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CN110612188A - 用于制备颗粒的方法 - Google Patents

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CN110612188A
CN110612188A CN201780089810.0A CN201780089810A CN110612188A CN 110612188 A CN110612188 A CN 110612188A CN 201780089810 A CN201780089810 A CN 201780089810A CN 110612188 A CN110612188 A CN 110612188A
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CN
China
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tubular structures
particles
individual
longitudinal axis
blades
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CN201780089810.0A
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English (en)
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K·M·A·尚普
赵璞
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Procter and Gamble Ltd
Original Assignee
Procter and Gamble Ltd
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Publication date
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Abstract

本发明提供了用于制备独立的颗粒的方法。所述方法包括以下步骤：a)通过增材制造形成具有多个平行布置的管状结构的块，其中所述管状结构各自具有纵向轴线并且各自在结构上与至少一个相邻的管状结构连接；b)沿着所述管状结构的纵向轴线将所述块分割成在结构上彼此分离的多个单独的管状结构；以及c)沿着横贯其纵向轴线的方向将所述单独的管状结构中的每一个切片以形成独立的颗粒：该方法能够制备具有中空形状的美观颗粒；这需要较少的材料并且提供更强的美观性，并且因此避免了在中间处理期间美观颗粒的破损。

Description

用于制备颗粒的方法
技术领域
本发明涉及一种通过利用三维打印来制备颗粒的方法。
背景技术
可水分散的独立的美观颗粒已通常用于清洁组合物中。这些颗粒为用户提供了视觉提示，其意味着美学或甚至功能上的有益效果。例如，已经描述了含有多个片状元素作为视觉提示的液体或凝胶表面活性剂组合物。先前描述的美观颗粒通常通过冲压或挤出技术制成。这将颗粒的设计选择限制为相当简单的颗粒。当这些颗粒被掺入清洁组合物中时，这些简单的设计还可能限制颗粒在水中的溶解速率。需要提供具有更复杂设计的独立的美观颗粒，以提供更宽范围的设计能力。
一种用于制备具有更复杂设计的美观颗粒的新开发的方法是利用增材制造(也称为三维(3D)打印)。然而，当进行3D打印工艺时，逐个地打印单独的美观颗粒是困难且极其缓慢/低效的。因此，需要提供用于制备具有增强的制造速度和/或生产率的美观颗粒的改进的3D打印方法。
发明内容
