Композиционный материал
COMPOSITE MATERIAL

Изобретение относится к области создания композиционного материала, используемого в 3D-печати методом послойного наплавления (FDM), то есть создание трехмерных объектов за счет нанесения последовательных слоев материала, повторяющих контуры цифровой модели.
На рынке материалов для аддитивного производства существует множество полимеров различного класса. Наиболее распространены полимерные материалы общетехнического назначения, а именно акрилонитрилбутадиенстирол и полилактид. Такие полимеры как поликарбонат и полиамид-6 используются значительно реже из-за более высокой температуры и сложности переработки во время печати. Но, зачастую свойства этих инженерных термопластов не подходят к некоторым случаям применения, при чем использование тугоплавких пластиков с более высокими свойствами не всегда возможно. Современные требования к создаваемым изделиям, заставляют исследователей искать решения, в области создания композиционных материалов, обладающих улучшенными характеристиками.
Свойства напечатанных образцов находятся в прямой зависимости от степени сплавления нитей. Для достижения хорошего качества печати и достаточной плотности напечатанных образцов, обеспечивающих высокие физико-механические свойства, встает задача по оптимизации реологических свойств материала. Особенно это актуально для волокнонаполненных композиционных материалов, так как волокнистые наполнители значительно повышают вязкость расплава, что приводит к недостаточному сцеплению нитей при 3D-печати и, соответственно, к низким физико-механическим свойствам. Исходя из этого, существующие промышленные марки волокнонаполненных полимерных материалов перерабатываются только традиционными методами (литьем, экструзией, прессованием) и непригодны для 3D-печати.
Известны некоторые разработки в области создания полимерных материалов, предназначенных для 3D-печати. Однако, большинство из них основаны на использовании в качестве полимерной матрицы полиэфиры. Так известна заявка на изобретение Японии №2000290506. «Полисульфоновая композиция и способ ее получения». Изобретение относится к способу получения композиционного материала с улучшенными механическими свойствами, без потери термической стабильности в процессе хранения и переработки. Композиционный материал основан на полисульфоне, модифицированном глиной интеркалированной аминосоединением. В качестве модификаторов глины использованы первичные, вторичные или третичные аминогруппы и/или соединения, которые имеют один или более заместителей, выбранных из группы ОН, эфирной группы. Органоглина входящая в состав полисульфоновой композиции имеет толщину пластины 500-2000 мкм. Недостатком композиционного материала является усложнение процесса получения за счет сильной агломерации наполнителя и необходимости предварительной подготовки слоистого силиката. Так же было отмечено, что композиционный материал по настоящему изобретению обладает недостаточно высокими физико-механическими характеристиками.
Авторы заявки на изобретение ВОИС №2004098853 описывают композиционный материал и метод для трехмерного моделирования. Композиционный материал включает в себя 70-99 масс. % полифениленсульфона и 1-25 масс. % поликарбоната. В качестве основного недостатка композиционного материала по изобретению можно отметить снижение модуля упругости при введении поликарбоната, что ограничивает материал в различных сферах применения. Композиционный материал по настоящему изобретению получают путем одновременной загрузки всех компонентов в виде порошков в смеситель для получения сухой смеси, которая в дальнейшем подвергается экструзии.
Наиболее близким по сущности и предлагаемому эффекту является композиционный материал по изобретению КНР №105506764.
Композиционный материал по изобретению получают пропитанный поликарбонатный волокнистый материал, характеризующийся тем, что наружный слой поликарбонатного волокнистого материала обработан расплавленным клеем, который равномерно обволакивает материал. Композиционный материал имеет следующий состав: 100 частей поликарбоната, 5-10 частей усиливающего агента, 5-8 частей клея-расплава, 3-5 частей порошка алюминия, 1-3 части порошка углерода, 1-5 частей смазки и 0,1-1 части антиоксиданта. Недостатком композиционного материала является сложность исполнения технологического процесса получения материала и использование дорогостоящих компонентов, что приводит к удорожанию конечного продукта.
Задачей настоящего изобретения является создание композиционного материала, предназначенного для 3D - печати, упрошенным технологическим процессом получения и обладающего рядом ценных физико-механических свойств.
Задача достигается путем экструзии полимерной матрицы на основе термопластичного полимера и наполнителя, причем количественное соотношение компонентов соответствует, масс.%:
Полимерная матрица
70-98,5
Наполнитель
0,5-25
Углеродное волокно
1-5
В качестве термопластичного полимера предпочтительно использование полиамида-6 или поликарбоната. В качестве наполнителя целесообразно использование модифицированного галлуазита (МГ). Для лучшего совмещения с полимерной матрицей галлуазит модифицировали 3- (триметоксисилил)пропилметакрилатом в количестве 20 масс.% от массы галлуазита. Модификацию проводили в ультразвуковой ванне в течение 30 мин. Затем полученную суспензию модифицированного галлуазита промывали в химически чистом этаноле путем центрифугирования и полученный модифицированный галлуазит сушили в сушильной печи при 80 °С в течение 12 ч.
Сущность изобретения поясняется следующими примерами.
Примеры 1-6 (предлагаемые)
В смеситель, нагретый до 45°С, при скорости вращения 1500 об/мин загружают полиамид-6 (ПА) или поликарбонат (ПК), наполнитель и углеродное волокно (УВ), в количественных соотношениях, представленных в таблице. Полученная смесь перерабатывается на двухшнековом экструдере с шестью зонами нагрева, прчем температуры в зонах нагрева экструдера при использовании полиамида-6 соответствуют - 200°С, 220°С, 230°С, 235°С, 240°С, 245°С; температуры при использовании поликарбоната соответствуют - 240°С, 250°С, 260°С, 265°С, 270°С, 275°С.
-3
-1
Испытуемые образцы в виде брусков и лопаток были получены из полимерной нити, диаметром 1,75 по ГОСТ 12423-66 на 3D-принтере Roboze One 400+. При печати образцов были выставлены следующие настройки принтера: высота слоя: 0,2 мм, ширина укладки нити: 0,45 мм, вид укладки - продольная, скорость укладки - 1800 мм/мин, температура печатит 280°С. Физико-механические испытания проводили на универсальной испытательной машине Gotech Testing Machine CT-TCS 2000, производство Тайвань, при температуре 23°С и скорости деформации ~ 2×10 с.
Техническим результатом настоящего изобретения является разработка композиционного материала, предназначенного для использования в аддитивных технологиях с улучшенными характеристиками.