JP7176120B2 - シリコーンエラストマー物品の付加製造の方法 - Google Patents

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Description

本発明は、シリコーンエラストマー物品の付加製造の方法に関する。特に、本発明は、3Dプリンターを使用してシリコーンエラストマー物品及び支持体を付加製造するための方法に関する。
付加製造技術は、成形部品の層の自動付加構築が共通の特徴であるさまざまな技術を包含する。付加架橋シリコーン組成物は、3次元エラストマーシリコーン物品又は部品を製造するための付加製造法ですでに使用されている。
少なくとも5cmの高さや、張り出した構造、又はキャビティのような複雑な形状を有するシリコーンエラストマー物品を印刷するために、シリコーン組成物の印刷中に支持体を使用する必要がある場合がある。
US2015/0028523は、ポリグリコール酸ポリマーを含む支持材料を使用して、付加製造システムで3D部品を印刷する方法を開示している。ただし、印刷するには支持材料を非常に高温(150℃以上)に加熱する必要がある。
US20180036953は、A)少なくとも1つのポリエーテル、B)少なくとも1つの粒子状レオロジー添加剤、及びC)任意選択で他の追加物質を含む支持材料組成物を使用する3D成形品の付加製造プロセスを開示している。それにもかかわらず、この方法は有機溶媒(ポリエーテル)の使用を必要とし、組成物は再利用可能ではないようである。
これらの方法にはまだいくつかの欠点があるため、複雑な形状のシリコーンエラストマー物品を3D印刷するための改善された方法を提供する必要がある。
したがって、本発明の本質的な目的は、複雑な形状を有するシリコーンエラストマー物品の付加製造のための方法を提供することである。
本発明の別の本質的な目的は、異なる粘度を有するシリコーン組成物を使用することができる、シリコーンエラストマー物品の付加製造のための方法を提供することである。
本発明の別の本質的な目的は、シリコーンエラストマー物品及び支持体の付加製造のための方法を提供することである。
本発明の別の本質的な目的は、支持体を容易に除去することができる、シリコーンエラストマー物品及び支持体の付加製造のための方法を提供することである。
本発明の別の本質的な目的は、実施が容易である、シリコーンエラストマー物品及び支持体の付加製造のための方法を提供することである。
本発明の別の本質的な目的は、支持体をリサイクルすることができる、シリコーンエラストマー物品及び支持体の付加製造のための方法を提供することである。
本発明の別の本質的な目的は、シリコーンエラストマー物品の付加製造に使用できる支持体を提供することである。
これらの目的は、とりわけ、本発明によって達成され、これは、まず、押出3Dプリンター及び3D噴射プリンターから選択される3Dプリンターを使用したシリコーンエラストマー物品及び支持体の付加製造の方法に関する。前記方法は、以下のステップ:
1)前記支持体の少なくとも一部を支持材料組成物Vで印刷し;
2)前記シリコーンエラストマー物品の架橋可能なシリコーン組成物X前駆体の少なくとも一部を印刷し;
3)任意選択でステップ1)及び/又はステップ2)を繰り返し;
4)前記シリコーンエラストマー物品の前記架橋可能なシリコーン組成物X前駆体を、任意選択で加熱することによって架橋させて、シリコーンエラストマー物品を得ること
を含み、
ステップ1)と2)は同時に又は連続して実行し、ステップ1)と2)を連続して実行する場合は、ステップ1)をステップ2)の前に実行するか、ステップ2)をステップ1)の前に実行し、
前記支持材料組成物Vは、
・3~30重量%の少なくとも1つのナノクレイ、及び
・少なくとも50重量%の水、好ましくは脱塩水又は蒸留水
を含む。
ナノクレイと水を含む支持体組成物材料Vは、良好なチキソトロピー特性を有し、したがって、3D印刷に有用である。特に、それは印刷されたシリコーン組成物の崩壊又は変形を回避する。したがって、張り出し構造のような複雑な形状のシリコーンエラストマー物品は、この方法を使用して印刷することができる。
さらに、支持材料組成物Vは、例えば、溶媒への溶解によって、及び/又は機械的に容易に除去することができる。支持材料組成物Vを回収することも可能である。
支持体組成物材料Vの別の利点は、その透明性である。したがって、シリコーンエラストマー物品の構築及び透明な支持体を可視化することが可能である。
本発明はまた、好ましくは押し出しによる、支持体の3D印刷における、以下を含む支持材料組成物Vの使用に関する:
・3~30重量%の少なくとも1つのナノクレイ、及び
・少なくとも50重量%の水。
本開示では、記号「重量%」は重量に基づくパーセンテージを指す。
付加製造の方法
3D印刷は、一般に、コンピューターで生成された物理的物体を製造するために使用される多くの関連テクノロジー(例えば、コンピューター支援設計(CAD)、データソース)に関連する。
本開示には、一般に、ASTM指定F2792-12a、「付加製造技術の標準用語」が組み込まれる。
「3Dプリンター」は「3D印刷に使用される機械」と定義され、「3D印刷」は「プリントヘッド、ノズル、又は他のプリンター技術を使用した材料の堆積による物体の製造」と定義される。
「付加製造(additive manufacturing、AM)」は、機械加工手法とは対照的に、「(通常は層ごとに)材料を結合して3Dモデルデータから物体を作製するプロセス」と定義される。3D印刷に関連し、それらに含まれる同義語には、付加造形、付加加工、付加技術、層付加製造、層製造、フリーフォーム加工が含まれる。付加製造(AM)は、ラピッドプロトタイピング(rapid prototyping、RP)と呼ばれることもある。本明細書で使用される場合、「3D印刷」は一般に「付加製造」と交換可能であり、逆もまた同様である。
「印刷」は、プリントヘッド、ノズル、又は別のプリンター技術を使用して、材料、ここでは架橋可能なシリコーン組成物又は支持材料組成物を堆積させることとして定義される。
本開示において、「3D又は3次元の物品、物体又は部品」とは、上記で開示された付加製造又は3D印刷によって得られた物品、物体又は部品を意味する。
一般に、すべての3D印刷プロセスには共通の開始点がある。これは、物体を記述することができるコンピューター生成のデータソース又はプログラムである。コンピューター生成のデータソース又はプログラムは、実際の物体又は仮想の物体に基づくことができる。例えば、3Dスキャナーを使用して、実際の物体をスキャンし、スキャンデータを使用してコンピューター生成のデータソース又はプログラムを作成できる。あるいは、コンピューター生成のデータソース又はプログラムをゼロから設計することもできる。
コンピューター生成のデータソース又はプログラムは、通常、標準テッセレーション言語(standard tessellation language、STL)ファイル形式に変換される。ただし、他のファイル形式も代替として、又は追加で使用できる。ファイルは通常、3D印刷ソフトウェアに読み込まれ、ソフトウェアは、ファイル及び任意選択のユーザー入力を取得して、これを数百、数千、さらには数百万の「スライス」に分割する。3D印刷ソフトウェアは通常、マシン命令を出力する。これはGコードの形式であり得、3Dプリンターによって読み取られて、支持体及びシリコーンエラストマー物品の前駆体の各スライスが作成される。機械命令は3Dプリンターに転送され、3Dプリンターは、この機械命令形式のスライス情報に基づいて、層ごとに物体(支持体及びシリコーンエラストマー物品の前駆体)を構築する。これらのスライスの厚さは異なり得る。
典型的には、3Dプリンターはディスペンサー、例えば、シリコーンエラストマー物品の架橋可能なシリコーン組成物X前駆体を印刷するためノズル又はプリントヘッド、及び支持体組成物材料Vを印刷するための別のディスペンサーを利用する。任意選択で、ディスペンサーは、シリコーンエラストマー物品の架橋可能なシリコーン組成物X前駆体及び/又は支持体組成物材料Vを投与する前、最中、及び後に加熱することができる。複数のディスペンサーを利用することができ、各ディスペンサーは独立して選択された特性を有し得る。
押出3Dプリンターは、付加製造プロセス中に材料がノズル、シリンジ、又はオリフィスから押し出される3Dプリンターである。3Dプリンターは、1つ以上のノズル、シリンジ、又はオリフィスを有し得る。好ましくは、3Dプリンターは、付加製造プロセスのために少なくとも2つのノズル、シリンジ、又はオリフィスを有する。
材料の押し出しは、一般に、ノズル、シリンジ、又はオリフィスを通して材料を押し出して、物体の1つの断面を印刷することによって機能する。これは、後続の層に対して繰り返すことができる。押し出された材料は、材料の硬化中にその下の層に結合する。
有利には、シリコーンエラストマー物品の架橋可能なシリコーン組成物X前駆体は、ノズルを通して押し出され、支持体組成物Vは、別のノズルを通して押し出される。ノズルを加熱して、シリコーンエラストマー物品の架橋可能なシリコーン組成物X前駆体又は支持材料組成物Vの投与を助けることができる。
ノズルの平均直径は層の厚さを決める。一実施形態では、ノズルの直径は、50~2,000μm、好ましくは100~800μm、最も好ましくは100~500μmで構成される。
ノズルと基板の間の距離は、良好な形状を保証するための重要なパラメータである。好ましくは、それはノズル平均直径の70~200%、より好ましくは80~120%で構成される。
ノズルを通して投与される、シリコーンエラストマー物品の架橋可能なシリコーン組成物X前駆体及び支持材料組成物Vは、カートリッジ式システムから供給され得る。カートリッジは、関連する1つ又は複数の流体リザーバーを備えた1つ又は複数のノズルを含み得る。スタティックミキサーと1つのノズルのみを備えた同軸2カートリッジシステムを使用することも可能である。これは、シリコーンエラストマー物品の架橋可能なシリコーン組成物X前駆体がマルチパーツ組成物である場合に特に有用である。
圧力は、投与される流体、関連するノズルの平均直径、及び印刷速度に合わせて調整されることになる。
ノズルの押し出し中に発生する高いせん断速度のために、シリコーンエラストマー物品の架橋可能なシリコーン組成物X前駆体及び支持材料組成物Vの粘度が大幅に低下するため、微細な層の印刷を可能にする。
カートリッジ圧力は、1~28バール、好ましくは2~25バール、そして最も好ましくは4~8バールまで変化し得る。100μm未満のノズル直径を使用する場合、良好な材料の押し出しを得るために、カートリッジの圧力は20バールより高くする必要がある。このような圧力に耐えるために、アルミニウムカートリッジを使用する適合機器を使用する必要がある。
ノズル及び/又はビルドプラットフォームは、X-Y(水平面)内を移動して物体の断面を完成させ、1つの層が完了するとZ軸(垂直)平面内を移動する。ノズルの約10μmの高いXYZ移動精度を有する。各層がX、Y作業面に印刷された後、ノズルは、次の層をX、Y作業場所に適用できる距離だけ、Z方向に移動される。このようにして、支持体又はシリコーンエラストマー物品の前駆体となる物体は、下から上に向かって1層ずつ構築される。
前述のように、ノズルと前の層との間の距離は、良好な形状を保証するための重要なパラメータである。好ましくは、それは、ノズル平均直径の70~200%、好ましくは80~120%で構成されるべきである。
有利には、良好な精度と製造速度との間の最良の妥協点を得るために、印刷速度は1~100mm/秒、好ましくは3~50mm/秒で構成される。
