドロカルビル原子団であり、
は、末端脂肪族炭素−炭素多重結合を有し、原子団1つあたり2から8個の炭素原子を有する一価のヒドロカルビル原子団であり、
kは0、1、2または3であり、
mは0、1または2であり、
oは0、1または2である、
ただし、(G)において、平均で少なくとも2個のR原子団が存在していると同時に、平均で少なくとも2個のSi結合水素原子が存在しているものとする。
単独の化合物(G)または少なくとも2種類の化合物(G)の混合物を使用することが可能である。本発明のシリコーンゴム組成物中における成分(G)の含有量は0%から95%(重量基準)、好ましくは0%から50%(重量基準)、より好ましくは0%から10%(重量基準)である。
成分(C)は、成分(A)の不飽和脂肪族基と成分(B)または(G)のケイ素結合水素原子との付加反応(ヒドロシリル化)の触媒としての機能を果たす。原理的には、シリコーンゴム組成物の付加−架橋に典型的に使用される任意のヒドロシリル化触媒を使用することが可能である。脂肪族多重結合上へのSi結合水素の付加を促進させる触媒(C)は、例えば、白金、ロジウム、ルテニウム、パラジウム、オスミウムもしくはイリジウム、有機金属化合物またはこれらの組み合わせである。かかる触媒(C)の例は、金属の微粉砕白金(これは、支持体上、例えば、二酸化ケイ素、酸化アルミニウムまたは活性炭上に存在させてもよい。)、白金の化合物または錯体、例えば、白金ハロゲン化物、例えば、PtCl、HPtCl・6HO、NaPtCl・4HO、白金アセチルアセトナートおよび前記化合物の錯体(マトリックスまたはコア/シェル様構造体内に封入)、白金−オレフィン錯体、白金−ホスファイト錯体、白金−アルコール錯体、白金−アルコキシド錯体、白金−エーテル錯体、白金−アルデヒド錯体、白金−ケトン錯体、例えば、HPtCl・6HOとシクロヘキサノンの反応生成物、白金−ビニルシロキサン錯体、例えば、ある含有量の検出可能な無機的結合ハロゲンを有する、または有しない白金−1,3−ジビニル−1,1,3,3−テトラメチルジシロキサン錯体、ビス(γ−ピコリン)−白金ジクロリド、トリメチレンジピリジン白金ジクロリド、ジシクロペンタジエン白金ジクロリド、ジメチルスルホキシド−エチレン白金(II)ジクロリド、シクロオクタジエン白金ジクロリド、ノルボルナジエン白金ジクロリド、γ−ピコリン−白金ジクロリド、シクロペンタジエン白金ジクロリド、ならびに白金テトラクロリドとオレフィンおよび第1級アミンまたは第2級アミンまたは第1級アミン/第2級アミンとの反応生成物、例えば、sec−ブチルアミンを含む1−オクテンに溶解させた白金テトラクロリドの反応生成物またはアンモニウム−白金錯体、トリメチルシクロペンタジエニル白金(IV)、トリメチル[(3−トリメトキシシリル)プロピルシクロペンタジエニル]白金(IV)である。
列挙したヒドロシリル化触媒は、一般的に、室温であってもシリコーンゴム組成物の急速架橋を可能にするものである。ヒドロシリル化反応は、すべての成分を混合した直後に起こるため、付加−架橋性組成物は通常、少なくとも2種類の構成要素の形態で配合され、ここで、構成要素Aは白金触媒(C)を含むものであり、別の構成要素Bは架橋剤(B)または(G)を含むものである。この2種類の成分の混合後であっても充分な加工時間を有するようにするため、架橋反応の開始を遅延させる抑制剤が通常、添加される。次いで、熱の供給によって急速架橋をもたらすことができる。しかしながら、3D印刷方法における付加−架橋性組成物の使用のためには、好ましいのは、熱的手段ではほとんど活性化され得ないが高エネルギー放射線(UV、UV−VIS)によって非常に容易に活性化され得るヒドロシリル化触媒であり、堆積されたシリコーンゴム組成物が、熱的開始ではなく好ましくはUVまたはUV−VIS線放射による開始により架橋されることを意味する。これは、例えば、活性化性ヒドロシリル化触媒または追加的に存在させる失活性抑制剤(F)のいずれかによって行われる。熱的架橋と比較すると、UV誘導性架橋またはUV−VIS誘導性架橋は数多くの利点を有する。第1に、UV放射線の強度、作用期間および作用部位を正確に判断できるとともに、液滴状態で堆積されたシリコーンゴム組成物の加熱(およびその後の冷却)が常に、比較的低い熱伝導性のおかげで遅滞される。シリコーンの内因的に非常に高い熱膨張係数のため、熱的架橋の過程で不可避的に存在する温度勾配によって機械的ストレスがもたらされ、これは、形成される成型体の寸法精度に対して有害な効果を有し、極端な場合では許容できない形状の歪みがもたらされることもあり得る。UV/VIS誘導性付加架橋のさらなる利点は、シリコーンエラストマーと同様に熱可塑性物質を含むものである多成分系成型体、例えば、硬軟複合材料の作製においてみられ、熱による反りが回避される。
UV/VIS誘導性付加−架橋性シリコーンゴム組成物は当業者に漠然と知られており、例えば、DE102008000156A1、DE102008043316A1、DE102009002231A1、DE102009027486A1、DE102010043149A1およびWO2009/027133A2に記載されている。架橋は、感光性ヒドロシリル化触媒(C)(好ましいのは白金錯体である。)のUV/VIS誘導性活性化によって起こる。技術文献には、光以外にはおおむね不活性であり、250から500nmの波長を有する光の照射によって室温で活性な白金触媒に変換され得る数多くの光活性化性白金触媒が記載されている。このようなものの例は(η−ジオレフィン)(σ−アリール)白金錯体(EP0122008A1;EP0561919B1)、Pt(II)−β−ジケトネート錯体(EP0398701B1)および(η−シクロペンタジエニル)トリ(σ−アルキル)白金(IV)錯体(EP0146307B1、EP0358452B1、EP0561893B1)である。特に好ましいのは、MeCpPtMeならびにこれから白金上に存在する基を置換することによって誘導される錯体(例えば、EP1050538B1およびEP1803728B1に記載のようなもの)である。
UV誘導性様式またはUV−VIS誘導性様式で架橋する組成物は、単一成分形態で配合しても多成分形態で配合してもよい。
UV/VIS誘導性付加架橋の速度は、数多くの要素、特に、白金触媒の性質および濃度、UV/VIS線放射の強度、波長および作用時間、シリコーンゴム組成物の透明度、反射率、層厚および組成、ならびに温度に依存する。UV/VIS誘導性付加−架橋性シリコーンゴム組成物の活性化には、波長が240から500nm、好ましくは300から450nm、より好ましくは350から400nmの光が使用される。急速架橋(これは、室温で20分未満、好ましくは10分未満、より好ましくは1分未満の架橋時間を意味すると理解されたい。)を達成するためには、10mW/cmから15000mW/cmの出力のUV/VIS線源および150mJ/cmから20000mJ/cm、好ましくは500mJ/cmから10000mJ/cmの放射線量を使用することが得策である。これらの出力および線量の値の範囲内で、最大2000s/cmから最低8ms/cmの単位面積あたりの照射時間を得ることが可能である。また、2種類以上の放射線源、例えば異なる放射線源を使用することも可能である。
ヒドロシリル化触媒は好ましくは、充分に急速架橋が室温で可能であるような触媒的に充分な量で使用するのがよい。典型的には、シリコーンゴム組成物全体に対して金属の含有量ベースで0.1から500ppm(重量基準)の触媒が使用され、好ましくは0.5から200ppm(重量基準)、より好ましくは1から50ppm(重量基準)である。また、異なるヒドロシリル化触媒の混合物を使用することも可能である。
成分(D)
用語「活性強化材」または同意語の「強化材」は、本発明との関連において、(活性な)強化性フィラーを意味していると理解されたい。(不活性な)非強化性フィラーと比べ、活性な強化性フィラーは、これが使用されるエラストマーの機械的特性を改善する。不活性フィラーは、対照的に、増量剤としての機能を果たし、エラストマーを希釈する。用語「活性強化材」、「活性な強化性フィラー」、「強化材」および「強化性フィラー」は、本発明との関連において同義的に用いている。
成分(D)は、充分な機械的強度のシリコーンエラストマーを得るために必要である。機械的強度は、エラストマーに典型的な特性全体、特に、硬度、破断伸び、引裂き抵抗および引裂き伝播抵抗を意味していると理解されたい。この点に関する魅力的な特性を得るためには、活性強化材の添加が不可欠である。このようなものとしては、特に、
(D1)50から1000m/g(DIN 66131およびDIN 66132のBET法により測定)の高い比表面積を有する微粉砕された粒状物質、例えば、ヒュームドシリカまたは沈降シリカ、二酸化チタン、酸化アルミニウム、沈降シリカ、エーロゲルおよびカーボンブラック、
