Композиционный материал
COMPOSITE MATERIAL

Изобретение относится к области создания композиционного материала предназначенных в качестве суперконструкционных материалов, используемых в 3D-печати методом Fused deposition modeling (FDM), то есть создание трехмерных объектов за счет нанесения последовательных слоев материала, повторяющих контуры цифровой модели.
Наука и инноватика регулярно предлагают новые материалы для 3D-печати. Базовой наукой, поставляющей производителям 3D-принтеров большую часть сырья для прототипирования по-прежнему остается композиционные материалы на основе полифениленов. На данный момент, очень сложно представить себе более практичный и дешевый «расходник» для создания прототипов, чем производные высокомолекулярной химической технологии. Однако, современные требования к создаваемым изделиям, заставляют исследователей искать решения, в области создания композиционного материала 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.
Из уровня техники известен патент на изобретение US 6495615 от 16.02.2001 г., относящийся к композиционным материалом с улучшенной ударной вязкостью, содержащей: а) термопластичную полиэфирсульфоновую смолу и б) стекловолокно, обработанное полиолефиновым воском. Стеклянная смесь полиэфирсульфоновой смолы обладает высоким модулем и улучшенной ударной вязкостью. Основным недостатком указанной композиции является использование стекловолокна, дополнительно обработанное воском, которое влечет за собой пределенную сложность технологического процесса получения композита.
Заявка на изобретение ЕР 20060118409 от 03.08.2006 г. раскрывает полимер в состав которого входят полиарилэфиркетон (выбранный из полиэфирэфиркетонов, полиэфиркетекетонов и сополимеров полиэфиртеркетон-полиэфиркетонкетона), полифенилсульфона, армирующего волокна, а так же цинк содержащее волокно. В качестве полифениленсульфонов используется полимер таких торговых марок, как REDEL R-5100 NT и REDEL R-5000 NT.
Недостатком способа получения по настоящему изобретению является использование дорогостоящего полиариленэфиркетона, который повышает стоимость конечного продукта. Так же в качестве недостатка можно указать большое количество наполнителя, до 75 масс. %., ведь как известно очень трудно получить высокое содержание наполнителя в композите, так как требуется большое количество полимера для смачивания суммарной поверхности частиц этого наполнителя.
Наиболее близким по сущности и предлагаемому эффекту является композиционный материал по заявке на изобретение WO 2014202673 от 24.12.2014 г. описывающий Композицию, включающую в себя от 1 до 90 мас. % по меньшей мере одного полиэфиримидного полимера, от 5 до 94 мас. % по меньшей мере одного полифенилсульфонового полимера и от 5 до 75 мас. %. по меньшей мере одного волокнистого армирующего наполнителя (стекловолокно или углеродное волокно). В качестве полимерсульфонового полимера автор изобретения предполагает использование РАДЭЛ RG-5010 и РАДЭЛ RG-5030 с температурой стеклования 220°С, от производителя Solvay Specialty Polymers USA.
Задачей настоящего изобретения является создание композиционного материала предназначенных для 3D печати с улучшенными механическими характеристиками.
Задача решается путем получения композиционного материала на основе полифениленсульфона (ПФСн) с температурой стеклования 200,5°С, с высокомолекулярным ПФСн с температурой стеклования 214°С совместно с наполнителем на основе молотых углеродных волокон. Композиционный материал по изобретению состоит из матричного полимера со специально подобранными реологическими свойствами, который представляет собой смесь полимеров с определенными значениями молекулярной массы. При наполнении данной смеси углеродными волокнами, композиционный материал сохраняет высокую текучесть расплава, что обеспечивает высококачественную печать. Модуль упругости образцов напечатанных из армированных материалов превосходит соответствующее свойство образцов из ненаполненного полимера примерно на 250%.
Получение композиционных материалов производилось методом экструзионного смешения в расплаве на двухшнековом микроэкструдере Twin Tech Screw 10 mm (Великобритания). Режимы экструдирования представлены в табл. 1.
Перед экструзией компоненты сушились в вакуумном шкафу при температуре 150°С, в течении 10 часов, затем смешивались на высокоскоростном смесителе при 700 об/мин., в течение 3 мин.
Технологический режим получения нити для 3D печати из данного состава приведен в таблице 1.
В качестве матрицы в композиционном материале использовалась смесь полифениленсульфона (ПФСн) с температурой стеклования 200,5°С, приведенной вязкостью 0,3 дл/г (ПТР при 350°С при нагрузке 5 кг - 95 г/10 мин) и молекулярной массой 28000 г/моль, с высокомолекулярным ПФСн с температурой стеклования 214°С, приведенной вязкостью 0,43 дл/г (ПТР при 350°С при нагрузке 5 кг - 40 г/10 мин) и молекулярной массой 44000 г/моль. В качестве наполнителя использовались молотые углеродные волокна с длиной волокон 0,2 мм в количестве 3-20 масс. %.
ПФСн с температурой стеклования 200,5°С и ПФСн с температурой стеклования 214°С в композиционном материале используются в соотношении 1:1 соответственно.
Композиционный материал получали методом экструзии, с одновременным получение нити с диаметром 1,75 мм для печати. Печать проводилась при различных значениях угла ориентации нитей и воздушного зазора. Основные механические свойства напечатанных образцов приведены в табл. 2-5.
Технический результат - получение композиционного материала с улучшенными механическими характеристиками для 3D-печати методом FDM, предназначенных в качестве суперконструкционных материалов