「材料噴射」は、「構築材料の液滴が選択的に堆積される付加製造プロセス」として定義される。材料は、個々の液滴の形で印刷ヘッドの助けを借りて、作業面の所望の位置に不連続に適用される(ジェッティング)。少なくとも1つ、好ましくは2~200の印刷ヘッドノズルを含む印刷ヘッド配置を備えた3D構造の段階的製造のための3D装置及びプロセスは、複数の材料を適切な場所に選択的適用することを可能にする。噴射印刷による材料の適用は、材料の粘度に特定の要件を課す。
3D噴射プリンターでは、1つ又は複数のリザーバーが圧力を受け、計量ラインを介して計量ノズルに接続される。リザーバーの上流又は下流に、多成分シリコーン組成物を均一に混合すること、及び/又は溶解ガスを排出することを可能にする装置があり得る。互いに独立して作動する1つ又は複数の噴射装置が存在して、シリコーンエラストマー物品の支持体及び前駆体を構築するか、異なるシリコーン組成物からシリコーンエラストマー物品の前駆体を構築するか、又はより複雑な構造の場合、シリコーンエラストマー及び他のプラスチックから作られた複合部品を可能にすることができる。
噴射計量手順中に計量バルブで発生する高いせん断速度のために、そのようなシリコーン組成物及び支持材料組成物の粘度は大幅に低下し、したがって非常に微細な微小液滴の噴射計量を可能にする。微小液滴が基板上に堆積した後、そのせん断速度が突然低下するため、その粘度は再び上昇する。このため、堆積した液滴は再び急速に高粘度になり、3次元構造の形状精度の高い構築が可能になる。
個々の計量ノズルをx、y、z方向に正確に配置することで、基板上、又は、その後の成形部品の形成過程で、すでに配置されたシリコーンエラストマー物品の前駆体又は支持体上に、架橋可能なシリコーン組成物の液滴、及び支持材料組成物の液滴の正確な、ターゲットを絞った堆積を可能にすることができる。
この方法の好ましい実施形態では、3次元シリコーンエラストマー物品を付加製造するための方法は、押出3Dプリンターを使用する。
本方法の一実施形態では、3次元シリコーンエラストマー物品を付加製造するための方法は、(i)少なくとも1つのディスペンサー、例えば、シリコーンエラストマー物品の架橋可能なシリコーン組成物X前駆体を印刷するためのノズル又はプリントヘッド、及び(ii)支持体組成物材料Vを印刷するための少なくとも1つのディスペンサーを含む押出3Dプリンターを使用する。
本方法の一実施形態では、3次元シリコーンエラストマー物品を付加製造するための方法は、(i)シリコーンエラストマー物品の架橋可能なシリコーン組成物X前駆体を印刷するための少なくとも1つのノズル、及び(ii)支持体組成物材料Vを印刷するための少なくとも1つノズルを含む押出3Dプリンターを使用し、各ノズルの直径は、50~2,000μm、好ましくは100~800μm、最も好ましくは100~500μmで構成される。
本方法の一実施形態では、3次元シリコーンエラストマー物品を付加製造するための方法は、(i)ノズルを通して投与される支持材料組成物Vを含む少なくとも1つのカートリッジ、及び(ii)ノズルを通して投与されるシリコーンエラストマー物品の架橋可能なシリコーン組成物X前駆体を含む少なくとも1つのカートリッジを含む押出3Dプリンターを使用し、各ノズルの直径は、50~2,000μm、好ましくは100~800μm、最も好ましくは100~500μmで構成され、カートリッジ圧力は、好ましくは1~28バールで構成される。
他の付加製造法とは異なり、構造の崩壊を回避するために、各層が印刷された後に硬化を開始させるために、照射又は加熱された環境で本発明の方法を実行する必要はない。
印刷ステップ1)及び2)は、同時に又は連続して実行することができる。
それらが同時に実行される場合、支持体の部分及びシリコーンエラストマー物品の前駆体の部分が同時に印刷される。
それらが連続して実行される場合、ステップ1)はステップ2)の前に実行することができ、その結果、支持体の部分が最初に印刷され、次にシリコーンエラストマー物品の前駆体の部分が印刷される。又は、ステップ2)は、ステップ1)の前に実行することができ、その結果、シリコーンエラストマー物品の前駆体の部分が最初に印刷され、次に支持体の部分が印刷される。
ステップ1)及び/又はステップは2)は数回繰り返すことができる。これらのステップを繰り返すたびに、同時に又は連続して実行できる。
例えば、支持体の最初の部分が印刷され、次にシリコーンエラストマー物品の前駆体の部分が印刷され、そして最後に、支持体の部分とシリコーンエラストマー物品の前駆体の部分が同時に印刷される。
印刷ステップ1)及び2)は、室温で、又は加熱により実行することができる。例えば、印刷ステップ1)及び2)は、25~90℃の温度で、好ましくは25~80℃の温度で実施することができる。
架橋ステップ4)は、室温で又は加熱により実施することができる。有利には、架橋ステップ4)は、室温で、又は40℃以下の温度で、好ましくは10分~24時間の期間加熱することによって実施される。この架橋ステップは数回行うことができる。一実施形態では、ステップ4)は、シリコーンエラストマー物品の架橋可能なシリコーン組成物X前駆体を加熱するステップである。加熱は硬化を促進するために使用できる。別の実施形態では、ステップ4)は、シリコーンエラストマー物品の架橋可能なシリコーン組成物X前駆体を照射するステップであり、照射は、UV光で実施することができる。硬化を促進するために、さらなる照射を使用することができる。別の実施形態では、ステップ4)は、シリコーンエラストマー物品の架橋可能なシリコーン組成物X前駆体を加熱及び照射することの両方を含む。
本方法は、支持体を除去するステップをさらに含むことができる。支持体は、例えば、印刷物体をブラッシングすることによって、又は印刷物体に乾燥空気で吹き付けることによって、好ましくは支持体のダストを回収する部屋内で、機械的に除去することができる。
支持体はまた、溶媒、好ましくは水に溶解することによって、より好ましくは(脱塩水、又は酸性条件、又は分散剤を使用して)撹拌水浴に浸漬することによって除去することができる。
支持体はまた、例えば溶媒と超音波の組み合わせを使用して、機械的に、及び溶媒に溶解することによって除去することができる。
除去ステップは、架橋ステップ4)の前及び/又は後に実施することができる。本方法の一実施形態によれば、シリコーンエラストマー物品の架橋可能なシリコーン組成物X前駆体を室温で架橋させることにより、又はシリコーンエラストマー物品の架橋可能なシリコーン組成物X前駆体を40℃以下の温度、好ましくは10分~24時間の期間で加熱することにより、第1の架橋工程4)が実行され、次に、支持体を機械的に及び/又は溶媒に溶解することにより除去し、次いで、架橋を完了するために、シリコーンエラストマー物品の架橋可能なシリコーン組成物X前駆体を25~250℃、好ましくは30~200℃の温度で加熱することにより、別の架橋ステップ4)を実施する。
支持体組成物材料Vをリサイクルすることが可能である。支持体が機械的に除去されると、ナノクレイは収集され、凍結乾燥され、そして再び使用され得る。水又は分散剤添加剤を含む水などの溶媒に支持体を溶解した後、水の蒸発によってナノクレイの濃縮溶液を回収することが可能である。
後処理オプション
任意選択で、後処理ステップにより、印刷物品の表面品質を大幅に向上させることができる。研磨は、モデルの目に見えて異なる層を削減又は取り除くための一般的な方法である。シリコーンエラストマー物品の表面に熱又はUV硬化性のRTV又は架橋可能なLSRシリコーン組成物をスプレー又はコーティングすることで、適切な滑らかな表面を得ることができる。
レーザーによる表面処理も可能である。
医療用途の場合、最終的なエラストマー物品の滅菌は、例えば、乾燥雰囲気又は蒸気を含むオートクレーブのいずれかで加熱すること、例えば、ガンマ線下で100℃を超える温度で物体を加熱すること、エチレンオキシドでの滅菌、電子ビームでの滅菌により得られる。
得られたシリコーンエラストマー物品は、単純又は複雑な形状を有する任意の物品であり得る。例えば、心臓、肺、腎臓、前立腺などの解剖学的モデル(機能的又は非機能的)、外科用や教育用のモデル、装具やプロテーゼ、さらには長期インプラント(補聴器、ステント、喉頭インプラント)などのさまざまなクラスのインプラントなどがある。
得られたシリコーンエラストマー物品は、ロボット工学用のアクチュエータ、ガスケット、自動車/航空用の機械部品、電子機器用の部品、構成部品のカプセル化用のパッケージ、振動アイソレータ、衝撃アイソレータ、又はノイズアイソレータにすることもできる。
支持材料組成物V
支持材料組成物Vは以下を含む:
・3~30重量%の少なくとも1つのナノクレイ、及び
・少なくとも50重量%の水、好ましくは脱塩水又は蒸留水。
本明細書で使用される場合、「ナノクレイ」という用語は、層状鉱物ケイ酸塩のナノ粒子を指す。層状鉱物ケイ酸塩のナノ粒子は、1μm以下の少なくとも1つの平均個別寸法、好ましくは100nm以下の少なくとも1つの個別寸法を有する粒子である。さらに、層状鉱物ケイ酸塩のナノ粒子は、数μmのサイズを有し得る凝集体を形成することができることが知られている。
化学組成とナノ粒子の形態に応じて、ナノクレイはいくつかのクラスに分類される。有利には、ナノクレイは、四面体シート(T)及び八面体シート(O)から構成される層状構造を有する層状ケイ酸塩である。それらは次の構造を持つことができる:
・各層が1つの四面体シート(T)と1つの八面体シート(O)で形成されるTO(又は1:1)構造。例えばカオリン-蛇紋石のグループ。
・各層が2つの四面体シート(T)間で結合された1つの八面体シート(O)によって形成されるTOT(又は2:1)構造。例えばスメクタイトとベントナイトのグループ。
・各層が2つの四面体シート(T)間で結合された1つの八面体シート(O)に隣接する1つの八面体シート(O)によって形成されるTOT:O(又は2:1:1)構造。例えば緑泥石のグループ。
好ましくは、ナノクレイは以下から選択される:
・カオリン-蛇紋石、好ましくはハロイサイト及びカオリナイトからなる群から選択される;
・スメクタイト、好ましくはモンモリロナイト、ヘクトライト及びラポナイトからなる群から選択される;
・ベントナイト;及び
・それらの混合物。
ナノクレイは、カオリン-蛇紋石から、好ましくはハロイサイト、カオリナイト及びそれらの混合物からなる群から選択することができる。ナノクレイはまた、スメクタイト、ベントナイト、及びそれらの混合物からなる群から選択され得る。
有利には、ナノクレイは、スメクタイトから、好ましくはサポナイト、ヘクトライト、ソーコナイト、スティーブンサイト、スウィネフォーダイト、モンモリロナイト、バイデライト、ノントロナイト、ボルコンスコイトフルオロハクタイト、ラポナイト及びそれらの混合物からなる群から選択される。ナノクレイは、モンモリロナイト、ヘクトライト、及びそれらの混合物からなる群から選択することもできる。
より好ましくは、ナノクレイはラポナイトである。ラポナイトはケイ酸・リチウムマグネシウムナトリウム塩であり、次の化学式を有し得る:Na+ 0.7[(Si8Mg5.5Li0.3)O20(OH)4-0.7。ラポナイトは合成ヘクトライトである。
一実施形態によれば、ナノクレイは、ヘクトライト、ラポナイト、及びそれらの混合物からなる群から選択される。ヘクトライトの例には、Hatoriteという名前で商品化されているものが含まれる。
一実施形態によれば、支持材料組成物Vは、以下を含む:
・3~30重量%、好ましくは3~16重量%、より好ましくは3.5~16重量%の少なくとも1つのナノクレイ;
