Технологические и электропроводящие свойства полимерных композиций на основе бутадиен-стирольного блока сополимера

ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ И ЭЛЕКТРОПРОВОДЯЩИЕ СВОЙСТВА ПОЛИМЕРНЫХ КОМПОЗИЦИЙ НА ОСНОВЕ БУТАДИЕН-СТИРОЛЬНОГО БЛОКА СОПОЛИМЕРА Глазырин А. Б.1, Басыров А. А.2, Султанов А. И.3, Зарипов Т. Ф.4,

Нургалеев И. И.5

1Глазырин Андрей Борисович / Glazyrin Andrey Borisovich - кандидат химических наук, доцент; 2Басыров Азамат Айратович /Basyrov Azamat Airatovich - аспирант, кафедра технической химии и материаловедения, Башкирский государственный университет, заместитель генерального директора по развитию, ООО «Юниматек»; 3Султанов Айнур Ильдарович /Sultanov Ainur Ildarovich - студент;

4Зарипов Тимур Фанурович / Zaripov Timur Fanurovich - студент; 5Нургалеев Ильшат Ильдусович/Nurgaleev Ilshat Ildusovich - магистр, кафедра технической химии и материаловедения, Башкирский государственный университет, г. Уфа

Аннотация: изучено влияние технологических и электропроводящих свойств полимерных композиций на основе стирол-бутадиен-стирольного каучука содержащих в качестве наполнителей технический углерод марки Printex XE-2B и масло пластификатор нефтяной ПН-6. Определена электротемпературная характеристика, во многом определяющая условия эксплуатации изделий на основе СБС, содержащих ТУ PrintexXE-2B и масло ПН-6. Получены опытные модели эластичных электропроводящих трехмерных прототипов на 3D принтере технологией FDM.

Ключевые слова: электропроводящие полимерные композиции, СБС LG-50, электропроводность, FDM, 3D печать.

Технология 3D-ne4aTH является одной из наиболее бурно развивающихся технологий в современном мире. Впервые появившись как инструмент для визуализации и прототипирования, 3D-печать завоевывает все более обширные области применения. Наиболее востребованной среди технологий 3D-печати является технология FDM (Fulled Deposition Modeling), основанная на изготовлении материалов и изделий путем последовательного нанесения слоев расплавленного термопластичного материала [1]. Одним из перспективных направлений в технологии 3Б-печати является трехмерное прототипирование электропроводящих объектов, получаемых на основе термопластов и термоэластопластов, наполненных техническим углеродом [2]. Разработаны токопроводящие композиции на основе АБС-пластика, полипропилена и некоторых других полимеров [3-5]. Однако недостатком таких композиций является их низкая электропроводимость, что ограничивает использование указанных материалов в 3D-печати. Целью работы являлось изучение влияние наполнителей и полимерной матрицы на электрические свойства полимерных композитов на основе бутадиен-стирального блок сополимера (СБС) с необходимыми для 3D-печати электропроводящими свойствами.

Экспериментальная часть

Исходные вещества: бутадиен-стиральный блок сополимер марки

LG-501; технический углерод (ТУ) марки Printex XE-2B; масло пластификатор нефтяной ПН-6 (масло ПН-6).

Состав анализируемых образцов (масс.%):СБС LG-501/ТУ Printex XE-2B - 7095/5-30; СБС LG-501/масло ПН-6/ТУ Printex XE-2B- 15-60/20-70/15-25

Оборудование: лабораторный экструдер (характеристики шнека L=300 мм, D=20 мм, L/D=15, глубина гребня 16,5мм, шаг витка 20мм); кондуктометр (диапазон измерений 1Ом - 200МОм, относительная погрешность 0,5%).

Композиции на основе СБС готовили путем смешения в металлическом цилиндре в течение 5 мин при скорости перемешивания 440 мин-1.

Получаемые порошкообразные композиции компаундировали на лабораторном одношнековом экструдере при температуре 160-180°С с последующим дроблением экструдата.

Для определения электропроводности полимерных композиций использовали цилиндрические жгуты длиной 20±0.05 мм и диаметром 4±0.04 мм. Определение электропроводности компаундов производили контактным способом согласно ГОСТ 22372.