本发明基于如下令人惊讶的发现：可通过首先3D打印包含多个管状结构的块，之后将所述块分割成单独的管状结构，并然后将所述管状结构中的每一个切片成多个独立的美观颗粒，来同时形成具有更复杂设计的多个独立的美观颗粒。
本发明的一个优点是能够制备具有中空形状的美观颗粒，其需要更少的材料并且提供更强的美观性。
本发明的另一个优点是所述块容易装运和运输，并且因此避免了在中间处理期间美观颗粒的破损。“未切割的”美观颗粒可以块或叠堆的形式储存和运输，并且随后在另一个位点“切割”以形成独立的美观颗粒，然后将其添加到最终产品中。
本发明的一个方面提供了用于制备独立的颗粒的方法，所述方法包括：
a)通过增材制造形成包含多个平行布置的管状结构的块，其中所述管状结构各自具有纵向轴线并且各自在结构上与至少一个相邻的管状结构连接；
b)沿着所述管状结构的纵向轴线将所述块分割成在结构上彼此分离的多个单独的管状结构；以及
c)沿着横贯其纵向轴线的方向将所述单独的管状结构中的每一个切片以形成所述独立的颗粒。
优选地，独立的颗粒为美观颗粒。
优选地，增材制造是熔融沉积成型(FDM)。
优选地，分割步骤b)通过将所述块推动穿过具有至少两个刀片的切割器来进行，其中所述至少两个刀片中的每一个包含平行于所述管状结构的纵向轴线的切割平面。
优选地，所述切割器包含多组刀片，其中每组包含平行布置的多个刀片，并且其中所述多组刀片包含至少两组垂直布置的刀片。
优选地，切片步骤c)沿着垂直于所述管状结构中的每一个的所述纵向轴线的方向进行。
本发明的另一方面提供了用于制备独立的颗粒的方法，所述方法包括：
a)通过增材制造形成包含多个平行布置的管状结构的块，其中所述管状结构各自具有纵向轴线并且各自在结构上与至少一个相邻的管状结构连接；
b)沿着横贯所述多个平行布置的管状结构的纵向轴线的方向将所述块切片成多个区段，所述区段中的每一个包含多个独立的颗粒，所述多个独立的颗粒各自在结构上与至少一个相邻的独立的颗粒连接；以及
c)将所述区段中的每一个分离成在结构上彼此分离的多个独立的颗粒。
优选地，独立的颗粒为美观颗粒。优选地，美观颗粒中的每一个包含至少一个通孔。更优选地，独立的美观颗粒中的每一个包含至少两个所述通孔。
优选地，美观颗粒中的每一个具有第一侧面和第二侧面，并且介于所述第一侧面和所述第二侧面之间的厚度在0.1mm至10mm的范围内。
在阅读本发明的以下具体实施方式时，本发明的这些和其它方面将变得更明显。
附图说明
图中列出的实施方案本质上是例示性的，并不旨在限制由权利要求书限定的本发明。当结合以下附图阅读时，能够理解对例示性实施方案的以下详细描述，并且其中：
图1为根据本发明的实施方案的包含多个平行布置的管状结构的块的透视示意图。
图2为根据本发明的用于将图1的块分割成单独的管状结构的设备的示意图。
图3为根据本发明的将单独的管状结构中的每一个切片以形成独立的颗粒的示意图。
图4是通过本发明的方法制备的独立的美观颗粒的示意图的透视图。
具体实施方式
本发明的各种实施方案的特征和有益效果将由以下说明变得显而易见，该说明包括旨在给出本发明的广泛代表的具体实施方案的示例。从该描述和从本发明的实践，各种修改形式对于本领域的技术人员将显而易见。本发明的范围不旨在限于所公开的具体形式，并且本发明涵盖了所有落入如权利要求所限定的本发明的实质和范围内的修改、等同物和另选的替代方案。
如本文所用，当用于权利要求或说明书中时，包括“所述”、“一个”和“一种”的冠词被理解为是指一种或多种受权利要求书保护的或描述的物质。
如本文所用，术语“多个”是指多于一个。
如本文所用，术语“包含”、“包括”(“comprise”、“comprising”、“include”、“including”)的含义是非限制性的，即可加入不影响最终结果的其它步骤和其它成分。因此，术语“基本上由……组成”和“由……组成”包括在术语“包含(包括)”中。如本文所用，“基本上由……组成”是指装置、设备、方法、组分和/或组合物可包含附加成分，但前提条件是附加成分不实质性改变受权利要求书保护的装置、设备、方法、组分和/或组合物的基本特征和新颖特征。