・少なくとも50重量%、好ましくは50~97重量%の水、好ましくは脱塩水又は蒸留水;及び
・0~47重量%、好ましくは0~20重量%の少なくとも1つの添加剤。
支持材料組成物Vに使用される水は、好ましくは脱塩又は蒸留される。
一実施形態によれば、支持材料組成物Vは、3~16重量%、好ましくは3.5~16重量%、より好ましくは4~12重量%、さらにより好ましくは4~10重量%の少なくとも1つのナノクレイを含む。
別の実施形態によれば、支持材料組成物Vは、少なくとも60重量%、好ましくは少なくとも70重量%、より好ましくは少なくとも80重量%の水を含む。支持材料組成物Vは、50~97重量%、好ましくは70~97重量%、より好ましくは80~96重量%の水を含み得る。
一実施形態によれば、支持材料組成物Vは、以下を含む:
・3~16重量%、好ましくは3.5~16重量%、より好ましくは4~12重量%、さらにより好ましくは4~10重量%の少なくとも1つのナノクレイ;
・50~97重量%、好ましくは70~97重量%、より好ましくは80~96重量%の水。
一実施形態によれば、支持材料組成物Vは、以下からなる:
・3~30重量%の少なくとも1つのナノクレイ、及び
・70~97重量%の水。
別の実施形態によれば、支持材料組成物Vは、以下からなる:
・3~16重量%の少なくとも1つのナノクレイ、及び
・84~97重量%の水。
有利には、支持材料組成物はチキソトロピー特性を有する。支持材料組成物Vは、以下のレオロジー特性を有することができる:高せん断速度での低粘度、及び低せん断速度での高粘度。せん断速度は、流体が流動中にせん断される速度である。支持材料組成物Vの粘度は、Haake MARSレオメーター(25℃で2°のコーンプレート及び20mmの直径、GAP=100μm)を使用して、25℃で測定される。好ましくは、支持材料組成物Vは、10s-1のせん断速度で500Pa・s以下の粘度を有し、0.01s-1のせん断速度で500Pa・s以上の粘度を有する。
支持材料組成物Vは、10s-1のせん断速度で250Pa・s以下の粘度を有することができる。好ましくは、支持材料組成物Vの粘度は、10s-1のせん断速度で、3~500Pa・s、好ましくは9~250Pa・sで構成される。
支持材料組成物Vは、0.01s-1のせん断速度で1,000Pa・s秒以上の粘度を有することができる。好ましくは、支持材料組成物Vの粘度は、0.01s-1のせん断速度で、500~200,000Pa・s、好ましくは1,000~100,000Pa・sで構成される。
10s-1のせん断速度で500Pa・s以下の粘度は、せん断応力下で、支持材料組成物Vが流体のように振る舞い、したがってそれを印刷することが可能であることを示す。0.01s-1のせん断速度で500Pa・s以上の粘度は、せん断応力が低いかまったくない場合、支持材料組成Vがゲルのように振る舞い、シリコーンエラストマー物品の架橋可能なシリコーン組成物X前駆体の支持体として使用できることを示す。その結果、支持材料組成物Vは、3D印刷と適合性のある良好なチキソトロピー特性を有する。
さらに、せん断応力を停止した後、支持材料組成物Vの粘度は急速に増加して高い値に戻り、これにより、支持材料組成物V又はシリコーンエラストマー物品の架橋可能なシリコーン組成物X前駆体の別の層をその上に迅速に印刷することが可能になる。支持材料組成物Vの粘度は、20s-1のせん断応力を停止した後、90秒で、0.01s-1のせん断速度で500Pa・s以上であり得る。
支持材料組成物Vは、以下から選択される少なくとも1つの添加剤をさらに含むことができる:
・レオロジー添加剤、
・着色剤;
・pH調整剤;
・抗菌剤;
・分散剤;及び
・それらの混合物。
レオロジー添加剤は、支持材料組成物Vのレオロジー特性を変更するために使用することができる。粘度調整剤として作用するレオロジー添加剤は、本発明において特に有用である。粘度調整剤として作用するレオロジー添加剤の例は次のとおりである:
・セルロース、キサンタンガム、グアーガム、アルギン酸塩などの多糖類;カルボキシメチルセルロースなどのセルロースエーテル;アクリル酸をベースにしたポリマー(カルボマー);ポロキサマー;ポリエチレンオキシド;及びそれらの混合物から選択できる、水溶性又は水分散性ポリマー。
・コラーゲン、フィブリン、ゼラチン及びそれらの混合物から選択することができるタンパク質又はペプチド。
特定の実施形態では、支持材料組成物Vは、水溶性又は水分散性ポリマー、好ましくはゲル化ポリマーをさらに含む。ゲル化ポリマーは、ヒドロゲルを形成することができる熱応答性ポリマーであり得る。
水溶性又は水分散性ポリマーは、好ましくは、セルロース、キサンタンガム、グアーガム、アルギン酸塩などの多糖類;カルボキシメチルセルロースなどのセルロースエーテル;アクリル酸をベースにしたポリマー(カルボマー);ポロキサマー;ポリエチレンオキシド;及びそれらの混合物から選択される。
有利なことに、支持材料組成物Vは、ポロキサマーをさらに含む。ポロキサマーの例には、Pluronic127のように、Pluronic(登録商標)という名前で商品化されているものが含まれる。
特定の実施形態では、支持材料組成物Vは、0.1重量%を超え、好ましくは0.1~25重量%、より好ましくは1~20重量%、さらにより好ましくは5~15重量%の水溶性又は水分散性ポリマーをさらに含む。
着色剤を使用して、支持材料組成物Vを着色することができ、支持材料組成物Vは、着色剤が使用されない場合、一般に透明である。着色剤の例には、有機又は無機の顔料及び染料が含まれる。
pH調整剤は、支持材料組成物VのpHを変更又は安定化するために使用される。pH調整剤は、緩衝液、塩基又は酸であり得る。
緩衝液の例には、クエン酸又は乳酸緩衝液などの炭酸塩緩衝液、ホウ酸塩緩衝液、リン酸緩衝液及び硫酸塩緩衝液が含まれる。
本発明で使用できる塩基の例には、水酸化ナトリウム、メタケイ酸ナトリウム、アンモニウム溶液、2-アミノ-2-メチル-1-プロパノールのような一級アミン、二級アミン、又はジメチルエタノールアミン又はトリエタノールアミンのような三級アミンが含まれる。
抗菌剤には、抗細菌剤及び抗真菌剤が含まれる。
分散剤はクレイの分散を促進し、ナノクレイの濃縮溶液を得るために使用することができる。分散剤の例には、ピロリン酸四ナトリウムのような縮合リン酸塩、グリコール、シリコーンベースの分散剤、例えば、Silcolapse(登録商標)の名前で市販されているシリコーンベースの分散剤、及びいくつかの非イオン性界面活性剤が含まれる。
特定の実施形態によれば、支持材料組成物Vは、2重量%未満、好ましくは1重量%未満、より好ましくは0.001~0.1重量%の含有量で分散剤をさらに含む。
一実施形態によれば、支持材料組成物Vはさらに以下を含む:
・1~20%の水溶性又は水分散性ポリマー、典型的にはポロキサマー;及び
・任意選択で、0.001~0.1重量%の分散剤、典型的にはシリコーンベースの分散剤。
特定の実施形態によれば、支持材料組成物Vは、以下を含む:
・3~30重量%、好ましくは3~16重量%、より好ましくは3.5~16重量%の少なくとも1つのナノクレイ;
・少なくとも50重量%、好ましくは50~97重量%の水、好ましくは脱塩水又は蒸留水;
・1~20%の水溶性又は水分散性ポリマー、典型的にはポロキサマー;及び
・任意選択で、0.001~0.1重量%の分散剤、典型的にはシリコーンベースの分散剤。
支持材料組成物Vの使用
本発明はまた、支持体の(好ましくは押し出しによる)3D印刷における、以下を含む支持材料組成物Vの使用に関する:
・3~30重量%の少なくとも1つのナノクレイ、及び
・少なくとも50重量%の水。
支持材料組成物Vは、本明細書に記載されているものである。好ましくは、支持材料組成物Vは、以下を含む:
・3~16重量%、好ましくは3.5~16重量%、より好ましくは4~12重量%、さらにより好ましくは4~10重量%の少なくとも1つのナノクレイ;及び
・50~97重量%、好ましくは70~97重量%、より好ましくは80~96重量%の水。
支持体の3D印刷は、好ましくは、(i)支持体組成物材料Vを印刷するための少なくとも1つのディスペンサーを含む押出3Dプリンターを使用して行われる。一実施形態では、押出3Dプリンターは、(i)支持体組成物材料Vを印刷するための少なくとも1つのノズルを含む。各ノズルの直径は、50~2,000μm、好ましくは100~800μm、最も好ましくは100~500μmで構成される。
本発明はまた、3Dプリンター(好ましくは押出3Dプリンター)を使用したシリコーンエラストマー物品及び支持体の付加製造における、以下を含む支持材料組成物Vの使用に関する:
・3~30重量%の少なくとも1つのナノクレイ、及び
・少なくとも50重量%の水。
支持材料組成物Vは、本明細書に記載されているものである。好ましくは、支持材料組成物Vは、以下を含む:
・3~16重量%、好ましくは3.5~16重量%、より好ましくは4~12重量%、さらにより好ましくは4~10重量%の少なくとも1つのナノクレイ;及び
・50~97重量%、好ましくは70~97重量%、より好ましくは80~96重量%の水。
支持材料組成物Vは、さらに以下を含むことができる:
・1~20%の水溶性又は水分散性ポリマー、典型的にはポロキサマー、及び
・任意選択で、0.001~0.1重量%の分散剤、典型的にはシリコーンベースの分散剤。
一実施形態では、3Dプリンターは、(i)少なくとも1つのディスペンサー、例えば、シリコーンエラストマー物品の架橋可能なシリコーン組成物X前駆体を印刷するためのノズル又はプリントヘッド、及び(ii)支持体組成物材料Vを印刷するための少なくとも1つのディスペンサーを含む押出3Dプリンターである。
一実施形態では、押出3Dプリンターは、(i)シリコーンエラストマー物品の架橋可能なシリコーン組成物X前駆体を印刷するための少なくとも1つのノズル、及び(ii)支持体組成物材料Vを印刷するための少なくとも1つのノズルを含み、各ノズルの直径は、50~2,000μm、好ましくは100~800μm、最も好ましくは100~500μmで構成される。
本方法の一実施形態では、3次元シリコーンエラストマー物品を付加製造するための方法は、(i)ノズルを通して投与される支持材料組成物Vを含む少なくとも1つのカートリッジ、及び(ii)ノズルを通して投与されるシリコーンエラストマー物品の架橋可能なシリコーン組成物X前駆体を含む少なくとも1つのカートリッジを含む押出3Dプリンターを使用し、各ノズルの直径は、50~2,000μm、好ましくは100~800μm、最も好ましくは100~500μmで構成され、カートリッジ圧力は、好ましくは1~28バールで構成される。
架橋可能なシリコーン組成物X
シリコーンエラストマー物品の架橋可能なシリコーン組成物X前駆体は、重付加反応又は重縮合反応を介して架橋可能なシリコーン組成物であり得る。
本発明によるプロセスにおいて、シリコーンエラストマー物品の架橋可能なシリコーン組成物X前駆体は、好ましくは1,000~10,000,000mPa・sで構成される粘度を有する架橋可能なシリコーン組成物である。本発明による方法は、粘度が50,000mPa・s未満、好ましくは10,000mPa・s未満、例えば、1,000~5,000mPa・sで構成される、シリコーンエラストマー物品の架橋可能なシリコーン組成物X前駆体を印刷するように特に適合される。本明細書に記載の支持材料組成物Vの使用は、異なる粘度を有するシリコーン組成物、例えば、低粘度を有するシリコーン組成物の印刷を可能にする。