(D2)ナノ粒子(例えば、SiO、TiO、剥離型シート状シリケート、カーボンナノチューブなど)
が挙げられる。
好ましいのは、強化性フィラーとして(D1)を使用することである。特に活性な好ましい強化剤(D1)はヒュームドシリカ(例えば、酸水素炎中でのケイ素−ハロゲン化合物の反応によって作製)または沈降シリカである。
ヒュームドシリカは、表面上に存在するシラノール基(−SiOH)のため親水性である。しかしながら、シリコーンゴム組成物において疎水性シリカを使用することが、過度な粘度の上昇なく転相なくより高いフィラー含有量(従ってより良好な機械的特性)を得るために通例であり、好ましい。さらに、シリコーン成分とシリカの混合は、疎水性の性質によって有意に助長される。シリカの疎水化(これは、主にシリル化によって行われる。)は当業者に知られており、例えば、公開公報EP686676B1、EP1433749A1およびDE102013226494A1に記載されている。シリカ表面の疎水化(シリル化)の結果、典型的には1.8から2.5個のSiOH/nmから1.8未満から0.9個未満のシラノール基/nmまでのシラノール基密度の低下がみられる(G.W.Sears,Anal.Chem.1956,28,1981に記載の酸塩基滴定によって測定)。同時に、0.4%から15%(重量基準)までの炭素のシリカの炭素含有量の増大(元素分析によって測定)がみられ、重量は疎水性シリカに対するものである。
強化剤(D2)の使用は可能であるが、工業規模では実現不可能であるため好ましくない。シリコーン同士の分子間相互作用が非常に小さいため、真のナノ粒子状シリコーンゴム組成物の作製は非常に困難であることがわかっている。通常、ナノ粒子の急速な再凝集がみられるか、またはシリコーン内においてシート状シリケートの剥離もしくはインターカレーションがみられない。
また、複数の異なる強化剤(D)を使用することも可能である。架橋性シリコーンゴム組成物全体に対する強化剤(D)の含有量は、1%から50%(重量基準)、好ましくは5%から30%(重量基準)、より好ましくは10%から25%(重量基準)である。
本発明のシリコーンゴム組成物の成分(E)はレオロジー剤であり、これは剪断減粘特性およびチキソトロピー特性を調整する機能を果たす。剪断減粘特性は、本明細書において、剪断速度の増大に伴う粘度の低下を意味すると理解されたい。チキソトロピー特性は粘度回復のレベルおよび速度であり、この特性により、材料は、剪断を止めた後、元の状態の粘度に戻ろうとする。剪断減粘性構造粘性特性は、特に、剪断力の結果としての材料の構造の少なくとも一部可逆性の変化によってもたらされる。例えば、物理的な粒子同士の網目は剪断力によって破壊され得、この結果、この網目内に既に固定されていたポリマーが自由流動性となり、材料の粘度が低下する。静置時、この網目はしばしば、再度、元に戻り得る(チキソトロピー特性)。
高品質の印刷のため、成分(E)は、シリコーンゴム組成物のバリスティック堆積において極めて重要である。成分(E)は、堆積された液滴の粘度の充分に急速な増大をもたらし、従って、過度な広がりおよび飛び散りを抑制する。さらに、成分(E)は降伏点をもたらし、この結果、堆積されたシリコーンゴム組成物は充分なグリーン強度を獲得し、これにより細かい構造細部の印刷が可能になり、ある程度まで、支持構造体へのさらなる堆積を省くことが可能になる。
本発明のシリコーンゴム組成物のベースとなる本発明外の(E)無含有シリコーンゴム組成物に成分(E)を添加すると、材料の静置時粘度ηMP1の相当な上昇がもたらされ、このため、本発明のシリコーンゴム組成物は300000mPa.sより充分に上、場合によっては1kPa.sより上(本明細書に開示したレオロジー試験法によって測定)の粘度を有するものになる。この相当な粘度上昇にもかかわらず、成分(E)を含む本発明のシリコーンゴム組成物は、なんら問題なく吐出され得、きれいな印刷がもたらされ得る。前者は(E)の剪断減粘効果の結果であり、後者は(E)による吐出液滴の緩和時間の短縮の結果である。
レオロジー剤(E)の有効性は成分(D)の存在と連携している。成分(D)は、成分(E)がなくても、既にある程度の剪断減粘特性とチキソトロピー特性をもたらし得るが、シリコーンゴム組成物の吐出および空間的に厳密な堆積に必要とされる充分な程度の剪断減粘性とチキソトロピーがもたらされるのは(E)と併用したときだけである。シリコーンゴム組成物中に分散された(粒状)成分(D)がシリコーン成分(A)および(B)および(G)と、主に弱い物理的相互作用(例えば、ロンドン力)によって相互作用するため、粒子−シリコーン−粒子間相互作用では弱い網目しか形成されず、これは剪断によって容易に破壊され得(剪断減粘)、その後の静置状態であっても、元の粘度に戻るのは非常に緩徐にすぎず、これにより最終的には、堆積された液滴の流動がもたらされ、従ってきれいでない印刷がもたらされる。対照的に、成分(E)は極性基を含むものであり、成分(D)の粒子とずっとより強力な物理的相互作用を形成する薬剤であり、この結果、粒子−(E)−粒子間の結合はより強いものとなり(より高い静置時粘度、より高い降伏点)、より強い剪断希釈が起こり、特に、ずっと速い静置時粘度の回復がみられることになり、これは、選択された位置に堆積された液滴の環境内への広がりは限定的にすぎないであろうことを意味する。本発明のシリコーンゴム組成物における成分(D)に対する成分(E)のこの効果は、いわゆる緩和時間τによって特性評価および定量され得、ここで、τは、式(III):
η(t)=ηmax+(η−ηmax)*EXP(−t/τ) (III)
により計算され、
式中、η(t)は時間tにおける粘度であり、
ηmaxは、剪断を止めた後、所与の時間内に得られた最大粘度であり、
ηは、高剪断の直後に(即ち、時間t=0において)測定された粘度であり、
EXPは指数関数を意味する。
このように定義される緩和時間τは、高剪断下の材料の粘度が、剪断を止めたときにどれだけ速く回復するかを示す。値τが大きいことは粘度の回復が遅いことを、小さい値は急速な緩和を意味する。さまざまなシリコーンゴム組成物を用いた広範な試験において、きれいな印刷をもたらすのは、緩和時間τが10秒以下、好ましくは7秒以下、より好ましくは5秒以下のシリコーンゴム組成物だけであることがわかった。緩和時間が>10秒の本発明外のシリコーンゴム組成物では常に、きれいでない印刷(例えば、不充分な縁部のシャープさ、はっきりしない構造細部など)がもたらされることがわかっている。当業者には、物理的理由で緩和時間τは>0でなければならないことが明らかであろう。さらに、極めて短い緩和時間(0に近い。)は、この場合、堆積された液滴の粘度が非常に急速に増大するために液滴のレベリング(丸まり)がもはや可能でなく、これにより、例えば、円錐状の液滴および最終的には粗い表面がもたらされ得るため、通常、望ましくない。しかしながら、一部の状況下では、この効果が実は望ましい場合があり得る(例えば、艶消し表面を作製するため)。
シリコーンゴム組成物の緩和時間τに対する成分(E)の効果は、特に、(E)の化学組成、(E)の含有量および強化剤(D)の性質と含有量に依存性である。しかしながら、(E)の割合が過度に高いことは、シリコーンゴム組成物または該組成物から得られ得る成形体の他の特性に対して有害な効果を有する。従って、(E)はシリコーンゴム組成物中に、最大程度2%(重量基準)まで(シリコーンゴム組成物全体に対して)で存在させるのがよく、10秒以下の緩和時間τが得られるものでなければならない。好ましくは、(E)は最大量1%(重量基準)、より好ましくは最大量0.5%(重量基準)で存在させる。本発明のレオロジー添加剤(E)は好ましくは、以下の群:
(E1)エポキシ基官能性化合物、
(E2)(ポリ)エーテル基官能性化合物および
(E3)(ポリ)エステル基官能性化合物、
ここで、該エポキシおよびエーテルおよびエステル基はまた、単一の分子内に存在していてもよい
から選択される。用語「官能性(の)」は、シリコーンと(D)間の相互作用と比べて(E)の該当する基と成分(D)間の相互作用の方がより強いことに関する。このより強い相互作用としては、特に、水素結合性相互作用ならびにDebyeおよびKeesom型の極性相互作用が挙げられる。(E)と(D)との向上した相互作用によって(D)−(E)−(D)間の物理的橋架けの形成がもたらされ、これによりシリコーンゴム組成物の網目様構造体の形成がもたらされ、これにより、シリコーン成分(A)と(B)および、存在させる場合は(G)の流動性が低下する(降伏点、高い静置時粘度)。剪断下では、この網目が非構造化され(dedstructuredd)、有意な剪断減粘によって認識可能になる。剪断を止めた後、レオロジー剤(E)と(D)とのより強い相互作用によって網目構造の急速な回復がもたらされ、粘度の増大および降伏点の形成が付随する。