本文所用的与颗粒有关的“独立的”是指颗粒是分离的，即不物理附接到其他颗粒。
本文所用的与颗粒有关的“美观”是指颗粒具有设计的或预定的、非随机的尺寸、形状和/或图案，以为消费者提供视觉吸引力。
本文在两个侧面的形状的上下文中使用的“基本上相同”意味着两个形状可为相同的、或一致的、或类似的。如果可通过依次旋转、平移和/或反射将一个物体转换为另一个物体，则两个物体是一致的。如果一个物体可通过均匀缩放，以及依次旋转、平移和/或反射变换成另一个，则两个物体是相似的。
本文所用的“管状结构”是指具有纵向轴线的细长结构，所述纵向轴线可具有任何横截面形状，例如规则或不规则的多边形(例如，三角形、正方形、矩形等)、圆形、椭圆形、花瓣状、心形、以及它们的组合。此类“管状结构”包括实心物品和具有沿纵向轴线延伸的通孔的物品两者。
在本说明书中，除非另外指明，否则所有浓度和比率均基于重量计。
本发明提供了用于制备独立的颗粒的方法。所述方法包括步骤a)形成包含多个平行布置的管状结构的块，其中所述管状结构各自具有纵向轴线并且各自在结构上与至少一个相邻的管状结构连接。优选地，所述块通过增材制造来制备。所述块可具有从几毫米到几米的任何合适尺寸，只要适用于增材制造即可。
优选地，所述管状结构中的每一个具有横截面，所述横截面具有带有选自以下的周边形状：规则的或不规则的多边形(例如，三角形、正方形、矩形等)、圆形、椭圆形、花瓣状、心形、以及它们的组合。优选地，周边形状是对称的。更优选地，所有管状结构具有带有基本上相同的周边形状的横截面。
增材制造(AM)，也称为三维(3D)打印，是指用于合成三维物体的各种工艺。可用的3D打印技术包括熔融沉积成型(FDM)(基于挤出的技术)、喷墨、选择性激光熔化(SLM)、选择性热烧结(SHS)、粉末/粘结剂喷射、电子束熔化(EBM)和立体光刻工艺。例如，熔融沉积成型(FDM)是最常见的3D打印类型，这是塑料挤出的经典应用。在用于本发明的FDM工艺中，通过挤出小的原材料珠来产生美观颗粒，该小的原材料珠立即硬化以形成层。将缠绕在线圈上的原材料的长丝退绕，以将材料供应到挤出喷嘴头(3D打印机挤出机)。喷嘴头加热材料并打开和关闭流量。通常，挤出头通过步进马达或伺服马达沿3个运动轴线移动。计算机辅助制造(CAM)软件包用于生成G代码，该代码被发送到微控制器以用于移动马达。
在一个实施方案中，通过铺设单独的原材料条的第一层来进行增材制造，其中此类单独的原材料条沿水平方向延伸，并然后在所述第一层的顶部上铺设附加单独的原材料条的后续层，其中附加单独的原材料条也沿水平方向延伸，从而形成多个平行布置的管状结构。在这种情况下，平行布置的管状结构的纵向轴线平行于水平方向。
本发明的方法还包括步骤b)沿着所述管状结构的纵向轴线将所述块分割成在结构上彼此分离的多个单独的管状结构。分割步骤可通过将块推动穿过具有至少两个刀片的切割器来进行。所述至少两个刀片各自具有平行于管状结构的纵向轴线的切割平面，使得管状结构被刀片沿着平面切穿。根据管状结构在结构上彼此连接的方式，所述至少两个刀片可被布置成朝向彼此成一角度。例如，所述至少两个刀片可包括彼此垂直的两个刀片。所述至少两个刀片可被布置成在彼此接触或不接触的情况下偏移。在一些情况下，切割器具有至少两组刀片，其中每组包含平行布置的多个刀片，并且优选地所述多组刀片包含至少两组垂直布置的刀片。另选地，切割器可具有两组刀片，它们被组装在一起而其间没有任何距离以形成网片切割器。