本明細書に記載のシリコーン組成物及びそれらの個々の成分の粘度は、25℃での「ニュートン」動粘度の大きさに対応する。すなわち、それ自体が知られている方法で、ブルックフィールド粘度計を使用して、測定された粘度が速度勾配に依存しないように十分に低いせん断速度勾配で測定される動粘度である。
一実施形態では、シリコーンエラストマー物品の架橋可能なシリコーン組成物X前駆体は、重付加を介して架橋可能なシリコーン組成物である。この実施形態では、組成物Xは以下を含む:
(A)分子あたり、シリコン原子に結合した少なくとも2つのC2~C6アルケニルラジカルを含む、少なくとも1つのオルガノポリシロキサン化合物A;
(B)分子あたり、同一又は異なるシリコン原子に結合した少なくとも2つの水素原子を含む、少なくとも1つのオルガノヒドロゲノポリシロキサン化合物B;
(C)白金族からの少なくとも1つの金属又は化合物からなる少なくとも1つの触媒C;
(D)任意選択で少なくとも1つのフィラーD;
(E)任意選択で少なくともチキソトロピー剤E;及び
(F)任意選択で少なくとも1つの架橋阻害剤F。
オルガノポリシロキサンA
特に有利な態様によれば、分子あたり、シリコン原子に結合した少なくとも2つのC2~C6アルケニルラジカルを含むオルガノポリシロキサン化合物Aは、以下を含む:
(i)以下の式を有する、同一又は異なる少なくとも2つのシロキシル単位(A.1):
Figure 0007176120000001
式中、
a=1又は2であり、b=0、1又は2であり、a+b=1、2又は3であり;
記号Wは、同一又は異なる、線状又は分岐状C2~C6アルケニル基を表し;
記号Zは、同一又は異なる、1~30個の炭素原子を含む1価の炭化水素ベースの基を表し、好ましくは1~8個の炭素原子を含むアルキル基及び6~12個の炭素原子を含むアリール基からなる群から選択され、さらにより好ましくはメチル、エチル、プロピル、3,3,3-トリフルオロプロピル、キシリル、トリル及びフェニルラジカルからなる群から選択される。
(ii)任意選択で、以下の式を有する少なくとも1つのシロキシル単位:
Figure 0007176120000002
式中、
a=0、1、2、又は3であり、
記号Z1は、同一又は異なる、1~30個の炭素原子を含む1価の炭化水素ベースの基を表し、好ましくは1~8個の炭素原子を含むアルキル基及び6~12個の炭素原子を含むアリール基からなる群から選択され、さらにより好ましくはメチル、エチル、プロピル、3,3,3-トリフルオロプロピル、キシリル、トリル及びフェニルラジカルからなる群から選択される。
有利には、Z及びZ1は、メチル、及びフェニルラジカルからなる群から選択され、Wは、以下のリストから選択される:ビニル、プロペニル、3-ブテニル、5-ヘキセニル、9-デセニル、10-ウンデセニル、5,9-デカジエニル及び6-11-ドデカジエニル。好ましくは、Wはビニルである。
好ましい実施形態では、式(A.1)ではa=1であり、a+b=2又は3であり、式(A.2)ではa=2又は3である。
これらのオルガノポリシロキサンAは、線状、分岐状又は環状の構造を有し得る。それらの重合度は、好ましくは2~5,000である。
それらが線状ポリマーである場合、それらは本質的に、シロキシル単位W2SiO2/2、WZSiO2/2及びZ1 2SiO2/2からなる群から選択されるシロキシル単位D、及びシロキシル単位W3SiO1/2、WZ2SiO1/2、W2ZSiO1/2及びZ1 3SiO1/2からなる群から選択されるシロキシル単位Mから形成される。記号W、Z、Z1は上記の通りである。
末端単位Mの例として、トリメチルシロキシ、ジメチルフェニルシロキシ、ジメチルビニルシロキシ又はジメチルヘキセニルシロキシ基が挙げられ得る。
単位「D」の例として、ジメチルシロキシ、メチルフェニルシロキシ、メチルビニルシロキシ、メチルブテニルシロキシ、メチルヘキセニルシロキシ、メチルデセニルシロキシ又はメチルデカジエニルシロキシ基が挙げられ得る。
前記オルガノポリシロキサンAは、25℃で約10~10,000,000mPa・s、一般に25℃で約1,000~120,000mPa・sの動粘度を有するオイル又はガムであり得る。
それらが環状オルガノポリシロキサンである場合、それらは、以下の式を有するシロキシル単位Dから形成される:W2SiO2/2、Z1 2SiO2/2又はWZSiO2/2、これらは、ジアルキルシロキシ、アルキルアリールシロキシ、アルキルビニルシロキシ又はアルキルシロキシタイプであり得る。そのようなシロキシル単位の例はすでに上で述べられている。前記環状オルガノポリシロキサンAは、25℃で約10~5,000mPa・sの粘度を有する。
好ましくは、オルガノポリシロキサン化合物Aは、0.001~30%、好ましくは0.01~10%のSi-ビニル単位の質量含有量を有する。
オルガノヒドロゲノポリシロキサンB
好ましい実施形態によれば、オルガノヒドロゲノポリシロキサン化合物Bは、分子あたり、同一又は異なるシリコン原子に結合した少なくとも2つの水素原子を含み、好ましくは、分子あたり、同一又は異なるシリコン原子に直接結合した少なくとも3つの水素原子を含む、オルガノポリシロキサンである。
有利には、オルガノヒドロゲノポリシロキサン化合物Bが以下を含むオルガノポリシロキサンである:
(i)以下の式を有する、少なくとも2つのシロキシル単位、好ましくは少なくとも3つのシロキシル単位:
Figure 0007176120000003
式中、
d=1又は2であり、e=0、1又は2であり、d+e=1、2又は3であり、
記号Z3は、同一又は異なる、1~30個の炭素原子を含む1価の炭化水素ベースの基を表し、好ましくは1~8個の炭素原子を含むアルキル基及び6~12個の炭素原子を含むアリール基からなる群から選択され、さらにより好ましくはメチル、エチル、プロピル、3,3,3-トリフルオロプロピル、キシリル、トリル及びフェニルラジカルからなる群から選択される;
(ii)任意選択で、以下の式を有する少なくとも1つのシロキシル単位:
Figure 0007176120000004
式中、
c=0、1、2、又は3であり、
記号Z2は、同一又は異なる、1~30個の炭素原子を含む1価の炭化水素ベースの基を表し、好ましくは1~8個の炭素原子を含むアルキル基及び6~12個の炭素原子を含むアリール基からなる群から選択され、さらにより好ましくはメチル、エチル、プロピル、3,3,3-トリフルオロプロピル、キシリル、トリル及びフェニルラジカルからなる群から選択される。
オルガノヒドロゲノポリシロキサン化合物Bは、式(B.1)のシロキシル単位のみから形成され得るか、又は式(B.2)の単位を含み得る。それは、線状、分岐状、又は環状の構造を有し得る。重合度は、好ましくは2以上である。より一般的には、それは5,000未満である。
式(B.1)のシロキシル単位の例は、特に次の単位である:H(CH32SiO1/2、H(CH3)SiO2/2及びH(C65)SiO2/2
それらが線状ポリマーである場合、それらは本質的に以下から形成される:
・式Z2 2SiO2/2又はZ3HSiO2/2を有する単位から選択されるシロキシル単位D、及び
・式Z2 3SiO1/2又はZ3 2HSiO1/2を有する単位から選択されるシロキシル単位M。
記号Z2及びZ3は上記のとおりである。
これらの線状オルガノポリシロキサンは、25℃で約1~100,000mPa・s、一般に25℃で約10~5,000mPa・sの動粘度を有するオイル、又は25℃で約1,000,000mPa・sの動粘度以上のガムであり得る。
それらが環状オルガノポリシロキサンである場合、それらは、式Z2 2SiO2/2及びZ3HSiO2/2を有するシロキシル単位Dから形成され、これらは、ジアルキルシロキシ若しくはアルキルアリールシロキシタイプ、又は単位Z3HSiO2/2のみであり得る。記号Z2及びZ3は上記のとおりである。その場合、粘度は約1~5,000mPa・sになる。
線状オルガノヒドロゲノポリシロキサン化合物Bの例は、ヒドロゲノジメチルシリル末端基を有するジメチルポリシロキサン、ジメチル、トリメチルシリル末端基を有するヒドロゲノメチルポリシロキサン、ヒドロゲノジメチルシリル末端基を有するヒドロゲノメチルポリシロキサン、トリメチルシリル末端基を有するヒドロゲノメチルポリシロキサン、及び環状ヒドロゲノメチルポリシロキサンである。
一般式(B.3)に対応するオリゴマー及びポリマーは、オルガノヒドロゲノポリシロキサン化合物Bとして特に好ましい。
Figure 0007176120000005
式中、
xとyは0~200の範囲の整数であり、
同一又は異なる記号R1は、互いに独立して次のことを表す:
・1~8個の炭素原子を含み、任意選択で少なくとも1つのハロゲン、好ましくはフッ素で置換された線状又は分岐状アルキルラジカル、好ましくはメチル、エチル、プロピル、オクチル及び3,3,3-トリフルオロプロピル;
・5~8個の環状炭素原子を含むシクロアルキルラジカル;
・6~12個の炭素原子を含むアリールラジカル;又は
・5~14個の炭素原子を含むアルキル部分と6~12個の炭素原子を含むアリール部分を持つアラルキルラジカル。
以下の化合物は、オルガノヒドロゲノポリシロキサン化合物Bとして本発明に特に適している。
Figure 0007176120000006
a、b、c、d、及びeは以下に定義される:
・式S1のポリマー中:
0≦a≦150、好ましくは0≦a≦100、さらに特には0≦a≦20、
1≦b≦90、好ましくは10≦b≦80、さらに特には30≦b≦70;
・式S2のポリマー中:
0≦c≦100、好ましくは0≦c≦15;
・式S3のポリマー中:
5≦d≦200、好ましくは20≦d≦100、
2≦e≦90、好ましくは10≦e≦70。
特に、本発明での使用に適したオルガノヒドロゲノポリシロキサン化合物Bは、a=0である式SIの化合物である。
好ましくは、オルガノヒドロゲノポリシロキサン化合物Bは、0.2~91%、好ましくは0.2~50%のSiH単位の質量含有量を有する。
一実施形態では、オルガノヒドロゲノポリシロキサン化合物Bは分岐状ポリマーである。前記分岐状オルガノヒドロゲノポリシロキサン化合物Bは、以下を含む:
a)式R3SiO1/2のシロキシル単位M、式R2SiO2/2のシロキシル単位D、式RSiO3/2のシロキシル単位T、及び式SiO4/2のシロキシル単位Qから選択される少なくとも2つの異なるシロキシル単位(ここで、Rは1~20個の炭素原子を有する1価の炭化水素基又は水素原子を表す);及び
b)ただし、これらのシロキシル単位の少なくとも1つがシロキシル単位T又はQであり、シロキシル単位M、D又はTの少なくとも1つがSi-H基を含む。
したがって、1つの好ましい実施形態によれば、分岐状オルガノヒドロゲノポリシロキサン化合物Bは、以下の群から選択することができる:
・本質的に以下から形成される、式M’Qのオルガノポリシロキサン樹脂:
(a)式R2HSiO1/2の1価シロキシル単位M’;及び
(b)式SiO4/2の4価のシロキシル単位Q;及び
・基本的に次の単位で構成される、式MD’Qのオルガノポリシロキサン樹脂:
(a)式RHSiO2/2の2価シロキシル単位D’;
(b)式R3SiO1/2の1価のシロキシル単位M;及び
(c)式SiO4/2の4価のシロキシル単位Q;
ここで、Rは、1~20個の炭素原子を有する1価のヒドロカルビルを表し、好ましくは、1~12個、より好ましくは1~8個の炭素原子を有する1価の脂肪族又は芳香族ヒドロカルビルを表す。
さらなる実施形態として、少なくとも1つの線状オルガノヒドロゲノポリシロキサン化合物Bと少なくとも1つの分岐状オルガノヒドロゲノポリシロキサン化合物Bとの混合物を使用することができる。この場合、線状及び分枝状のオルガノヒドロゲノポリシロキサン化合物Bを任意の比率で広範囲に混合することができ、混合比率は、硬度やSi-H対アルケニル基の比率などの所望の製品特性に応じて調整することができる。