成分(D)と(E)の作用様式を本明細書において以下に明らかにし、緩和時間τおよび静置時粘度ηMP1が制御され得る様式を示す。
既に記載のように、成分(E)の有効性は成分(D)の存在と連携している。(D)は、架橋されたシリコーン組成物の充分な機械的強度を得るのに必要な強化性フィラーである。典型的には、および好ましくは、微粉砕されたシリカがこの目的に使用される。
強化性フィラー(D)は、共有結合によって互いに二次元に融合している一次粒子(凝集体と称する。)からなり、これがさらに物理的相互作用(水素結合、ファンデルワールス相互作用)によって集合して塊状体を形成する。この凝集体は、シリコーンと混合された場合、構造的に保存されたままであるが、塊状体をもたらす物理的相互作用は克服され得、最終的な効果は、塊状体が破壊されて凝集体がシリコーンマトリックス中に微細分布(分散)した状態になることである。
強化性フィラー(D)は典型的には、高い表面エネルギーを有するものである。親水性シリカの場合、例えば、数多くのシラノール基が表面上に存在している結果、表面エネルギーは約70mJ/mである。高い表面エネルギーは、比較的強い凝集体同士の相互作用によるシリコーン中での凝集体の良好な分散に対抗し、この結果、混合されると、最初は、塊状体のみが、破壊されることなくシリコーンで濡らされ、孤立した凝集体が形成される。
フィラーの高い表面エネルギーによりさらに、シリコーン成分との比較的強い相互作用がもたらされ、この結果、後者はフィラー表面上に固定化され、これにより可動性が低下し、これによりシリコーン組成物の粘度の上昇がもたらされる。
高い表面エネルギーは、例えば、親水性シリカの場合、疎水化によって減弱化され得、これは、シリカの表面上の親水性シラノール基が疎水性の有機基に変換されるか、または疎水性ポリマーなどで被覆されることを意味する。このようにして生成される疎水性シリカは有意に低くなった表面エネルギー(約30mJ/m)を有し、これにより粒子同士および粒子−ポリマー間の相互作用が有意に弱くなる。従って、シリコーン組成物中における疎水性フィラーの使用により、凝集体の良好な分散およびフィラー含有量に起因する粘度上昇の制限が可能になる。
粒子同士の相互作用と粒子−ポリマー間の相互作用とのバランスに非常に重要な要素の1つは、関与する物質の表面エネルギーと界面エネルギーである。熱力学の観点において、2種類の物質「1」と「2」からなる系は、表面エネルギーγ12を最小限にしようとする。表面エネルギー(表面張力とも称される。)は、真空内で物質の表面積を1面積単位大きくするのに必要とされるエネルギーである。界面エネルギー(界面張力とも称される。)は、2種類の物質間の界面面積を1面積単位大きくするのに必要とされるエネルギーである。この界面エネルギーは、2種類の物質の表面エネルギーγおよびγと、以下のとおり:
γ12=γ+γ−W12 (IX)
に関連しており、
式中、W12は、真空内で1面積単位の大きさの該2種類の物質の接触面を完全に離すために消耗されるはずの自由接着仕事である。このことから、第1に、物質1と2間のより強力な相互作用は、界面エネルギーを低下させることになる。第2に、低表面エネルギーを有する物質同士の接触も同様に、低界面エネルギーをもたらす。
2種類の物質1と2の接触が真空内で起こらないが媒体「3」中では起こる場合、2種類の物質の分離のために消耗されるはずの自由接着仕事W132は、以下の式によって示されると示され得る(J.N.Israelachvili,Intermolecular and Surface Forces,3th Edition,Academic Press,2011参照):
132=γ13+γ23−γ12 (X)
この接着仕事が高い(正の)場合、媒体3中での2種類の物質1と2間の接触が支持され;これが低い(負の)場合、系は熱力学的理由により、媒体3中において物質1と2の分離を目指す。
物質1と2を2種類のフィラー凝集体と特定し、物質3をシリコーンマトリックスと特定した場合、式(X)は、はっきりと正の接着仕事を示し、これは、シリコーンマトリックス中において物理的相互作用によるフィラー網目の形成を支持し、これは、熱力学的平衡の確立の過程でシリコーンマトリックス中にフィラー網目が形成されることを意味する。この物理的フィラー網目は、この網目内に存在するポリマー鎖の可動性の低下をもたらし、相当な粘度上昇が付随する。
シリカ凝集体間に作用する弱い物理的相互作用は剪断力によって克服され得るため、フィラー網目は強力な剪断下では崩壊し、これによりポリマー鎖の可動性が突然に増大し、相応する有意な粘度の低下がもたらされる。従って、剪断減粘特性または構造粘性の(あるいは、チキソトロピー)特性について言及する。
かかるシリコーン組成物の剪断を止めた場合、系は元の平衡状態に戻り(緩和)、これは、フィラー網目が再度構築され、粘度が、元の値に達するまでコンスタントに増大することを意味する。元の状態まで緩和する速度は緩和時間τによって特性評価され得る。
接着仕事W131の値が大きいほど、フィラー網目の形成のための熱力学的駆動力がより強く、これは一般的に、フィラー網目の非常に急速な形成と関連している。接着仕事W131の値が正であるが非常に小さい場合、フィラー網目は平衡の確立において非常に緩徐に構築され、例えば、数ヶ月から数年の期間がかかり得る。
レオロジー添加剤(E)は、分散されたフィラーの表面エネルギーを高め得るものである。例えば、3−グリシドキシプロピルトリメトキシシランは38.5mJ/mの表面エネルギーを有し、従って、上記の疎水性シリカ表面のものより高い。
添加剤類型(E1)、(E2)および(E3)として記載した化合物は、フィラー表面上に吸着され、ここで表面エネルギーを増大させ、このようにして物理的フィラー網目の形成のための熱力学的駆動力を増大させ、従って剪断減粘特性をもたらす。
このような化合物は、著しく疎水性のシリコーンマトリックスとの適合性はごく部分的である。化合物(E)の極性または表面エネルギーは高すぎてはいけない。これは、これにより、シリコーンと添加剤との間に不要な相分離(偏析(demixing))がもたらされる可能性があるためである。
レオロジー添加剤(E)によってもたらされるフィラー凝集体の表面エネルギーの増大が小さすぎる場合、結果は、過度に遅い元の粘度への戻り(過度に長い緩和時間)および堆積されたシリコーン組成物の液滴の過度な流動である。これにより、印刷における細部の忠実性が不充分になる。例えば、成形体のシャープな縁部を作製することが可能でなくなる。
対照的に、レオロジー添加剤(E)によってもたらされる表面エネルギーの増大が大きすぎる場合、高粘度シリコーン組成物の緩和時間が過度に短くなり得、これは、堆積された液滴が、架橋前に互いに不充分にしか一体化せず、これにより、印刷された成型体の機械的強度が低下する(不充分な層状接着)、および/または粗い表面がもたらされる(これは、一般的には望ましくないが、場合に応じて、例えば、艶消し表面を作製するために使用され得る。)ことを意味する。
添加剤(E)によって得られる成分(D)の表面エネルギーの増大は、特に2つの要素:添加剤(E)の表面エネルギーとシリコーン組成物中の(E)の濃度に依存する。従って、一定の範囲内では、低濃度の高エネルギー添加剤(E)で、高濃度の低エネルギー添加剤と同じ効果がもたらされ得る。
しかしながら、フィラー表面は、添加剤(E)の吸着に対して飽和限界を有し、このため、(E)の濃度の過度な増大は不得策である。この飽和限界はさらに、添加剤の性質(分子量、分子内の極性基の数など)に依存し得る。
(E)の添加によってもたらされる(E)無含有シリコーン組成物の粘度の増大もまた添加剤(E)の表面エネルギーと濃度に依存するが、さらに(E)無含有材料の元の粘度(これは、本質的に、フィラーの含有量と疎水性およびシリコーン成分のポリマー鎖長によって決定される。)にもまた依存することは認識されよう。
(E)無含有シリコーン組成物の静置時粘度が高すぎる、即ち300000mPasより上であることがわかった場合、これは、(i)フィラー濃度の低減、(ii)フィラーの疎水性の増大および/または(iii)シリコーン成分のポリマー鎖長の低減によって相殺することができる。従って、静置時粘度ηMP1の厳密な調整は、常套的な簡単な実験によってなされ得る。