本发明的方法还包括步骤c)沿着横贯其纵向轴线的方向将所述单独的管状结构中的每一个切片以形成所述独立的颗粒。在一个优选但非必需的实施方案中，切片步骤可沿着垂直于所述管状结构中的每一个的所述纵向轴线的方向进行。另选地，切片步骤可沿着相对于管状结构中的每一个的纵向轴线构成小于90°的角度的方向进行。在一些实施方案中，切片步骤可通过如下方式进行：在将管状结构通过如上所述的切割器分割之后，立即将成束的多个在结构上分离的单独的管状结构切片，以形成多个独立的颗粒。在其他实施方案中，切片步骤可通过将多个单独的管状结构中的每一个单独地切片来进行。
本发明的另一方面提供了用于制备独立的颗粒(优选地独立的美观颗粒)的方法。所述方法包括以下步骤：a)通过增材制造形成包含多个平行布置的管状结构的块，其中所述管状结构各自具有纵向轴线并且各自在结构上与至少一个相邻的管状结构连接。
所述方法还包括步骤b)沿着横贯所述多个平行布置的管状结构的纵向轴线的方向将所述块切片成多个区段，使得所述区段中的每一个包含多个独立的美观颗粒，所述多个独立的美观颗粒各自在结构上与至少一个相邻的独立的美观颗粒连接。优选地，切片步骤沿着垂直于所述管状结构中的所述纵向轴线的方向进行。
所述方法还包括步骤c)将所述区段中的每一个分离成多个独立的美观颗粒，使得所述多个独立的美观颗粒在结构上彼此分离。
美观颗粒
本发明的独立的美观颗粒包含第一侧面和第二侧面。优选地，第一侧面是平坦的，更优选地第二侧面也是平坦的。在一些实施方案中，第一侧面和第二侧面彼此平行。颗粒的第一侧面具有0.2mm至20mm的长度。优选地，第一侧面的长度为1mm至10mm。本文中侧面的“长度”是指侧面的任何两点之间的最长线性距离。颗粒的厚度被定义为介于第一侧面与第二侧面之间的距离。颗粒的厚度范围可为0.1mm至10mm，优选0.2mm至5mm，更优选0.2mm至2.5mm。
优选地，独立的美观颗粒中的每一个包含至少一个通孔。本文中“通孔”是指完全穿过在第一侧面与第二侧面之间延伸的颗粒的材料的孔。更优选地，独立的美观颗粒中的每一个保护至少两个通孔。
形状
本发明的美观颗粒可在第一侧面和/或第二侧面上具有预定的、非随机的理想形状。一个或多个侧面可具有由其周边限定的形状，即周边形状。在一些实施方案中，第一侧面包括第一周边形状，其中第一周边形状具有对称性。本文中对称性具有几何学的一般含义。优选地，对称性可包括镜像对称性和/或径向对称性。在其它实施方案中，第二侧面具有第二周边形状，其中第二周边形状具有对称性。在其它实施方案中，第一周边形状与第二周边形状基本上相同。在一些示例中，一个或多个侧面可具有选自以下的周边形状：圆形、椭圆形、心形、规则或不规则多边形、踏板、字母、数字、以及它们的组合。例如，一个或多个侧面可具有呈规则多边形形状的形式的周边形状，诸如三角形、正方形、矩形、四边形、星形、五边形、六边形、七边形和八边形。在另一个示例中，颗粒具有第一侧面，该第一侧面具有心形的周边形状。
材料
本发明的颗粒可由任何适于3D打印的材料制成。在一些实施方案中，颗粒可由可水分散的材料制成。本文中关于材料或颗粒使用的“可水分散的”是指材料或颗粒能够在环境条件下分散在含水溶剂(例如水)中以形成稳定的混合物(均相或非均相)。优选地，本发明的颗粒可由水溶性材料制成。如本文所用，“水溶性材料”是指可混溶在水中的材料。优选地，该材料能够在环境条件下与水形成稳定的均匀溶液。
本文所用的水溶性材料可选自水溶性羟基聚合物、水溶性热塑性聚合物、水溶性可生物降解聚合物、水溶性不可生物降解聚合物、以及它们的组合。优选地，所述水溶性材料选自支链淀粉、羟丙基甲基纤维素、羟乙基纤维素、羟丙基纤维素、聚乙烯吡咯烷酮、羧甲基纤维素、藻酸钠、黄原胶、黄蓍胶、瓜尔胶、金合欢胶、阿拉伯树胶、聚丙烯酸、甲基丙烯酸甲酯共聚物、羧乙烯基聚合物、糊精、果胶、甲壳质、果聚糖、爱生兰、胶原、明胶、玉米醇溶蛋白、谷蛋白、大豆蛋白、酪蛋白、聚乙烯醇、淀粉、淀粉衍生物、半纤维素、半纤维素衍生物、蛋白质、脱乙酰壳多糖、脱乙酰壳多糖衍生物、聚乙二醇、四亚甲基醚二醇、羟甲基纤维素、脂肪酸、以及它们的组合。在一个实施方案中，水溶性材料为聚乙烯醇。在另一个实施方案中，水溶性材料为聚乙二醇。