本発明の文脈において、オルガノポリシロキサンA及びオルガノヒドロゲノポリシロキサンBの比率は、オルガノヒドロゲノポリシロキサンB中のシリコンに結合した水素原子(Si-H)と、オルガノポリシロキサンA中のシリコンに結合したアルケニルラジカル(Si-CH=CH2)とのモル比であり、0.2~20、好ましくは0.5~15、より好ましくは0.5~10、さらにより好ましくは0.5~5である。
触媒C
白金族からの少なくとも1つの金属又は化合物からなる触媒Cはよく知られている。白金族の金属は、プラチノイドの名前で知られているものであり、この用語は、白金、ルテニウム、ロジウム、パラジウム、オスミウム、及びイリジウムを包含する。白金及びロジウム化合物が好ましく使用される。特許USA3159601、USA3159602、USA3220972及び欧州特許EPA0057459、EPA0188978及びEPA0190530に記載されている白金と有機製品の錯体、及びUSA3419593、USA3715334、USA3377432号、及びUSA3814730に記載されている白金とビニルオルガノシロキサンの錯体を特に使用することができる。具体的な例は、白金金属粉末、塩化白金酸、塩化白金酸とβ-ジケトンの錯体、塩化白金酸とオレフィンの錯体、塩化白金酸と1,3-ジビニルテトラメチルジシロキサンとの錯体、前述の触媒を含むシリコーン樹脂粉末の錯体、式RhCl(Ph3P)3、RhCl3[S(C4923などで表されるようなロジウム化合物;テトラキス(トリフェニル)パラジウム、パラジウムブラックとトリフェニルホスフィンの混合物などである。
白金触媒は、室温で十分に迅速な架橋を可能にするために、触媒的に十分な量で使用されることが好ましいはずである。典型的には、全シリコーン組成物に対して、Pt金属の量に基づいて、1~200重量ppm、好ましくは1~100重量ppm、より好ましくは1~50重量ppmの触媒が使用される。
フィラーD
十分に高い機械的強度を可能にするために、付加架橋シリコーン組成物は、強化フィラーDとして、例えばシリカ微粒子などのフィラーを含むことができる。沈降及びヒュームドシリカ並びにそれらの混合物を使用することができる。これらのアクティブ強化フィラーの比表面積は、BET法に従って、少なくとも50m2/gであり、好ましくは、100~400m2/gの範囲であるべきである。この種のアクティブ強化フィラーは、シリコーンゴムの分野で非常によく知られている材料である。記載されたシリカフィラーは、親水性を有し得、又は既知のプロセスによって疎水化され得る。
好ましい実施形態では、シリカ強化フィラーは、BET法に従って、少なくとも50m2/gであり、好ましくは、100~400m2/gの範囲の比表面積を有するヒュームドシリカである。ヒュームドシリカは、未処理の形でそのまま使用することができるが、疎水性の表面処理を施すことが好ましい。疎水性表面処理を施したヒュームドシリカを使用する場合は、予備疎水性表面処理を施したヒュームドシリカを使用でき、又は、ヒュームドシリカをオルガノポリシロキサンAと混合する間に表面処理剤を添加して、ヒュームドシリカを現場で処理することができる。
表面処理剤は、アルキルアルコキシシラン、アルキルクロロシラン、アルキルシラザン、シランカップリング剤、チタン酸塩ベースの処理剤、及び脂肪酸エステルなどの従来使用されている薬剤のいずれかから選択することができ、単一の処理剤又は2つ以上の処理剤の組み合わせのいずれかを使用することができる。2つ以上の処理剤を同時に又は異なるタイミングで使用することができる。
付加架橋シリコーン組成物中のシリカ強化フィラーDの量は、全組成物の5~40重量%、好ましくは10~35重量%の範囲である。このブレンド量が5重量%未満の場合、十分なエラストマー強度が得られず、一方、ブレンド量が40重量%を超える場合、実際のブレンドプロセスが困難になる場合がある。
本発明によるシリコーン組成物はまた、標準的な半強化又はパッキングフィラー、ヒドロキシル官能性シリコーン樹脂、顔料、又は接着促進剤などの他のフィラーを含み得る。
半強化又はパッキング鉱物フィラーとして含まれ得る非珪質鉱物は、カーボンブラック、二酸化チタン、酸化アルミニウム、水和アルミナ、炭酸カルシウム、粉砕石英、珪藻土、酸化亜鉛、雲母、タルク、酸化鉄、硫酸バリウム、及びスレークライムからなる群から選択され得る。
シリコーン樹脂は、少なくとも1つのT及び/又は1つのQ(Q:SiO2/2、T:R1SiO3/2)シロキシ単位を含むオルガノポリシロキサンを意味する。ヒドロキシル官能性シリコーン樹脂はよく知られており、MQ(OH)、MDT(OH)、又はDT(OH)樹脂から選択できる。ここで、M:R1R2R3SiO1/2、D:RlR2SiO2/2、Q(OH):(OH)SiO3/2、T(OH):(OH)R1SiO2/2、R1、R2及びR3基は、以下から互いに独立して選択される:
・任意選択で1つ又は複数のハロゲン原子によって置換される、1~8個の炭素原子を含む線状又は分岐状アルキル基;及び
・6~14個の炭素原子を含むアリール又はアルキルアリール基。
好ましくは、ヒドロキシル官能性シリコーン樹脂は、MQ(OH)樹脂である。
架橋可能なシリコーン組成物Xは、有利には、チキソトロピー剤を含むことができる。
チキソトロピー剤E
組成物Xはまた、ずり減粘及びチキソトロピー特性を調整するのに役立つレオロジー剤であるチキソトロピー剤Eを含むことができる。
一実施形態では、チキソトロピー剤Eは極性基を含む。好ましくは、構成チキソトロピー剤Eは、少なくとも1つのエポキシ基を有する有機又は有機ケイ素化合物、少なくとも1つの(ポリ)エーテル基を有する有機又はオルガノポリシロキサン化合物、少なくとも(ポリ)エステル基を有する有機化合物、少なくとも1つのアリール基を有するオルガノポリシロキサン及びそれらの任意の組み合わせからなる群から選択され得る。
一実施形態によれば、チキソトロピー剤Eは、ポリジオルガノシロキサン-ポリエーテルコポリマー又はポリアルキレンオキシド修飾ポリオルガノシロキサンとしても知られるオルガノポリシロキサン-ポリオキシアルキレンコポリマーE’であり、アルキレンオキシド鎖配列を有するシロキシル単位を含むオルガノポリシロキサンである。好ましくは、オルガノポリシロキサン-ポリオキシアルキレンコポリマーE’は、エチレンオキシド鎖配列及び/又はプロピレンオキシド鎖配列を有するシロキシル単位を含むオルガノポリシロキサンである。
好ましい実施形態では、オルガノポリシロキサン-ポリオキシアルキレンコポリマーE’は、式(E-1)の単位を含むシロキシルを含むオルガノポリシロキサンである:
Figure 0007176120000007
式中、
各R1は、1~30個の炭素原子を含む炭化水素ベースの基から独立して選択され、好ましくは、1~8個の炭素原子を含むアルキル基、2~6個の炭素原子を含むアルケニル基、及び6~12個の炭素原子を含むアリール基からなる群から選択され;
各Zは基-R2-(OCp2pq(OCH(CH3)-CH2s-OR3であり、
nは2より大きい整数であり、
aとbは独立して0、1、2、又は3であり、a+b=0、1、2、又は3であり、
2は、2~20個の炭素原子を持つ2価の炭化水素基又は直接結合であり、
3は、水素原子又はR1と同様に定義された基であり、
pとrは独立して1~6までの整数であり、
qとsは独立して0又はl<q+s<400となる整数であり;
かつ、オルガノポリシロキサン-ポリオキシアルキレンコポリマーE’の各分子は、少なくとも1つの基Zを含む。
好ましい実施形態では、上記の式(E-1)において:
nは2より大きい整数であり、
aとbは独立して0、1、2、又は3であり、a+b=0、1、2、又は3であり、
1は1~8個の炭素原子を含むアルキル基であり、最も好ましくはR1はメチル基であり、
2は2~6個の炭素原子を持つ2価の炭化水素基又は直接結合であり、
p=2、r=3であり、
qは1~40、最も好ましくは5~30で構成され、
sは1~40、最も好ましくは5~30で構成され、
3は水素原子又は1~8個の炭素原子を含むアルキル基であり、最も好ましくは、R3は水素原子である。
最も好ましい実施形態において、オルガノポリシロキサン-ポリオキシアルキレンコポリマーE’は、総数で1~200、好ましくは50~150で構成されるシロキシル単位(E-1)、及び総数で2~25、好ましくは3~15の間で構成されるZ基を含むオルガノポリシロキサンである。
本発明の方法で使用することができるオルガノポリシロキサン-ポリオキシアルキレンコポリマーE’の例は、式(E-2)に対応する:
Figure 0007176120000008
式中、
各Raは、1~8個の炭素原子を含むアルキル基から独立して選択され、好ましくは、Raはメチル基であり、
各Rbは、2~6個の炭素原子を有する2価の炭化水素基又は直接結合であり、好ましくは、Rbは、プロピル基であり、
x及びyは、独立して、1~40、好ましくは5~30、そして最も好ましくは10~30で構成される整数であり、
tは1~200、好ましくは25~150で構成され、
rは2~25、好ましくは3~15で構成される。
有利なことに、一実施形態では、オルガノポリシロキサン-ポリオキシアルキレンコポリマーE’は、以下である:
Figure 0007176120000009
別の実施形態において、オルガノポリシロキサン-ポリオキシアルキレンコポリマーE’は、少なくとも1つのT及び/又は1つのQシロキシ単位(Qがシロキシ単位SiO2/2に対応し、Tがシロキシ単位R1SiO3/2に対応する)を含む、分岐状オルガノポリシロキサン-ポリオキシアルキレンコポリマーである。ここで、R1は独立して、1~30個の炭素原子を含む炭化水素ベースの基から選択され、好ましくは、1~8個の炭素原子を含むアルキル基、2~6個の炭素原子を含むアルケニル基、及び6~12個の炭素原子を含むアリール基から選択される。
別の実施形態において、オルガノポリシロキサン-ポリオキシアルキレンコポリマーE’は、2~6個の炭素原子を有するアルケニル基、水酸化物、水素、(メタ)アクリレート基、アミノ基及び加水分解性基(アルコキシ、エノキシ、アセトキシ又はオキシム基など)からなる群から選択される他の官能基をさらに含むことができる。
ポリジオルガノシロキサン-ポリオキシアルキレンコポリマーを調製する方法は、当技術分野でよく知られている。例えば、ポリジオルガノシロキサン-ポリオキシアルキレンコポリマーは、例えば、ケイ素結合水素原子を含むポリジオルガノシロキサンを、白金族触媒の存在下で脂肪族不飽和を有するポリオキシアルキレン含有基と反応させることによるヒドロシリル化反応を使用して調製することができる。
一実施形態では、付加架橋シリコーン組成物中のチキソトロピー剤Eの量は、シリコーン組成物の総重量に対して、少なくとも0.3重量%、好ましくは少なくとも0.4重量%、最も好ましくは0.6~4重量%、さらに最も好ましくは0.6~3重量%の範囲である。
別の実施形態では、付加架橋シリコーン組成物中のチキソトロピー剤Eの量は、シリコーン組成物の総重量に対して、少なくとも0.2重量%、好ましくは少なくとも0.25重量%、最も好ましくは0.25~3重量%、さらに最も好ましくは0.25~2重量%の範囲である。
架橋阻害剤F
架橋阻害剤は、室温での組成物の硬化を遅らせるためにシリコーン組成物の付加架橋に一般的に使用される。架橋阻害剤Fは、以下の化合物から選択することができる:
・アセチレンアルコール;