既に記載のように、本発明の剪断減粘性シリコーン組成物の粘度は、強力な剪断(例えば、ジェットノズルを通過時)の結果、非常に低い値まで低下する。剪断減粘特性が同等であると仮定すると、高い静置時粘度を有するシリコーンゴム組成物は、強力な剪断後であっても、一般的に、低い剪断静置時粘度を有するシリコーン組成物よりも高い粘度を有する。従って、請求項に記載の範囲の上限の緩和時間を有する(即ち、比較的長い緩和時間を有する)高粘度シリコーン組成物では、なお使用可能な印刷物がもたらされ得るが、比較的低い静置時粘度を有するシリコーン組成物では、良好な結果を得るために必要とされる緩和時間は比較的短い。このような関係は、剪断応力後のシリコーンマトリックスにおけるフィラー網目の再構築が、フロー過程の速度によって決定される動的過程であることを考慮すると理解できる。
フィラー網目の再構築がDOD−3D印刷には遅すぎることがわかった場合、これは、(i)表面エネルギーを増大させること(例えば、疎水化の度合いの低減によって)および/または(ii)添加剤(E)の濃度を上げることによって相殺することができる。従って、緩和時間τの厳密な調整は、常套的な簡単な実験によってなされ得る。
成分(E1)は、少なくとも1個のエポキシ基を有する任意の有機系または有機ケイ素化合物であり得、好みに応じて使用される。特に好ましいのはエポキシ官能性有機化合物(E1)である。有機エポキシ官能性化合物(E1)の例は、1,2−エポキシプロパノール、ビニルシクロヘキセンモノオキシド、ドデカノールグリシジルエーテル、ブチルグリシジルエーテル、p−tert−ブチル−フェニルグリシジルエーテル、2−エチルヘキシルグリシジルエーテル、グリシジルメタクリレート、ジシクロペンタジエンジオキシド、ビニル−シクロヘキセンジオキシド、ブタンジオールジグリシジルエーテル、ネオペンチルグリコールジグリシジルエーテル、ヘキサン−1,6−ジオールジグリシジルエーテル、ポリプロピレングリコールジグリシジルエーテル、トリメチロールプロパントリグリシジルエーテル、3,4−エポキシシクロヘキシルメチル3’,4’−エポキシシクロヘキサンカルボキシレートである。成分(E1)はエポキシ化植物油、または、エポキシ基を含有している植物油、例えば、エポキシ化菜種油、ヒマワリ油、アマニ油、ダイズ油、ヤシ油、クランベ油、ヒマシ油およびベルノニア油、またはエポキシ化脂肪酸、例えば、エポキシ化オレイン酸、ペトロセリン酸、エルカ酸、リノール酸、リノレン酸、リシノール酸、カレンジン酸、ベルノリン酸およびサンタルビン酸であってもよい。
好ましい成分(E1)は、式(IV)
SiO(4−e−f)/2 (IV)
の単位で構成されたエポキシ官能性有機ケイ素化合物であり、
式中、Rは同じであっても異なっていてもよく、RおよびR原子団の上記の規定を有し、
は、少なくとも1個のエポキシ基CH(−O−)CH−または−CH(−O−)CH−を含み、場合によりハロゲンで置換されており、また場合により酸素、窒素、イオウまたはリン原子を含むものである2から20個の炭素原子を有する一価のヒドロカルビル原子団である、ただし、
eは0、1、2または3であり、
fは0、1、2、3または4であり、
(e+f)<5である
ものとする。
このようなものの例は、エポキシ官能性シラン、例えば、2−(3,4−エポキシシクロヘキシル)エチルトリエトキシシラン、2−(3,4−エポキシシクロヘキシル)エチルトリメトキシシラン、(3−グリシドキシプロピル)トリメトキシシラン、(3−グリシドキシプロピル)トリエトキシシラン、5,6−エポキシヘキシルトリエトキシシラン、(3−グリシドキシプロピル)メチルジメトキシシラン、(3−グリシドキシプロピル)メチルジエトキシシラン、(3−グリシドキシプロピル)ジメチルエトキシシランおよびトリス(グリシドキシプロピルジメチルシロキシ)フェニルシランである。有機ケイ素化合物(E1)のさらなる例は、エポキシ官能性シロキサン、例えば、ビス(2−(3,4−エポキシシクロヘキシル)エチル)テトラメチルジシロキサン、1,5−ビス(グリシドキシプロピル)−3−フェニル−1,1,3,5,5−ペンタメチルトリシロキサン、(3−グリシドキシプロピル)ビス(トリメチルシロキシ)シラン、(3−グリシドキシプロピル)ペンタメチルジシロキサン、1,3−ビス(グリシドキシプロピル)テトラメチルジシロキサン、グリシドキシプロピルテトラメチルシクロテトラシロキサン、グリシドキシプロピル−トリメトキシシリルエチル−ペンタメチルシクロペンタシロキサン、グリシドキシプロピル末端型ポリジメチルシロキサン、エポキシシクロヘキシルエチル末端型ポリジメチルシロキサン、コポリマー型ポリ(エポキシシクロヘキシルエチルメチル−ジメチル)シロキサンおよびコポリマー型ポリ(エポキシシクロヘキシルエチルメチル−ジメチル−ポリアルキレンオキシプロピルメチル)シロキサンである。
成分(E2)は、ポリエーテル官能性の有機系もしくは有機ケイ素化合物(またはこれらの2種類以上の混合物)である。好ましいのは、一般式(V)
−(O−CH2−CHR−OR (V)
のポリアルキレングリコールであり、
式中、原子団は以下のとおりである:
は同じであっても異なっていてもよく、一価の飽和もしくは不飽和のC−C20ヒドロカルビル原子団(これは場合によりハロゲンで置換されており、また場合により酸素、イオウ、窒素もしくはリン原子を含むものである。)、水素原子または式(I)の単位からなる一価の有機ケイ素原子団であり、
原子団は同じであっても異なっていてもよく、水素原子またはC−Cヒドロカルビル原子団、好ましくは水素原子またはメチル原子団であり、
nは1から1000、好ましくは1から500、より好ましくは5から100の整数である。
好ましいのは、100℃未満、好ましくは50℃未満の融点を有するポリアルキレングリコールであり、特に好ましいのは、室温(23℃)で液状であるポリアルキレングリコールである。好ましいポリアルキレングリコールの数平均分子量は、200から10000g/molである。好ましいのは、200g/mol(PEG 200)、約400g/mol(PEG 400)、約600g/mol(PEG 600)、約1000g/mol(PEG 1000)の数平均分子量を有するポリエチレングリコールである。
好ましいのは、約425g/mol、約725g/mol、約1000g/mol、約2000g/mol、約2700g/molおよび3500g/molの数平均分子量を有するポリプロピレングリコールである。
好ましいのは、PEG−PPG型およびPEG−PPG−PEG型のポリエチレングリコール(PEG)とポリプロピレングリコール(PPG)のブロックコポリマー、例えば、ポリ(エチレングリコール)−ブロック−ポリ(プロピレングリコール)−ブロック−ポリ(エチレングリコール)、好ましくは>10%(重量基準)のPEG含有量、より好ましくは>30%(重量基準)のPEG含有量を有するものである。
好ましいのは、ポリアルキレングリコール官能性のシランおよびシロキサンである。シランの例は、ビス((3−メチルジメトキシシリル)プロピル)ポリプロピレンオキシド、1,3−(ビス(3−トリエトキシシリルプロピル)ポリエチレンオキシ)−2−メチレンプロパン、ビス(3−トリエトキシシリルプロピル)ポリエチレンオキシド(25から30個のEO単位を有するもの)、2−(メトキシ(ポリエチレンオキシ)6−9プロピル)ジメチルメトキシシラン、2−(メトキシ(ポリエチレンオキシ)6−9プロピル)トリメトキシシラン、メトキシトリエチレンオキシウンデシルトリメトキシシランおよびビス(3−(トリエトキシシリルプロピル)−2−ヒドロキシプロポキシ)ポリエチレンオキシドである。ポリアルキレン−グリコール官能性シロキサンの例は、ジメチルシロキサン単位とエチレングリコール単位からなるブロックコポリマーおよびグラフトコポリマーである。
成分(E3)は、ポリエステル官能性化合物(もしくは各場合において2種類以上の混合物)または炭酸官能性化合物(もしくは各場合において2種類以上の混合物)(該化合物は液状であっても、非晶質であっても結晶性であってもよい。)である。該化合物は線状であっても分枝状であってもよい。好ましいのは、100℃未満、好ましくは50℃未満の融点を有するポリエステル官能性または炭酸官能性の化合物であり、特に好ましいのは、室温(23℃)で液状であるポリエステル官能性または炭酸エステル官能性の化合物である。好ましいポリエステル官能性または炭酸エステル官能性化合物の数平均分子量は、200から2500g/molである。
液状の化合物が好ましい。また、2つの化合物類型の2種類以上の化合物の混合物も可能である。好適なポリエステル官能性化合物は、例えば、例えば、2から12個の炭素原子、好ましくは4から6個の炭素原子を有するジカルボン酸と多価アルコールとから調製され得るポリエステルポリオールである。OH官能性ポリエステルは当業者に一般的に知られており、市販されている。特に好適なものは、2個または3個の末端OH基を含むポリエステルポリオールである。また、ω−ヒドロキシカルボン酸(例えばω−ヒドロキシカプロン酸)の縮合生成物、好ましくは、ラクトン(例えば、場合により置換されているω−カプロラクトン)の重合生成物を使用することも可能である。好適な炭酸エステル官能性化合物は、例えば、ポリカーボネートポリオールおよびポリカーボネート−ポリエステルポリオールである。また、記載の化合物類型および上記の化合物の混合物のブロックコポリマーを使用することも可能である。