任选地，本发明的颗粒还可包含活性剂。活性剂是一类添加剂，其经设计并旨在提供对除了颗粒本身之外的某些事物的有益效果，诸如提供对颗粒外部环境的有益效果。活性剂可为任何合适的添加剂，其在颗粒的预期用途条件下产生预期效应。例如，活性剂可选自：皮肤有益剂、药剂、洗剂、织物护理剂、盘碟洗涤剂、地毯护理剂、表面护理剂、毛发护理剂、空气护理剂、以及它们的组合。
颗粒可具有向大部分清洁组合物提供视觉对比的颜色。优选地，本发明的颗粒可具有多于一种颜色，使得可实现具有不同颜色的视觉上可区分的图案。能够赋予视觉上可区分的颜色的任何染料或颜料可被包含在颗粒中。
实施例
实施例1：三维打印颗粒
使用3D打印机仪器MakerBot Replicator 2X Hyrel 30M系统(MakerBotIndusties.LLC,NY,USA)来制备具有2×2管状结构的块。
步骤a)：通过3D打印形成块
图1中示出的块结构1是使用直径为1.75mm的水溶性聚乙烯醇(PVA)长丝进行3D打印的，该长丝购自ESUN(Shenzhen Esun Industrial Co.,Ltd.)。美观颗粒的横截面形状为具有外环和同心内环以及连接外环和内环的六个壁的圆形，如图1中所示。该形状是使用3D模型设计软件Autodesk123D Design 1.6.41设计的，并保存为*.stl文件。通过以下设计3D模型：将垂直于该形状的圆形横截面的尺寸增加成管状结构，并然后将管状结构复制成在结构上彼此连接的2×2平行布置的管状结构。将经设计的模型转换为3D切片软件MakerBotDesktop 3.9.1.1143；并且打印机参数设置如下。
-层高0.1mm。
-粒度0.0001mm。
-填充密度200％。
-挤出机温度190℃。
-平台温度60℃。
水平地逐层打印所述块，即，喷嘴头沿水平方向移动，并然后在所述第一层的顶部上铺设附加单独的原材料条的后续层，其中附加单独的原材料条也沿水平方向延伸，从而形成多个平行布置的管状结构。
图1是根据本发明的块1的示意图的透视图。参见图1，由3D打印机制备的块1包含2×2平行布置的管状结构10，其中该管状结构各自具有纵向轴线X-X并且各自在结构上与至少一个相邻的管状结构连接。所打印的块的长度为200mm，高度为10mm，并且宽度为10mm。
步骤b)：分割成单独的管状结构
图2示出了根据本发明的用于将图1中所示的块1分割成单独的管状结构10的切割器20的示意图的透视图。在图2中，切割器20具有两个分别平行于所述管状结构10的纵向轴线X-X(图1中所示)的刀片(21,22)，而两个刀片(21,22)彼此垂直并且在切割器通道中偏移布置。随后穿过刀片21和22将块1推动到切割器20中，并分割成4(四)个单独的管状结构10。
步骤c)：切片成独立的颗粒
使用扇状切片机将所获得的单独的管状结构切片成独立的颗粒。图3是经由扇状切片机30将从步骤b)获得的在结构上分离的单独的管状结构10切片以形成独立的颗粒100的示意图。扇状切片机由马达驱动并且沿着垂直于管状结构的纵向轴线的平面旋转。
图4示出了由本发明的方法制备的独立的颗粒200的示意图的透视图。颗粒200具有第一侧面210和第二侧面220，其中第一侧面210具有第一平坦表面，并且第二侧面220具有第二平坦表面。由于上述实施例中描述的切割方法，第一平坦表面和第二平坦表面彼此平行，并且两者均与纵向轴线Y-Y正交。第一侧面210的周边形成了呈圆形的形式的周边形状。虽然在图中不可见，但是第二侧面220的周边也形成了呈圆形的形式的周边形状。颗粒200包括由介于第一侧面210与第二侧面220之间的距离(沿纵向轴线Y-Y))限定的厚度(T)。颗粒200包含多个在第一侧面210与第二侧面220之间延伸的通孔230。