・任意選択で環状である、少なくとも1つのアルケニルで置換されたオルガノポリシロキサン、特に好ましくはテトラメチルビニルテトラシロキサン;
・ピリジン;
・有機ホスフィンと有機ホスファイト;
・不飽和アミド;及び
・マレイン酸アルキルとマレイン酸アリル。
これらのアセチレンアルコール(FR-B-1528464及びFR-A-2372874を参照)は、好ましいヒドロシリル化反応熱遮断薬の1つであり、次の式を有する:
Figure 0007176120000010
式中、
R’は、線状又は分岐状アルキルラジカル、又はフェニルラジカルであり、
R”は、H又は線状若しくは分岐状アルキルラジカル、又はフェニルラジカルであり、ラジカルR’、R”及び三重結合に対しα位にある炭素原子は環を形成し得る。
R’及びR”に含まれる炭素原子の総数は、少なくとも5であり、好ましくは9~20である。前記アセチレンアルコールについて、以下の例が挙げられる:
・1-エチニル-1-シクロヘキサノール
・3-メチル-1-ドデシン-3-オール
・3,7,11-トリメチル-1-ドデシン-3-オール
・1,1-ジフェニル-2-プロピン-1-オール
・3-エチル-6-エチル-1-ノニン-3-オール
・2-メチル-3-ブチン-2-オール
・3-メチル-1-ペンタデシン-3-オール
・マレイン酸ジアリル又はマレイン酸ジアリル誘導体
好ましい実施形態において、架橋阻害剤は、1-エチニル-1-シクロヘキサノールである。
より長い作業時間又は「ポットライフ」を得るために、抑制剤の量は、所望の「ポットライフ」に達するように調整される。本シリコーン組成物中の触媒抑制剤の濃度は、室温での組成物の硬化を遅らせるのに十分である。この濃度は、使用する特定の阻害剤、ヒドロシリル化触媒の性質と濃度、及びオルガノヒドロゲノポリシロキサンの性質によって大きく異なる。白金族金属1モルあたり1モルの抑制剤という低い抑制剤濃度は、場合によっては、満足のいく貯蔵安定性と硬化速度をもたらす。他の例では、白金族金属1モルあたり最大500モル以上の抑制剤の抑制剤濃度が必要とされ得る。所定のシリコーン組成物中の抑制剤の最適濃度は、ルーティン実験によって容易に決定することができる。
有利には、付加架橋シリコーン組成物中の架橋阻害剤Fの量は、シリコーン組成物の総重量に対して、0.01~0.2重量%、好ましくは0.03~0.15重量%の範囲にある。
抑制剤の使用は、ノズルの先端のシリコーン組成物の早すぎる硬化及びその後の印刷層の変形を回避するのに効果的である。
好ましい実施形態では、本発明の架橋可能なシリコーン組成物Xは、シリコーン組成物の100重量%に、以下を含む:
・45~80重量%の少なくとも1つのオルガノポリシロキサン化合物A;
・0.1~10重量%の少なくとも1つのオルガノヒドロゲノポリシロキサン化合物
B;
・少なくとも1つの強化シリカフィラーDの5~40%の重量;
・任意選択で、0.3~4%重量の少なくとも1つのチキソトロピー剤E;
・0.001~0.01重量%の白金;及び
・0.01~0.2重量%の少なくとも1つの架橋阻害剤F。
マルチパーツ組成物
架橋可能なシリコーン組成物Xは、成分AからEを単一のパーツに含む単一パーツの組成物、あるいは、成分B及びCが同じ部分に存在しないという条件で、これらの成分を2以上のパーツに含むマルチパーツ組成物であり得る。例えば、マルチパーツ組成物は、成分Aの一部及び成分Cの全部を含む第1のパーツと、成分Aの残りの部分及び成分Bの全部を含む第2のパーツとを含むことができる。特定の実施形態では、成分Aは第1のパーツにあり、成分Bは第1のパーツとは別の第2のパーツにあり、成分Cは第1のパーツ、第2のパーツ、及び/又は第1のパーツ及び第2のパーツとは別の第3のパーツにある。成分D、E、及びFは、成分B又はCの少なくとも1つと共にそれぞれのパーツ(又は複数のパーツ)に存在することができ、及び/又は別個のパーツ(又は複数のパーツ)に存在することができる。
単一パーツ組成物は、通常、主成分と任意の成分を、室温で指定された比率で組み合わせることによって調製される。組成物を直ちに使用する場合、様々な成分の添加順序は重要ではないが、ヒドロシリル化触媒は、通常、組成物の早すぎる硬化を防ぐために、約30℃未満の温度で最後に添加される。
また、各パーツの成分を組み合わせることにより、マルチパーツ組成物を作成することができる。組み合わせは、特定の装置におけるバッチ又は連続プロセスのいずれかで、混合又は撹拌などの当技術分野で理解されている技術のいずれかによって達成することができる。特定のデバイスは、成分の粘度と最終組成物の粘度によって決められる。
特定の実施形態では、架橋可能なシリコーン組成物Xがマルチパーツシリコーン組成物である場合、架橋可能なマルチパーツシリコーン組成物の別々のパーツは、印刷前及び/又は印刷中、ディスペンス印刷ノズル、例えば、デュアルディスペンス印刷ノズルで混合され得る。あるいは、別々のパーツを印刷の直前に組み合わせることができる。
別の実施形態では、シリコーンエラストマー物品の架橋可能なシリコーン組成物X前駆体は、当業者によく知られている重縮合反応によって架橋可能なシリコーン組成物である。この実施形態では、組成物Xは以下を含む:
・OH基及び加水分解性基からなる群から選択される少なくとも2つの基を含む少なくとも1つのオルガノポリシロキサンG;
・重縮合触媒;
・任意選択で少なくとも1つの架橋剤H;及び
・任意選択で、前述のフィラーD。
オルガノポリシロキサンG
好ましくは、オルガノポリシロキサンGは、ヒドロキシ、アルコキシ、アルコキシ-アルキレン-オキシ、アミノ、アミド、アシルアミノ、アミノキシ、イミノキシ、セチミノキシ、アシルオキシ及びエノキシ基からなる群から選択される少なくとも2つの基を含む。
有利には、ポリオルガノシロキサンGは、以下を含む:
(i)式(V)の少なくとも2つのシロキシル単位:
Figure 0007176120000011
式中、
・R1は、1~30個の炭素原子を含む、同一又は異なる1価の炭化水素ラジカルを表し、
・Yはそれぞれ、同一又は異なる加水分解性及び縮合性基又はヒドロキシ基を表し、好ましくは、ヒドロキシ、アルコキシ、アルコキシ-アルキレン-オキシ、アミノ、アミド、アシルアミノ、アミノキシ、イミノキシ、セチミノキシ、アシルオキシ、イミノキシ、セチミノキシ及びエノキシ基からなる群で選択され、
・gは0、1、又は2であり、hは1、2、又は3であり、合計g+hは1、2、又は3である;及び
(ii)任意選択で、式(VI)の1つ又は複数のシロキシル単位:
Figure 0007176120000012
式中、
・R2は、任意選択で1つ又は複数のハロゲン原子又はアミノ、エーテル、エステル、エポキシ、メルカプト若しくはシアノ基によって置換される、1~30個の炭素原子を含む、同一又は異なる1価の炭化水素ラジカルを表し、iは0、1、2又は3である。
アルコキシ型の加水分解性及び縮合性基Yの例として、メトキシ、エトキシ、n-プロポキシ、イソ-プロポキシ、n-ブトキシ、イソ-ブトキシ、sec-ブトキシ、tert-ブトキシ、2-メトキシエトキシ、ヘキシルオキシ又はオクチルオキシなどの1~8個の炭素原子を有する基を挙げることができる。
アルコキシ-アルキレン-オキシ型の加水分解性及び縮合性基Yの例として、メトキシ-エチレン-オキシを挙げることができる。
アミノ型の加水分解性及び縮合性基Yの例として、メチルアミノ、ジメチルアミノ、エチルアミノ、ジエチルアミノ、n-ブチルアミノ、sec-ブチルアミノ又はシクロヘキシルアミノを挙げることができる。
アミド型の加水分解性及び縮合性基Yの例として、N-メチル-セタミドを挙げることができる。
アシルアミノ型の加水分解性及び縮合性基Yの例として、ベンゾイルアミノを挙げることができる。
アミノキシ型の加水分解性及び縮合性基Yの例として、ジメチルアミノキシ、ジエチルアミノキシ、ジオクチラミノキシ又はジフェニルアミノキシを挙げることができる。
イミノキシの加水分解性及び縮合性基Yの例として、特にセチミノキシ型では、次のオキシムに由来する基を挙げることができる:アセトフェノン-オキシム、アセトン-オキシム、ベンゾフェノン-オキシム、メチル-エチル-セトキシム、ジ-イソプロピルセトキシム、メチルイソブチル-セトキシム。
アシルオキシ型の加水分解性及び縮合性基Yの例として、アセトキシを挙げることができる。
エノキシ型の加水分解性及び縮合性基Yの例として、2-プロペノキシを挙げることができる。
オルガノポリシロキサンGの粘度は、一般に25℃で50~1,000,000mPa・sで構成される。
好ましくは、Gは式(VII)のものである:
Figure 0007176120000013
式中、
・同一又は異なるYはそれぞれ、加水分解性及び縮合性基又はヒドロキシ基を表し、好ましくは、ヒドロキシ、アルコキシ、アルコキシ-アルキレン-オキシ、アミノ、アミド、アシルアミノ、アミノキシ、イミノキシ、セチミノキシ、アシルオキシ及びエノキシからなる群で選択され、
・R3は、任意選択で1つ又は複数のハロゲン原子又はアミノ、エーテル、エステル、エポキシ、メルカプト若しくはシアノ基によって置換される、1~30個の炭素原子を含む、同一又は異なる1価の炭化水素ラジカルを表し、
・jは1、2又は3であり、好ましくは2又は3であり、Yがヒドロキシル基の場合、j=1であり、
・pは1以上の整数であり、好ましくはpは1~2000で構成される整数である。
式(V)、(VI)及び(VII)において、R1、R2及びR3は、好ましくは、以下である:
・任意選択で1つ以上のアリール又はシクロアルキル基によって、1つ以上のハロゲン原子によって、又はアミノ、エーテル、エステル、エポキシ、メルカプト、シアノ若しくは(ポリ)グリコール基によって置換された、1~20個の炭素原子を含むアルキルラジカル。例えば、メチル、エチル、プロピル、イソプロピル、ブチル、ペンチル、ヘキシル、エチル-2ヘキシル、オクチル、デシル、トリフルオロ-3,3,3プロピル、トリフルオロ-4,4,4ブチル、ペンタフルオロ-4,4,4,3,3ブチル;
・シクロペンチル、シクロヘキシル、メチルシクロヘキシル、プロピルシクロヘキシル、ジフルオロ-2,3シクロブチル、ジフルオロ-3,4メチル-5シクロヘプチルなどの、5~13個の炭素原子を含むシクロアルキル及びハロゲノシクロアルキル基;
・フェニル、トリル、キシリル、クロロフェニル、ジクロロフェニル、トリクロロフェニルなどの、6~13個の炭素原子を含むアリール及びハロゲノアリール単核;又は
・ビニル、アリル、ブテン-2イルなどの、2~8個の炭素原子を含むアルセニルラジカル。
Gがヒドロキシル型のYを有する式(VII)である特定の実施形態では、dは好ましくは1である。この場合、末端シラノール基(「α-ω」位置とも呼ばれる)を有するポリ(ジメチルシロキサン)を使用することが好ましい。
オルガノポリシロキサンGはまた、少なくとも1つのヒドロキシ又はアルコキシ基を有するオルガノポリシロキサン樹脂、式M、D、T及びQの基の中から選択される少なくとも2つの異なるシロキシル単位を含む縮合性又は加水分解性のいずれかである基からなる群から選択することができる。ここで:
・M=(R03SiO1/2
・D=(R02Si02/2
・T=R0SiO3/2、そして
・Q=SiO4/2
式中、R0は、樹脂が少なくとも1つのモチーフT又はQ単位を含むという条件で、1~40個の炭素原子、好ましくは1~20個の炭素原子を含む1価の炭化水素基、又は基-OR’’’(R’’’=H又は1~40個の炭素原子、好ましくは1~20個の炭素原子を含むアルキルラジカル)である。前記樹脂は、好ましくは、樹脂の重量に対して0.1~10重量%で構成されるヒドロキシ又はアルコキシ置換基の重量含有量、好ましくは、樹脂の重量に対して0.2~5重量%で構成されるヒドロキシ又はアルコキシ置換基の重量含有量を有する。