多価アルコールの例
多価アルコールの例は、2から10個、好ましくは2から6個の炭素原子を有するグリコール、例えば、エチレングリコール、ジエチレングリコール、ポリエチレングリコール、ジプロピレングリコール、ポリプロピレングリコール、ジブチレングリコールおよびポリブチレングリコール、ブタン−1,4−ジオール、ペンタン−1,5−ジオール、ヘキサン−1,6−ジオール、デカン−1,10−ジオール、2,2−ジメチルプロパン−1,3−ジオール、2−メチル−プロパン−1,3−ジオール、プロパン−1,3−ジオールおよびジプロピレングリコール、1,4−ヒドロキシメチルシクロヘキサン、ブタン−1,2,4−トリオール、トリエチレングリコール、テトラエチレングリコールである。所望の特性に応じて、多価アルコールを単独で、または適切な場合は、多価アルコールの混合物を使用してもよい。
ジカルボン酸の例
有用なジカルボン酸の例としては:
脂肪族ジカルボン酸、例えば、コハク酸、グルタル酸、アジピン酸、スベリン酸、アゼライン酸およびセバシン酸、ならびに芳香族ジカルボン酸、例えば、フタル酸、イソフタル酸およびテレフタル酸が挙げられる。ジカルボン酸は単独で使用してもよく、混合物として、例えば、コハク酸とグルタル酸とアジピン酸の混合物の形態で使用してもよい。
炭酸誘導体の例
好適な例は、炭酸と上記の多価アルコール/ジオール、特に、4から6個の炭素原子を有するもの、例えば、ブタン−1,4−ジオールおよび/またはヘキサン−1,6−ジオールのエステルである。
ポリエステルジオールの例
使用されるポリエステルジオールは、好ましくは、エタンジオールポリアジペート、ブタン−1,4−ジオールポリアジペート、エタンジオールブタン−1,4−ジオールポリアジペート、ヘキサン−1,6−ジオールネオペンチルグリコールポリアジペート、ヘキサン−1,6−ジオールブタン−1,4−ジオールポリアジペートおよびポリカプロラクトンである。
本発明のシリコーンゴム組成物中における(E)の含有量は0.01%から2%(重量基準)、好ましくは0.05%から1%(重量基準)、より好ましくは0.1%から0.5%(重量基準)である。
充分な剪断減粘効果およびチキソトロピー効果を示すようにするため、成分(E)に存在する極性基(エポキシ基およびエーテル基およびエステル基)は、本発明のシリコーンゴム組成物において成分(D)の含有量に対して特定の比率でなければならない。本発明によれば、(D)に対する(E)の含有量は、成分(D)1グラムあたり成分(E)の極性基が少なくとも0.1μmolから最大100mmol、好ましくは1μmolから10mmol、より好ましくは0.01mmolから1mmolとなるようなものである。
好ましいのは、(E1)との併用での(D1)の使用である。特に好ましいのは、(D1)として疎水性のヒュームドシリカとエポキシ官能性有機化合物(E1)との併用である。
成分(F)は当業者に知られており、特定の特性プロフィールを得るために本発明のシリコーンゴム組成物中に存在させ得るオプションのすべての添加剤が包含される。このようなものとしては、成分(A)から(E)とは異なる抑制剤、熱安定剤、溶剤、可塑剤、着色顔料、増感剤、光開始剤、接着促進剤、不活性フィラー、導電性添加剤、シリコーン樹脂などが挙げられる。
粘度の測定
粘度はAnton Paar MCR 302レオメータで、DIN EN ISO 3219:1994およびDIN 53019に従い、コーンプレートシステム(CP50−2コーン)を2°の開口角度で用いて測定する。機器は、National Metrology Institute(Germany)の10000スタンダードオイルを用いて較正した。管理温度は25.00℃+/−0.05℃にし、測定時間は3分間にする。報告した粘度は、独立して実施した3回の個々の測定の相加平均である。動的粘度の測定の不確かさは1.5%である。剪断速度は粘度に応じて選択し、報告した各粘度に対して個別に記載する。
シリコーンゴム組成物の粘度η MP1 および緩和時間τの測定のためのレオロジー試験方法
測定はすべて、Anton Paar MCR 302レオメータで空気軸受を用いて25℃にて、特に記載のない限り、DIN EN ISO 3219に従って実施した。測定は、プレート−プレート幾何構造(直径25mm)を用いて300μmのギャップ幅で実施した。多めのサンプル材料を、プレート間に測定ギャップが形成された(トリミングと称される。)後に木製スパチュラによって取り出した。
実際の測定プロフィールの開始前、サンプルの適用と形成で構成される測定位置のレオロジー履歴を消すために、サンプルを規定の予備剪断に供した。この予備剪断(測定相1)は0.5秒−1の剪断速度で60秒間の剪断相を含み、ここで、粘度値ηMP1は非常に速く確立され、一定のままである。この直後は、25秒−1の剪断速度で60秒間持続させるより強い剪断(測定相2)であり、剪断減粘特性の結果、非常に低い値までの粘度の急激な低下がもたらされ、この値は一定のままである。
この直後の測定相3(これは60秒間持続する。)では、0.5秒−1での穏やかな剪断があり、この場合、緩和速度により、最初に急速な粘度の上昇がみられ、その後、減速して一定の値ηmaxが最終的に得られるようになる(図6参照)。測定相3における時間に対する粘度η(t)のプロフィールを、式(III)
η(t)=ηmax+(η−ηmax)*EXP(−t/τ) (III)
による関数によって概算した。式中、η(t)は、測定相2の終了直後をt=0として開始した時間tにおける粘度であり、ηmaxは測定相3で得られる最大粘度であり、ηは、測定相2の終了時(即ち、時間t=0のとき)に直接測定された粘度であり、EXPは指数関数を意味する。このように定義される緩和時間τは、強い剪断を受けた材料の粘度が、剪断を(事実上)止めたときにどれだけ速く回復するかを示す。測定相3では、60ヶ所の測定点(η,t)を(η,1),(η,2),…,(η60,60)と記録し、EXCEL(R)形式でプロットした。式(III)において自由に選択され得るパラメータτは、実験で測定された粘度値と式(III)によって計算される粘度値との二乗誤差の合計を、パラメータτを変えることによって最小にすることにより求めた;換言すると、τは、実験で測定された(η,t)値が関数(III)によるものと同様に可能となるとなるように計算した(二乗誤差の合計が最小になるという意味で)。概算は、EXCEL(R)において利用可能な「Solver」プログラムの補助を伴い、「GRG非線形」解法を用いて実施した。シリコーンゴム組成物の粘度緩和特性は、式(III)により、特に、パラメータτ(緩和時間)を用いて優れた様式で示され得ることがわかった。
本発明のシリコーンゴム組成物は、一成分形態に作製しても、二成分形態に作製しても、多成分形態に作製してもよい。最も単純な場合では、作製は、すべての成分を均一に混合することにより、一成分系の本発明のシリコーンゴム組成物の形態で行われる。
本発明のシリコーンゴム組成物は、バリスティック付加3D印刷方法によるエラストマー成形体の作製のために使用される。
従って、本発明によりさらに、エラストマー成形体の作製方法であって、該成形体が本発明のシリコーンゴム組成物からバリスティック付加DOD法(3D印刷)によって形成されることを特徴とする方法を提供する。
本発明のシリコーンゴム組成物により作製された透明な矩形螺旋体。 本発明のシリコーンゴム組成物により作製されたシリコーンエラストマー半球体。 本発明のシリコーンゴム組成物により形成された、構造化表面を有するシリコーンエラストマーパーツ。 本発明のシリコーンゴム組成物により作製された螺旋状シリコーンエラストマーパーツ。 本発明のシリコーンゴム組成物により作製された透明なシリコーンエラストマーピラミッド体。 本発明のシリコーンゴム組成物により作製された立方体のシリコーンエラストマーパーツ。レオロジー試験法によって測定した実施例2の測定曲線(実線)を、式(III)による理論値プロット(点線)と比較して示す。 レオロジー試験法によって測定した実施例10の測定曲線(実線)を、式(III)による理論値プロット(点線)と比較して示す。 印刷操作中の印刷バルブの詰まりを示す。 実施例10の本発明外のシリコーンゴム組成物を使用し、同時UV照射を伴ってレイヤーバイレイヤー式で積層することにより作製した、立方体のシリコーンエラストマーパーツ。 本発明外のシリコーンゴム組成物を使用し、生素地へのUV照射なしでレイヤーバイレイヤー式にて積層することにより作製した、立方体のシリコーンエラストマーパーツ。 実施例28の本発明外のシリコーンゴム組成物を使用し、生素地へのUV照射なしでレイヤーバイレイヤー式にて積層することにより、顕微鏡ガラススライド上に堆積させた半球状パーツ。