本文所公开的量纲和值不应理解为严格限于所引用的精确数值。相反，除非另外指明，否则每个此类量纲旨在表示所述值以及围绕该值功能上等同的范围。例如，公开为“40mm”的量纲旨在表示“约40mm”。
除非明确排除或以其它方式限制，本文中引用的每一篇文献，包括任何交叉引用或相关专利或专利申请以及本申请对其要求优先权或其有益效果的任何专利申请或专利，均据此全文以引用方式并入本文。对任何文献的引用不是对其作为与本发明的任何所公开或本文受权利要求书保护的现有技术的认可，或不是对其自身或与任何一个或多个参考文献的组合提出、建议或公开任何此类发明的认可。此外，当本发明中术语的任何含义或定义与以引用方式并入的文献中相同术语的任何含义或定义矛盾时，应当服从在本发明中赋予该术语的含义或定义。
虽然已举例说明和描述了本发明的具体实施方案，但是对于本领域技术人员来说显而易见的是，在不脱离本发明的实质和范围的情况下可作出多个其它变化和修改。因此，本文旨在于所附权利要求中涵盖属于本发明范围内的所有此类变化和修改。

Claims (9)

1.一种用于制备独立的颗粒的方法，所述方法包括：
a)通过增材制造形成包含多个平行布置的管状结构的块，其中所述管状结构各自具有纵向轴线并且各自在结构上与至少一个相邻的管状结构连接；
b)沿着所述管状结构的纵向轴线将所述块分割成在结构上彼此分离的多个单独的管状结构；以及
c)沿着横贯其纵向轴线的方向将所述单独的管状结构中的每一个切片以形成所述独立的颗粒。
2.根据权利要求1所述的方法，其中所述增材制造为熔融沉积成型(FDM)。
3.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中所述分割步骤b)通过将所述块推动穿过具有至少两个刀片的切割器来进行，其中所述至少两个刀片中的每一个包含平行于所述管状结构的所述纵向轴线的切割平面。
4.根据权利要求3所述的方法，其中所述切割器包含多组刀片，其中每个组包含平行布置的多个刀片，并且其中所述多组刀片包含至少两组垂直布置的刀片。
5.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中所述切片步骤c)沿着垂直于所述管状结构中的每一个的所述纵向轴线的方向进行。
6.一种用于制备独立的颗粒的方法，所述方法包括：
a)通过增材制造形成包含多个平行布置的管状结构的块，其中所述管状结构各自具有纵向轴线并且各自在结构上与至少一个相邻的管状结构连接；
b)沿着横贯所述多个平行布置的管状结构的纵向轴线的方向将所述块切片成多个区段，所述区段中的每一个包含多个独立的颗粒，所述多个独立的颗粒各自在结构上与至少一个相邻的独立的颗粒连接；以及
c)将所述区段中的每一个分离成在结构上彼此分离的多个独立的颗粒，
其中所述独立的颗粒为美观颗粒。
7.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中所述管状结构中的每一个具有横截面，所述横截面带有选自以下的周边形状：规则的或不规则的多边形、圆形、椭圆形、花瓣状、心形，以及它们的组合；优选地，所述周边形状是对称的；更优选地，所有所述管状结构具有带有基本上相同的周边形状的横截面。
8.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中所述独立的颗粒中的每一个包含至少一个通孔，优选地所述独立的颗粒中的每一个包含至少两个所述通孔。
9.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中所述独立的颗粒中的每一个具有第一侧面和第二侧面，并且介于所述第一侧面与所述第二侧面之间的厚度在0.1mm至10mm的范围内。
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