オルガノポリシロキサン樹脂は、一般に、ケイ素原子あたり約0.001~1.5のOH基及び/又はアルコキシルを有する。これらのオルガノポリシロキサン樹脂は、一般に、式(R193SiCl、(R192Si(Cl)2、R19Si(Cl)3又はSi(Cl)4のようなクロロシランの共加水分解及び共縮合によって調製される。ラジカルR19は同一又は異なるものであり、線状又は分岐状のC1~C6アルキル、フェニル、及びトリフルオロ-3,3,3プロピルのからなる群に属する。
例えば、R19はメチル、エチル、イソプロピル、ターチオブチル、n-ヘキシルである。
樹脂の例は、T(OH)、DT(OH)、DQ(OH)、DT(OH)、MQ(OH)、MDT(OH)、MDQ(OH)タイプのケイ酸樹脂又は混合物である。
架橋剤H
この第2の実施形態では、重縮合反応によって架橋可能なシリコーン組成物は、この架橋剤Hをさらに含むことができる。それは、好ましくは、分子あたり、シリカ原子に連結された2つ以上の加水分解性及び縮合性基を有する有機ケイ素化合物である。そのような薬剤は当業者からよく知られており、市販されている。
架橋剤Hは、好ましくは、その各分子が少なくとも3つの加水分解性及び縮合性基Yを含むケイ素化合物であり、前記薬剤Hは式(VIII)を有する:
Figure 0007176120000014
式中、
・R4ラジカルは、C1~C30の同一又は異なる1価の炭化水素ラジカルを表し、
・同一又は異なるYは、アルコキシ、アルコキシ-アルキレン-オキシ、アミノ、アミド、アシルアミノ、アミノキシ、イミノキシ、セチミノキシ、アシルオキシ又はエノキシ基からなる群で選択され、好ましくは、Yは、アルコキシ、アシルオキシ、エノキシ、セチミノキシ、又はオキシム基であり、
・k=2、3又は4であり、好ましくはk=3又は4である。
Y基の例は、Yが加水分解性及び縮合性基である場合、上記のGで挙げたものと同じであり。架橋剤Hの他の例は、アルコキシシラン及び式(IX)のシランの部分加水分解生成物である:
Figure 0007176120000015
式中
・同一又は異なるR6は、メチル、エチル、プロピル、ブチル、ペンチル、エチル-2ヘキシル、オクチル及びデシル、C3~C6のオキシアルキレン基などの1~8個の炭素原子を含むアルキルラジカルを表し、
・同一又は異なるR5は、飽和又は不飽和、線状又は分岐状の脂肪族炭化水素基、飽和又は不飽和炭素環基、及び/又は単環又は多環の芳香族を表し、lは0、1、又は2である。
架橋剤Hの中で、有機ラジカルが1~4個の炭素原子から削るアルキルラジカルである、アルコキシシラン、セチミノキシシラン、アルキルシリケート及びアルキルポリシリケートが好ましい。
好ましくは、以下の架橋剤Hは、単独で又は混合して使用される:
・エチルポリシリケート及びn-プロピルポリシリケート;
・ジアルコキシシラン、例えばジアルキルジアルコキシシラン、トリアルコキシシラン、例えばアルキルトリアルコキシシラン、及びテトラアルコキシシランなどのアルコキシシラン、好ましくは、プロピルトリメトキシシラン、メチルトリメトキシシラン、メチルトリエトキシシラン、エチルトリメトキシシラン、エチルトリエトキシシラン、イソブチルトリメトキシシラン、イソブチルトリエトキシシラン、プロピルトリエトキシシラン、テトラメトキシシラン、テトラエトキシシラン、テトラプロポキシシラン、テトラブトキシシラン、1,2ビス(トリメトキシシリル)エタン、1,2-ビス(トリエトキシシリル)エタン、テトラ-イソプロポキシシラン、フェニルトリエトキシシラン、フェニルトリメトキシシラン、ビニルトリエトキシシラン、ビニルトリメトキシシラン及び以下の式のもの:CH2=CHSi(OCH2CH2OCH33,[CH3][OCH(CH3)CH2OCH3]Si[OCH32,Si(OC24OCH34及びCH3Si(OC24OCH33
・以下のアセトキシシランなどのアシルオキシシラン:テトラアセトキシシラン、メチル-トリアセトキシシラン、エチルトリアセトキシシラン、ビニルトリアセトキシシラン、プロピルトリアセトキシシラン、ブチルトリアセトキシシラン、フェニルトリアセトキシシラン、オクチルトリアセトキシシラン、ジメチルジアセトキシシラン、フェニルメチルジアセトキシシラン、ビニルメチルジアセトキシシラン、ジフェニルジアセトキシシラン及びテトラアセトキシシラン;
・アルコキシ基及びアセトキシ基を含むシラン、例えば:メチル-ジアセトキシメトキシシラン、メチルアセトキシジメトキシシラン、ビニルジアセトキシ-メトキシシラン、ビニルアセトキシジメトキシシラン、メチルジアセトキシエトキシシラン及びメチルアセトキシジエトキシシラン;
・メチルトリス(メチルエチル-セトキシモ)シラン、3-シアンプロピルトリメトキシシラン、3-シアノプロピル-トリエトキシシラン、3-(グリシジルオキシ)プロピルトリエトキシシラン、ビニル-トリス(メチルエチルセトキシモ)シラン、テトラ-キス(メチルエチルセトキシモ)シラン。
一般に、100重量部のポリオルガノシロキサンGに対して、0.1~60重量部の架橋剤Hが使用される。好ましくは、100重量部のポリオルガノシロキサンGに対して、0.5~15重量部の架橋剤Hが使用される。
重縮合触媒
重縮合触媒は、スズ、亜鉛、鉄、ジルコニウム、ビスマス又はチタン誘導体、あるいは、例えばEP2268743及びEP2222688に開示されているようなアミン又はグアニジンとしての有機化合物であり得る。スズ由来の縮合触媒として、モノカルボン酸スズ及びジカルボン酸スズ、例えば、2-エチルヘキサノエートスズ、ジブチルスズジラウレート又はジブチルスズジアセテートを使用することができる(Noll、「Chemistry and Technology of Silicone」、第337ページ、Academic Press、1968、第2版、又は特許EP147323若しくはEP235049を参照)。他の可能な金属誘導体には、キレート、例えば、ジブチルスズアセトアセトネート、スルホネート、アルコラートなどが含まれる。
その他の添加剤
重縮合又は重付加のいずれかによって架橋可能である、シリコーンエラストマー物品の架橋可能なシリコーン組成物X前駆体は、シリコーン組成物で通常の機能性添加剤をさらに含むことができる。以下の添加剤の機能ファミリーを挙げることができる:
・接着促進剤;
・シリコーン樹脂;
・チキソトロピー剤;
・着色剤;及び
・耐熱性、耐油性、耐火性のための添加剤、例えば金属酸化物。
接着促進剤は、主にシリコーン組成物に使用される。有利には、本発明による方法において、以下からなる群において選択される1つ又は接着促進剤を使用することが可能である:
・分子あたり、少なくとも1つのC2~C6アルケニル基を含むアルコキシル化オルガノシラン;
・少なくともエポキシラジカルを含む有機ケイ酸塩化合物;
・金属Mのキレート及び/又は式M(OJ)nの金属アルコキシド。
式中、
Mは、Ti、Zr、Ge、Li、Mn、Fe、A1、Mg又はそれらの混合物からなる群で選択され、
n=Mの原子価であり、J=C1~C8の線状又は分岐状アルキルであり、
好ましくは、Mは、Ti、Zr、Ge、Li又はMnからなる群から選択され、より好ましくは、Mはチタンである。例えば、ブトキシ型のアルコキシラジカルを結合させることが可能である。
シリコン樹脂は、公知で、市販されている分岐状オルガノポリシロキサンである。それらは、その構造において、式R3SiO1/2(M単位)、R2SiO2/2(D単位)、RSiO3/2(T単位)、及びSiO4/2(Q単位)から選択される少なくとも2つの異なる単位を示し、これらの単位の少なくとも1つはT又はQ単位である。
ラジカルRは同一又は異なるものであり、C1~C6の線状又は分岐状アルキル、ヒドロキシル、フェニル、トリフルオロ-3,3,3プロピルからなる群で選択される。アルキルラジカルは、例えば、メチル、エチル、イソプロピル、ターチオブチル及びn-ヘキシルである。
分岐状オリゴマー又はオルガノポリシロキサンポリマーの例として、MQ樹脂、MDQ樹脂、TD樹脂、及びMDT樹脂が挙げられ、ヒドロキシル官能基は、M、D、及び/又はT単位によって保持され得る。特に適している樹脂の例としては、0.2~10重量%のヒドロキシル基を有するヒドロキシル化MDQ樹脂が挙げられる。
以下の実施例は、本発明を説明することを意図しており、本発明を限定することを意図していない。
シリコーンエラストマー物品のシリコーン組成物前駆体及び支持材料組成物は、開示に従って、調製され、押出3DプリンターDelta Towerを使用して印刷される。
原材料
LSR組成物1
ミキサーに次のものを装填した:
・両端がMe2ViSiO1/2単位でブロックされた、粘度60,000mPa・sのジメチルポリシロキサンオイル29部
・両端がMe2ViSiO1/2単位でブロックされた、粘度が100,000mPa・sのジメチルポリシロキサン29部
・BET法で測定された比表面積が300m2/gである、ヘキサメチルジシラザン7部でヒュームドされたシリカ26部。
全体を撹拌しながら70℃で1時間加熱し、次に揮発分を除去し、冷却し、組成物1のベース1として保存した。
次に、このベース1の45部に、スピードミキサーで以下を添加した:
・10重量%の白金金属で有機金属錯体の形で導入される白金金属。ビニルオイルで希釈されたカルステット(Karstedt)の触媒として知られている
・鎖内及び鎖末端にビニル基を有し、粘度が1,000mPa・sのジメチルポリシロキサンオイル3部
・鎖内及び鎖末端にビニル基を有し、粘度が400mPa・sのジメチルポリシロキサンオイル2部
LSR組成物1パーツAと呼ばれるこの組成物は、スピードミキサーで1,000ラウンド/分で1分間混合された。Pt含有量は5ppmであった。
次に、このベース1の45部に、スピードミキサーで以下を添加した:
・Si-H基を含むオルガノヒドロゲノポリシロキサンM’Q樹脂1.3部
・鎖内及び鎖末端にSi-H基を含み、約20重量%のSi-H基を含む線状オルガノヒドロゲノポリシロキサン0.5部
・鎖内及び鎖末端にビニル基を有し、粘度が400mPa.sのジメチルポリシロキサンオイル1.5部
・鎖内及び鎖末端にビニル基を有し、粘度が1000mPa・sのジメチルポリシロキサンオイル1.6部
・架橋阻害剤として0.08部のエチニル-1-シクロヘキサノール-1。
LSR組成物1パーツBと呼ばれるこの組成物は、スピードミキサーで1,000ラウンド/分で1分間混合された。
RTV2組成物2は、スピードミキサーで1,000ラウンド/分で1分間で各成分を混合することによって調製された。
Figure 0007176120000016
例1
3D印刷のための支持材料組成物
水中に6.2重量%のナノクレイを含む支持材料組成物は、以下のように調製された:15gのラポナイトXLGを、225.43gの脱塩水を含むプラスチックビーカーに、2gの量を連続して添加することにより添加した。凝集体の形成を抑えるために、ラポナイトを各添加の間にスパチュラで混合した。すべてのラポナイトを添加した後、得られた混合物をスピードミキサーを使用して室温で3回混合した。各サイクルのパラメータは次のとおりである:500r/minで10秒;1,000r/minで10秒、1500r/minで10秒;2,000r/minで10秒;2,500r/minで10秒;最後に2,750r/minで12秒。
得られた透明な支持材料組成物は、次にカートリッジに入れられ、3D印刷に使用された。
支持材料組成物の特性