以下の実施例は本発明を説明するために示すが、本発明を限定するものではない。
レオロジー試験方法
本実施例での試験は、上記の様式と同様にして実施した。
シリコーンゴム組成物のコンディショニング
DOD 3D印刷に使用したシリコーンゴム組成物はすべて、加工前に、100gの組成物をデシケータ内の開口PEカン内に、10mbarの真空下、室温で3時間保存することによって揮発分を除去した。続いて組成物を、バヨエット式シール部を有し、空気を排除した30ml容カートリッジ内に定量供給し、適切な押出しプランジャー(プラスチック製ピストン)で密封した。
次いで、ルアーロックカートリッジをVermes投入弁の縦型カートリッジホルダー内に、ルアーロックスクリューの連結を下向きにして液密様式でねじ込み、3から8バールの圧縮空気を、カートリッジの先端の圧力プランジャーに適用した;カートリッジ内に存在する押出しプランジャーにより、事前に脱気したシリコーンゴム組成物内に圧縮空気が入り込むことが抑制される。
UV感受性シリコーン組成物はすべて、黄色灯下で(700nm未満の光を排除して)作製し、同様にして揮発分を除去し、ルアーロックバヨエット式シール部を有する不透明な30ml容カートリッジ内に定量供給した。
シリコーン組成物が保存中に空気を吸収することを抑制するため、カートリッジ容器を真空下で、アルミニウムホイル被覆PEインライナーを伴い、真空溶着システム(Landig+Lava GmbH & Co.KG(Valentinstrasse 35 −1,D−88348 Bad Saulgau)製)を用いてパッケージングした。
使用した原料およびシリコーンゴム組成物
成分(A)によるビニル官能性ポリオルガノシロキサン:
R1:200cSt.の粘度を有し、ABCR GmbH,Karlsruhe,Germanyから「ポリ(ジメチルシロキサン),ビニルジメチルシロキシ末端型;粘度200cSt.」の製品名,カタログ番号AB109357,CAS番号[68083−19−2]で入手可能なビニルジメチルシロキシ末端ポリジメチルシロキサン。
R2:1000cSt.の粘度を有し、ABCR GmbH,Karlsruhe,Germanyから「ポリ(ジメチルシロキサン),ビニルジメチルシロキシ末端型;粘度1000cSt.」の製品名,カタログ番号AB109358,CAS番号[68083−19−2]で入手可能なビニルジメチルシロキシ末端ポリジメチルシロキサン。
R3:20000cSt.の粘度を有し、ABCR GmbH,Karlsruhe,Germanyから「ポリ(ジメチルシロキサン),ビニルジメチルシロキシ末端型;粘度20000cSt.」の製品名,カタログ番号AB128873,CAS[68083−19−2](ABCRカタログ)で入手可能なビニルジメチルシロキシ末端ポリジメチルシロキサン。
成分(B)によるSiH官能性架橋剤:
R4a:Mn=1900から2000g/molの分子量および25から30mol%のメチルハイドロジェンシロキシ含有量を有し、Gelest,Inc.(65933 Frankfurt am Main,Germany)から製品名HMS−301で入手可能なメチルヒドロシロキサン−ジメチルシロキサンコポリマー。
R4b:Mn=1900から2000g/molの分子量および15から18mol%のメチルハイドロジェンシロキシ含有量を有し、Gelest,Inc.(65933 Frankfurt am Main,Germany)から製品名HMS−151で入手可能なメチルヒドロシロキサン−ジメチルシロキサンコポリマー。
R4c:Mn=900から1200g/molの分子量および50から55mol%のメチルハイドロジェンシロキシ含有量を有し、Gelest,Inc.(65933 Frankfurt am Main,Germany)から製品名HMS−501で入手可能なメチルヒドロシロキサン−ジメチルシロキサンコポリマー。
成分(C)によるヒドロシリル化触媒:
R5:UV活性化性白金触媒:トリメチル−(メチルシクロペンタジエニル)白金(IV),Sigma−Aldrich(R),Taufkirchen,Germanyから入手可能。
成分(D)による強化剤:
R6:300m/gのBET表面積を有する疎水性化ヒュームドシリカを、特許明細書DE3839900A1と同様にして、親水性ヒュームドシリカWacker HDK(R)T−30(WACKER CHEMIE AG,Munich,Germanyから入手可能)の疎水化によって作製した。
成分(E)によるレオロジー剤:
R7:Genapol PF 20は、ポリマー内に20%(重量基準)のエチレンオキシド,CAS番号[9003−11−6]を有し、Clariant GmbH(D−65926 Frankfurt am Main,Germany)製のEO−POブロックコポリマーである
R8:Genapol PF 40は、ポリマー内に40%(重量基準)のエチレンオキシド,CAS番号[9003−11−6]を有し、Clariant GmbH(D−65926 Frankfurt am Main,Germany)製のEO−POブロックコポリマーである
R9:エポキシ化アマニ油,CAS番号67746−08−1,
「Edenol(R)B 316 Spezial」;Emery Oleochemicals GmbH(Henkelstr.67,40589 Dusseldorf)製
R10:Desmophen C 1200,線状のOH末端ポリカーボネートポリエステル,Bayer Materials Science製
R11:Sipell RE 63 F,エポキシ官能性ポリシロキサン,Wacker Chemie AG(Munich)製
R12:(3−グリシドキシプロピル)トリメトキシシラン,98%,ABCR GmbH(76187 Karlsruhe,Germany)からCAS番号[2530−83−8],商品番号/製品名AB111152で入手可能
R13:(3−グリシドキシプロピル)メチルジメトキシシラン,97%,CAS番号[65799−47−5],ABCR GmbH(76187 Karlsruhe,Germany)から製品名AB111150で入手可能
R14:(3−グリシドキシプロピル)メチルジエトキシシラン,CAS番号[2897−60−1],ABCR GmbH(76187 Karlsruhe,Germany)から製品名AB111149で入手可能
R15:DRAPEX 39、エポキシ化ダイズ油,Galata Chemicals GmbH(Chemiestrasse 22,68623 Lampertheim)製,CAS番号[801307−8]
R16:クエン酸トリエチル,CAS番号[77−93−0],Sigma−Aldrichから入手可能
R17:TWEEN(商標)20,エトキシル化ソルビタンエステル,Croda GmbHから入手可能
R18:TWEEN(商標)28,エトキシル化ソルビタンエステル,Croda GmbHから入手可能
R19:TWEEN(商標)60,エトキシル化ソルビタンエステル,Croda GmbHから入手可能
R20:TWEEN(商標)80,エトキシル化ソルビタンエステル,Croda GmbHから入手可能
R21:TWEEN(商標)85,エトキシル化ソルビタンエステル,Croda GmbHから入手可能
R22:Wacker(R)IM 22,グリコール官能性シリコーン油,Wacker Chemie AGから入手可能
R23:Pulpsil(R)955 S,ポリエーテル変性シリコーン油,Wacker Chemie AGから入手可能
R24:Pulpsil(R)960 S,ポリエーテル変性シリコーン油,Wacker Chemie AGから入手可能
オプションの成分(F)
R26:安定剤(抑制剤)1−エチニルシクロヘキサノール;99%,CAS番号78−27−3,≧99%,ABCR GmbH(76187 Karlsruhe,Germany)から入手可能
本発明の実施例および本発明外の実施例1から30:
シリコーンゴム組成物を、第1工程において、成分(A)と成分(D)を本明細書において後述するようにして、表1から4に明示した重量比で充分に混合することにより作製した。この目的のため、最初に、総質量の60%(重量基準)の255gの成分(A)をダブル−Zニーダーに25℃の温度で仕込み、ニーダーを70℃まで加熱した。70℃に達したら、表1から4に示した重量比に対応する総量の成分(D)、即ち、反応体R6として示した疎水性ヒュームドシリカを分割して、連続混練下で1時間にわたって計り入れて混練し、材料を均質化した。続いて、得られた比較的高粘度の材料を混練し、オイルポンプによる真空(<100hPa)下、150℃で1時間にわたって、揮発分を除去した。このベーキング相の後、真空を解除し、温度を室温に調整した。次いで、残りの総質量の40%(重量基準)、即ち170gの成分(A)を入れて混合し、材料を室温で1時間にわたって均質化した。
シリコーンゴム組成物のさらなる作製を、上記のような方法によって作製された(A)と(D)の混合物をその他の成分(B)、(E)(F)および(C)と、Speedmixer(R)ネジ蓋混合ビーカー(Hauschild & Co.KG(Waterkamp 1,59075 Hamm)製)内で充分に混合することによって行った(黄色灯下または光の排除を伴って)。この目的のため、材料を連続的に適切な混合ビーカー内に計り入れ、手作業で混合した。続いて、適切なネジ蓋で封止しておいたビーカーを混合し、1500rpmにて100mbarの真空下、真空Speedmixer(R)DAC 400.2 VAC−P(Hauschild & Co.KG(Waterkamp 1,59075 Hamm)製)内で少なくとも5分間脱気した。
真空Speedmixer(R)内での真空混合操作の前に、混合ビーカーから空気を逸出させるためにネジ蓋にドリルで小さな孔を開けた。
続いて、材料を混合ビーカーから不透明な30ml容ルアーロックカートリッジ内に、無空気様式で定量供給した(適切なスピードディスクとレバープレスからなるHauschild定量供給システムの補助を伴って)。続いて、カートリッジを適切な押出しプランジャー(プラスチック製ピストン)で密封した。
本発明のシリコーンゴム組成物および本発明外のシリコーンゴム組成物の組成を表1から4に示す。
Figure 2018516283
Figure 2018516283
Figure 2018516283
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DOD−3Dプリンター:
作製したシリコーンゴム組成物をDOD法により、「German RepRap GmbH」製の「NEO−3Dプリンター」製造システムにおいて加工し、シリコーンエラストマーパーツを得た。この目的のため、上記の3Dプリンターを改造し、適合させた。高粘度から堅い練り粉状の材料、例えば、本発明のシリコーンゴム組成物をDOD法で堆積させることを可能にするため、この「NEO−3Dプリンター」にもともと設置されていた熱可塑性フィラメント投入ユニットを「Vermes Microdispensing GmbH(Otterfing)」製のジェットノズルに置き換えた。
「NEO」プリンターは、ジェットノズルの設置のための標準装備がなされていなかったため、これを改造した。Vermesジェットノズルをプリンター制御システム内に、Vermesジェットノズルのスタート−ストップシグナル(トリガーシグナル)がプリンターのGコードコントローラによって作動するように組み込んだ。この目的のため、特別なシグナルをGコードコントローラ内に記録した。コンピュータのGコードコントローラは、これを、ジェットノズルのオンとオフ(計量のスタートとストップ)を切り替えるだめだけに使用した。
スタート−ストップシグナルのシグナル伝達のため、「NEO」プリンターのもともと設置されていたフィラメント加熱ノズルの加熱ケーブルをVermesノズルとのリレーによって断絶および接続した。
Vermesジェットノズルのその他の投入パラメータ(計量の頻度、上昇、下降など)は、MDC 3200+ Microdispensing Control Unitによって調整した。
3Dプリンターはコンピュータによって制御した。3Dプリンターのソフトウェア制御と制御シグナルの接続(ソフトウェア:「Repetier−Host」)を、投入ノズルの空間的3方向の移動と液滴堆積のシグナルの両方がかくして制御可能になるという効果のために改造した。「NEO」3Dプリンターの移動の最大速度は0.3m/秒であった。
投入システム:
使用したシリコーンゴム組成物に使用した投入システムは、「Vermes Microdispensing GmbH」製の「MDV 3200A」microdispensing投入システムであり、これは、以下の構成要素:a)MDV 3200 A−ルアーロックカートリッジ用のアタッチメントを有する投入ユニット、これにより、3から8バールの圧縮空気(アダプターを有するホース)をカートリッジの上端に適用した、b)Vermes MDH−230tfl左ノズルトレース−加熱システム、c)MDC 3200+ MicroDispensing Control Unit(これをさらに、PCコントローラと、可動性ケーブルによってノズルとに接続し、吐出投入パラメータ(上昇、下降、オープンタイム、ニードルリフト、ディレイ、ノーパルス、ヒーター、ノズル、距離、ボクセル直径、カートリッジにおける空気供給圧力)の設定を可能にした。)を有する完全システムからなるものであった。50、100、150および200μmの直径を有するノズルが利用可能である。従って、ナノリットル範囲のシリコーンゴム組成物の超微細な液滴を、ワークベンチまたは既に架橋されたシリコーンエラストマー層上の任意の所望のxyz位置に厳密にポジショニングすることが可能であった。特に記載のない限り、Vermes弁に設置された標準ノズルセットは200μmのノズルであった。シリコーンゴム組成物のために使用した貯蔵槽は直立型の30ml容ルアーロックカートリッジであり、これを定量供給ノズルに液密様式でねじ込み、圧縮空気で加圧した。
改造した「NEO」3D印刷および「Vermes」投入システムをPCおよびオープンソースソフトウェアパッケージ「Simplify 3D」で制御した。
吐出:
シリコーンゴム組成物を、本明細書において以下に指定したジェットノズルパラメータで、25×75mmの面積の顕微鏡ガラススライド上に所望の幾何構造の層状に反復して液滴状態で堆積させ、全印刷操作(約50秒)において、堆積材料への連続照射およびもたらされる架橋は、13200mW/cmの出力を有するBLUEPOINT照射システムで行った。
ノズル直径:200μm,上昇:0.3ms,下降:0.1ms,オープンタイム:15ms,ニードルリフト:100%,ディレイ(表面圧):25ms,ディレイ(ボクセルサイズ測定の個々の点):100ms,加熱:45℃,カートリッジ供給圧:3バール。
このようにして、本発明のシリコーンゴム組成物を使用して、異なる幾何構造の透明なシリコーンエラストマーパーツを得ることが可能であった。
[実施例1]:
本発明のこのシリコーンゴム組成物は、τ=3.4秒の緩和パラメータを有するものであり、なんら問題なくDOD法において吐出可能であり(ボクセル直径0.6mm)、レイヤーバイレイヤー式で積層し、外法寸法20×20mmおよび5mmの高さを有するシリコーンエラストマーで作製された透明な矩形螺旋体を形成することが可能であった(図1参照)。
[実施例2]:
本発明のこのシリコーンゴム組成物は、τ=2.7秒の緩和パラメータを有するものであり、なんら問題なくDOD法において吐出可能で(ボクセル直径0.4mm)、レイヤーバイレイヤー式で加工可能であり、15×15×3mmの寸法を有する立方体のシリコーンエラストマーパーツを形成した。図6は、レオロジー試験法によって測定した実施例2の測定曲線(実線)を、式(III)による理論値プロット(点線)と比較して示す。
[実施例3]:
本発明のこのシリコーンゴム組成物は、τ=4.2秒の緩和パラメータを有するものであり、なんら問題なくDOD法において吐出可能で(ボクセル直径0.4mm)、レイヤーバイレイヤー式で加工可能であり、15mmの直径を有するシリコーンエラストマー半球体を得た(図2参照)。
[実施例4]:
本発明のこのシリコーンゴム組成物は、τ=0.99秒の緩和パラメータを有するものであり、なんら問題なくDOD法において吐出可能で(ボクセル直径0.4mm)、レイヤーバイレイヤー式で加工可能であり、構造化表面を有するシリコーンエラストマーパーツを得た(図3参照)。
[実施例5]:
本発明のこのシリコーンゴム組成物は、τ=1.21秒の緩和パラメータを有するものであり、なんら問題なくDOD法において吐出可能で(ボクセル直径0.4mm)、レイヤーバイレイヤー式で加工可能であり、15×15×3mmの寸法を有する立方体のシリコーンエラストマーパーツを形成した。
[実施例6]:
本発明のこのシリコーンゴム組成物は、τ=3.54秒の緩和パラメータを有するものであり、なんら問題なくDOD法において吐出可能で(ボクセル直径0.6mm)、レイヤーバイレイヤー式で加工可能であり、螺旋状シリコーンエラストマーパーツを形成した(図4参照)。
[実施例7]:
本発明のこのシリコーンゴム組成物は、τ=0.05秒の緩和パラメータを有するものであり、なんら問題なくDOD法において吐出可能であった(ボクセル直径0.6mm)。UV照射なしでレイヤーバイレイヤー式にて積層することにより、20×20×10mmの寸法を有する底面が正方形のピラミッド型の生素地を作製し、そのときになってから、生素地にBLUEPOINT照射システムを用いて13200mW/cmの出力で10秒、照射を行うことにより架橋した。結果物は透明なシリコーンエラストマーピラミッド体であった(図5参照)。
[実施例8]:
本発明のこのシリコーンゴム組成物は、τ=5.33秒の緩和パラメータを有するものであり、なんら問題なくDOD法において吐出可能で(ボクセル直径0.6mm)、レイヤーバイレイヤー式で加工可能であり、15×15×3mmの寸法を有する立方体のシリコーンエラストマーパーツを形成した。
[実施例9]:
本発明のこのシリコーンゴム組成物は、τ=6.68秒の緩和パラメータを有するものであり、なんら問題なくDOD法において吐出可能で(ボクセル直径0.6mm)、レイヤーバイレイヤー式で加工可能であり、15×15×3mmの寸法を有する立方体のシリコーンエラストマーパーツを形成した。
[実施例10、11、12、13](本発明外):
これらのシリコーンゴム組成物を吐出させるときれいでない印刷が得られ、これは、場合により個々の液滴の不完全な隔離によって引き起こされた(液滴が細い線によって互いにつながったままであり、液滴の分離が不完全であったことを意味する。)。また、ワークベンチに当たった液滴が非常に広い平たいボクセルを形成し、この直径は約1500μmであった。印刷時のこの流動の結果、より微細な構造細部を表現することは可能でなった。本発明外のシリコーンゴム組成物は、この材料が、圧力シグナルがなくてもカートリッジ内の供給圧力の結果だけで吐出弁を通り抜けるため、短時間後にノズル詰まりの傾向を示した。DOD 3D印刷の長時間安定性は可能でなかった。図7は、レオロジー試験法によって測定した実施例10の測定曲線(実線)を、式(III)による理論値プロット(点線)と比較して示す。印刷操作中の印刷バルブの詰まりを図8に示す。
[実施例10](本発明外):
実施例10の本発明外のシリコーンゴム組成物を使用し、同時UV照射を伴ってレイヤーバイレイヤー式で積層することにより、15×15×3mmの寸法を有する立方体のシリコーンエラストマーパーツを作製する試みを行った。最初の印刷層ですらきれいでない印刷が示された。その後の印刷過程において、ノズルが完全に詰まり、この結果、個々の規定の液滴を定量供給することがもはや可能でなくなった;それどころか、材料は、詰まったジェットノズルから構成要素上にでこぼこに堆積され、不格好な成型体が得られた。また、成型体は視認可能な気泡を有していた(図9参照)。
[実施例11](本発明外):
本発明外のシリコーンゴム組成物を使用し、生素地へのUV照射なしでレイヤーバイレイヤー式にて積層することにより、15×15×3mmの寸法を有する立方体のシリコーンエラストマーパーツを作製する試みを行った。この場合、吐出投入弁のノズルは試刷の開始直後に、堆積した材料で完全に詰まった状態になった。印刷プログラムを継続すると、視認可能な気泡を有するでこぼこで不格好な架橋成型体が作製された。印刷プログラムが終了した後、生素地を、BLUEPOINT照射システムを用いて13200mW/cmの出力で10秒、照射を行うことにより架橋した(図10参照)。
[実施例28、29、30](本発明外):
実施例28の本発明外のシリコーンゴム組成物を使用し、生素地へのUV照射なしでレイヤーバイレイヤー式にて積層することにより、直径20mmを有する半球状パーツを顕微鏡ガラススライド上に堆積させる試みを行った。この本発明外の配合物では、ジェットノズルのノズル開口部からのシリコーン組成物の逸出がさらに速くなった。最初の層の堆積中でさえ、液滴が吐出弁の裏面上に形成され、これにより、ノズル開口部からのさらなる組成物の逸出のため、サイズがさらに増大した。既に堆積された印刷層が液滴で汚れた。その後、さらなる印刷操作を停止した(図11参照)。

Claims (9)

  1. (A)50%から95%(重量基準)の、1分子あたり少なくとも2個の不飽和脂肪族基を有する少なくとも1種類の線状有機ケイ素化合物、
    (B)1%から10%(重量基準)の、1分子あたり少なくとも2個のSiH基を有する少なくとも1種類の有機ケイ素化合物、
    または、(A)と(B)に加えて、
    (G)0%から95%(重量基準)の、1分子あたり少なくとも2個の不飽和脂肪族基と少なくとも2個のSiH基を有する少なくとも1種類の有機ケイ素化合物、
    または、(A)+(B)の代わりに、
    (G)50%から95%(重量基準)の、1分子あたり少なくとも2個の不飽和脂肪族基と少なくとも2個のSiH基を有する少なくとも1種類の有機ケイ素化合物、
    (C)シリコーンゴム組成物全体に対して金属の含有量ベースで0.1から500ppm(重量基準)の少なくとも1種類のヒドロシリル化触媒、
    (F)0%から30%(重量基準)の、(D)および(E)以外の助剤、
    ならびに
    (D)1%から30%(重量基準)の、少なくとも1種類の強化材を、
    (E)0.01%から2%(重量基準)の、極性基を含むものであり、(E1)、(E2)および(E3)ならびにこれらの混合物
    (E1)エポキシ基官能性化合物、
    (E2)(ポリ)エーテル基官能性化合物、
    (E3)(ポリ)エステル基官能性化合物、
    ここで、該エポキシおよびエーテルおよびエステル基はまた、単一の分子内に存在していてもよい、
    から選択されるレオロジー剤との併用で
    含む、バリスティック付加DOD法でのシリコーン材料の3D印刷のためのシリコーンゴム組成物であって、
    当該シリコーンゴム組成物の緩和時間τが以下の範囲内:
    0秒<τ≦10秒
    であり、
    ここで、τは、式(III):
    η(t)=ηmax+(η−ηmax)*EXP(−t/τ) (III)
    により計算され、
    式中
    −η(t)は時間tにおける粘度であり、
    −ηmaxは、剪断を止めた後、所与の時間内に得られた最大粘度を表し、
    −ηは、高剪断の直後に(即ち、時間t=0において)測定された粘度であり、
    −EXPは指数関数を意味する、
    ただし、成分(E)を除くすべての成分を含むシリコーンゴム組成物の粘度ηMP1は300000mPa.sより大きくないものとし、
    ここで、当該緩和時間τおよび当該粘度ηMP1を求めるための粘度の測定は、本明細書に開示したレオロジー試験法によって行われることを特徴とする、
    シリコーンゴム組成物。
  2. 当該シリコーンゴム組成物の緩和時間τが以下の範囲内:
    0秒<τ≦7秒
    であることを特徴とする、請求項1に記載のシリコーンゴム組成物。
  3. 当該シリコーンゴム組成物の緩和時間τが以下の範囲内:
    0秒<τ≦5秒
    であることを特徴とする、請求項1または2に記載のシリコーンゴム組成物。
  4. (E)がエポキシ官能性有機化合物(E1)であることを特徴とする、請求項1から3のいずれか一項に記載のシリコーンゴム組成物。
  5. (D)として使用される材料が、ヒュームドシリカおよび沈降シリカから選択される材料(D1)であることを特徴とする、請求項1から4のいずれか一項に記載のシリコーンゴム組成物。
  6. 架橋が、UVまたはUV−VIS線放射による開始によって行われることを特徴とする、請求項1から5のいずれか一項に記載のシリコーンゴム組成物。
  7. (D)に対する(E)の含有量が、成分(D)1グラムあたり成分(E)の極性基が少なくとも0.1μmolから最大100mmolとなるようなものであることを特徴とする、請求項1から6のいずれか一項に記載のシリコーンゴム組成物。
  8. エラストマー成形体の作製方法であって、該成形体が、請求項1から7のいずれか一項に記載のシリコーンゴム組成物からバリスティック付加DOD法(3D印刷)によって形成されることを特徴とする方法。
  9. バリスティック付加DOD法(3D印刷)によるエラストマー成形体の作製のための請求項1から7のいずれか一項に記載のシリコーンゴム組成物の使用。
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