異なる重量(%)(2、3、4、5、6、8、10及び12重量%)のラポナイトを有する異なる支持材料組成物を、上記の方法を使用して調製した。得られた組成物の粘度を、Haake MARSIIIレオメーター(25℃で2°のコーンプレートと20mmの直径、GAP=100μm)を使用して、25℃でさまざまなせん断速度で測定した。結果を表2に示す。
Figure 0007176120000017
組成物中の3重量%のラポナイトから始めて、せん断速度が適用されないか又は低い場合、組成物は高粘度(500Pa・sを超える)を有し、したがって、組成物はゲル状態にある。さらに、高せん断速度が適用されると、組成物の粘度は大幅に低下し、500Pa・s未満に低下する。したがって、組成物は液体状態にあり、支持体の印刷に使用することができる。
異なる支持材料組成物の粘度も、組成物を20s-1で90秒間せん断した後、非常に低いせん断速度(0.05及び0.01s-1)で測定した。結果を表3に示す。
Figure 0007176120000018
これらの結果は、せん断応力を停止した後、異なる支持材料組成部の粘度が急速に増加することを示している。ナノクレイの3重量%から始めて、支持材料組成物は、シリコーンエラストマー物品の3D印刷に適した特性を有する。
3D印刷
3D印刷は、支持体用の1成分ビスコテック(Viscotec)投与システムと2Kシリコーン組成物用のスタティックミキサーを備えた2成分ビスコテック投与システムを含む、Delta Tower3Dプリンターを使用して行われた。
LSR組成物1
6.2重量%のラポナイトを有する支持材料組成物を含むカートリッジを、1バールの静圧及び500μmのノズルを備えた1成分ビスコテック投与システムに取り付けた。
LSR組成物1のパーツA及びパーツBは、それぞれ、2成分ビスコテック投与システムに適合されたカートリッジに入れられ、3バールの圧力下に置かれた。LSR組成物1のパーツA及びパーツBの50/50比での混合は、500μmのノズルを取り付けられた16段のスタティックミキサーを使用して実行した。
次に、サポートされる半球を10mm/sの速度で印刷した。プリントヘッドは、支持体組成物材料の各層及びシリコーン組成物の各層を連続的に印刷した。
シリコーンエラストマー物品の架橋可能なシリコーン組成物前駆体は、オーブン内で70℃で1時間、次に150℃で10分間架橋された。支持材料はシリコーンエラストマー物品に付着せず、ブラッシングによって機械的に容易に除去された。回収されたナノクレイは凍結乾燥して再度使用することができる。
RTV2組成物2
アクチュエータを、RTV2組成物2のパーツAとB、及び10重量%ラポナイトを含む支持材料組成物を使用して印刷した。アクチュエータは、LSR組成物1についての上記手順に従って印刷された。
水に浸漬することにより、支持材料を除去した(支持材料組成物1部に対して水10部)。
印刷されたシリコーンアクチュエータは、インジェクトされたシリコーンアクチュエータと同じ機械的特性を有する。印刷されたシリコーンアクチュエータは、23℃で厚さ6mmのピンで測定されたショアA硬度が22.5で、相対湿度が50%であり、厚さ6mmの支持体(上部と下部)を使用した付加製造によって作製されている。
例2
3D印刷のための支持材料組成物
水中に10重量%のナノクレイ及び15重量%のポロキサマーを含む支持材料組成物は、以下のように調製された:200gのPluronic127を、中央撹拌手段を備えた3L反応器内の1000gの脱塩水に15分かけて添加した。800r/minで30分間撹拌した後、分散剤として0.4gのSilcolapseRG11を添加した。次に、135gのラポナイトを15分かけて反応器に加え、続いて3滴のブルー食品着色料を添加した。得られた混合物を、スピードミキサーを使用して室温で3回混合した。各サイクルのパラメータは次のとおりである:1,000r/minで10秒;2,000r/minで10秒;最後に2,750r/minで30秒。
得られた支持材料組成物は、次にカートリッジに入れられ、3D印刷に使用された。
支持材料組成物の特性
得られた組成物の粘度を、Haake MARSIIIレオメーター(25℃で2°のコーンプレートと20mmの直径、GAP=100μm)を使用して、25℃及び80℃でさまざまなせん断速度で測定した。結果を表4に示し、10%のラポナイトを含む例1の支持材料組成物で得られたものと比較した。
Figure 0007176120000019
せん断速度が適用されないか、又は低いせん断速度が適用される場合、組成物は高粘度(500Pa・sを超える)を有し、したがって、組成物はゲル状態にある。さらに、高せん断速度が適用されると、組成物の粘度は大幅に低下し、500Pa・s未満に低下する。したがって、組成物は液体状態にあり、支持体の印刷に使用することができる。これらの結果はまた、本発明による支持材料組成物を使用して、高温、例えば、25~90℃で構成される温度で印刷することが可能であることを示している。
支持材料組成物の粘度も、組成物を20s-1で90秒間せん断した後、25℃及び80℃で非常に低いせん断速度(0.05、0.01及び0.001s-1)で測定した。結果を表5に示し、10%のラポナイトを含む例1の支持材料組成物で得られたものと比較した。
Figure 0007176120000020
これらの結果は、せん断応力を停止した後、異なる支持材料組成部の粘度が急速に増加することを示している。したがって、支持材料組成物は、シリコーンエラストマー物品の3D印刷に適した特性を有する。
3D印刷
3D印刷は、支持体用の1成分ビスコテック(Viscotec)投与システムと2Kシリコーン組成物用のスタティックミキサーを備えた2成分ビスコテック投与システムを含む、Delta Tower3Dプリンターを使用して行われた。
LSR組成物1
10重量%のナノクレイ及び15重量%ポロキサマーを有する支持材料組成物を含むカートリッジを、1バールの静圧及び500μmのノズルを備えた1成分ビスコテック投与システムに取り付けた。
LSR組成物1のパーツA及びパーツBは、それぞれ、2成分ビスコテック投与システムに適合されたカートリッジに入れられ、3バールの圧力下に置かれた。LSR組成物1のパーツA及びパーツBの50/50比での混合は、500μmのノズルを取り付けられた16段のスタティックミキサーを使用して実行した。
次に、サポートされる文字Hを10mm/sの速度で印刷した。プリントヘッドは、支持体組成物材料の各層及びシリコーン組成物の各層を連続的に印刷した。
シリコーンエラストマー物品の架橋可能なシリコーン組成物前駆体は、湿度制御されたオーブン内で80℃で2時間架橋された。支持材料はシリコーンエラストマー物品に付着せず、洗浄により容易に除去された。
例3
水中に10重量%のハトライトを含む支持材料組成物を、例1に倣って、20gのハトライト及び180gの脱塩水を使用して調製した。
支持材料組成物の特性
得られた組成物の粘度を、Haake MARSIIIレオメーター(25℃で2°のコーンプレートと20mmの直径、GAP=100μm)を使用して、25℃及び80℃でさまざまなせん断速度で測定した。結果を表6に示し、10%のラポナイトを含む例1の支持材料組成物で得られたものと比較した。
Figure 0007176120000021
得られた結果は同等である。せん断速度が適用されないか、又は低いせん断速度が適用される場合、組成物は高粘度(500Pa・sを超える)を有し、したがって、組成物はゲル状態にある。さらに、高せん断速度が適用されると、組成物の粘度は大幅に低下し、500Pa・s未満に低下する。したがって、組成物は液体状態にあり、支持体の印刷に使用することができる。
支持材料組成物の粘度も、組成物を20s-1で90秒間せん断した後、25℃で異なるせん速度(20、10、1、0.1、及び0.01s-1)で測定した。結果を表7に示し、10%のラポナイトを含む例1の支持材料組成物で得られたものと比較した。
Figure 0007176120000022
これらの結果は、せん断応力を停止した後、異なる支持材料組成部の粘度が急速に増加することを示している。したがって、支持材料組成物は、シリコーンエラストマー物品の3D印刷に適した特性を有する。

Claims (12)

  1. 押出3Dプリンター及び3D噴射プリンターから選択される3Dプリンターを使用したシリコーンエラストマー物品及び支持体の付加製造のための方法であって、前記方法は、以下のステップ:
    1)前記支持体の少なくとも一部を支持材料組成物Vで印刷し;
    2)前記シリコーンエラストマー物品の前駆体である架橋可能なシリコーン組成物Xの少なくとも一部を印刷し;
    3)任意選択でステップ1)及び/又はステップ2)を繰り返し;
    4)前記シリコーンエラストマー物品の前記架橋可能なシリコーン組成物Xを、任意選択で加熱することによって架橋させて、シリコーンエラストマー物品を得ること
    を含み、
    ステップ1)と2)は同時に又は連続して実行し、ステップ1)と2)を連続して実行する場合は、ステップ1)をステップ2)の前に実行するか、ステップ2)をステップ1)の前に実行し、
    前記支持材料組成物Vは、
    ・3~30重量%の少なくとも1つのナノクレイ、及び
    ・少なくとも50重量%の水
    を含む、方法。
  2. 前記支持材料組成物Vが、10s-1のせん断速度で500Pa・s以下の粘度を有し、0.01s-1のせん断速度で500Pa・s以上の粘度を有する、請求項1に記載の方法。
  3. 前記支持材料組成物Vが3~16重量%の少なくとも1つのナノクレイを含む、請求項1又は2に記載の方法。
  4. 前記ナノクレイが以下から選択される、請求項1~3のいずれか1項に記載の方法:
    ・カオリン-蛇紋石;
    ・スメクタイト;
    ・ベントナイト;及び
    ・それらの混合物。
  5. 前記ナノクレイは、スメクタイトから選択される、請求項1~4のいずれか1項に記載の方法。
  6. 前記支持材料組成物Vが、以下からなる群から選択される少なくとも1つの添加剤をさらに含む、請求項1~5のいずれか1項に記載の方法:
    ・レオロジー添加剤;
    ・着色剤;
    ・pH調整剤;
    ・抗菌剤;
    ・分散剤;及び
    ・それらの混合物。
  7. 前記支持材料組成物Vがさらに以下を含む、請求項1~6いずれか1項に記載の方法:
    ・1~20%の水溶性又は水分散性ポリマー、典型的にはポロキサマー、及び
    ・任意選択で、0.001~0.1重量%の分散剤、典型的にはシリコーンベースの分散剤。
  8. 前記3Dプリンターが押出3Dプリンターである、請求項1~7のいずれか1項に記載の方法。
  9. 前記架橋可能なシリコーン組成物Xが、重付加反応又は重縮合反応を介して架橋可能である、請求項1~8のいずれか1項に記載の方法。
  10. 前記方法が、機械的に、又は溶媒への溶解による、前記支持体の除去のステップも含む、請求項1~9のいずれか1項に記載の方法。
  11. 支持体の3D印刷における、以下を含む支持材料組成物Vの使用:
    ・3~30重量%の少なくとも1つのナノクレイ、及び
    ・少なくとも50重量%の水。
  12. 3Dプリンターを使用したシリコーンエラストマー物品及び支持体の付加製造における、以下を含む支持材料組成物Vの使用:
    ・3~30重量%の少なくとも1つのナノクレイ、及び
    ・少なくとも50重量%の水。
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