Расчет удельного электрического сопротивления проводили по формуле:

где: р - удельное сопротивление, Ом*см;

Я - сопротивление образца, Ом;

г - радиус образца, см;

1 - длина образца, см.

Логарифм удельной электропроводности определяли по формуле:

\Еа = \8±

Обсуждение результатов

Электропроводящие углеродные наполнители при введении их в полимерную матрицу способны обеспечивать значительное снижение электрического сопротивления угленаполненного полимерного компаунда по сравнению с сопротивлением исходного полимера. Установлено, что введение технического углерода в состав полимерной композиции, на основе СБС более 5 масс.%, приводит к резкому увеличению электропроводности (рис. 1).

Содержание наполнителя, масс.%

Рис. 1. Зависимость электропроводности полимерной композиций СБС-LG от содержания технического углерода ТУ PrintexXE-2B

Электропроводность изученных полимерных композитов в значительной степени зависит от содержания углеродного наполнителя в компаунде (рис. 1). Так, увеличение содержания наполнителя в композите на основе СБС от 5 до 20 масс.% сопровождается закономерным повышением его электропроводности от 10-6 до 10-1 (Ом*см)-1. Однако, дальнейшее увеличение количества наполнителя (до 30масс.%) не приводит к заметному изменению электропроводимости материала.

15

Следует отметить, что низкие реологические характеристики полимерных композиций на основе СБС наполненных ТУ РпШех ХЕ-2В не позволяют использовать полученные полимерные компаунды для дальнейшей переработки. В связи с этим, для увеличения текучести угленаполненных полимеров введен в качестве пластификатора, масло ПН-6. Изучено влияние пластификатора на электропроводность полимерных композиций (рис. 2).

Введение пластификатора в состав полимерной композиции приводит к снижению электропроводности полимерных материалов. Так с увеличением содержания масла ПН-6 от 10 до 60 масс.%, электропроводность полимерной композиции, включающий ТУ РйШех ХЕ -2В 20 масс.%, уменьшается от 0,13 до 0,05 (Ом*см)-1. Наблюдаемое уменьшение электропроводности полимерных композиций следует связывать с увеличением подвижности макромолекул полимерной матрицы и «изоляцией» электропроводящих зон полимерного материала. В случае полимерных композиций содержащих ТУ РпШех ХЕ -2B 15масс.% введение пластификатора от 45 до 70 масс.% приводит к значительному падению электропроводности - от 0,030 до 0,008 (Ом*см)-1 (рис. 2).

-0,6 -0,8 -1,0 -1,2  -1,4 -1,6 -1,8  -2,0  -2,2

20 30 40 50 60 70

Содержание масла ПН-6, масс.%

Рис. 2. Зависимость электропроводности полимерных композиций СБС-LG от содержания пластификатора

Одним из важных показателей электропроводящих полимерных композиций является электротемпературная характеристика, во многом определяющая условия эксплуатации изделий на их основе. Для композиций на основе СБС, содержащих ТУ Prmtex XE-2B и масло ПН-6 изучены электротемпературные характеристики в интервале температур от 20 до 140°С. Установлено, что сопротивление полимерного образца при увеличении температуры от 80 до 140°С уменьшается от 15,0 до 11,5 Ом*см, что по-видимому связано с ориентацией электропроводящей сетки технического углерода в полимерной матрице. При последующем цикле охлаждения заметного изменения электропроводности полимерной матрицы не наблюдалось.

15

14

13

12

11

20

40

60

80

100

120

140

Температура, оС

Рис. 3. Зависимость электрического сопротивления полимерной композиции на основе СБС и ТУPrintexXE-2B (содержание ТУ 20масс%, содержание ПН-6 65масс%, скорость подъема температуры 1 °С/мин, 1,5А, 12В): 1 - нагрев образца; 2 - охлаждение образца

Методом 3D-ne4ara по технологии FDM на основе СБС-компаундов с содержанием углерода Printex XE-2B 15-25 масс.% получены опытные модели эластичных электропроводящих трехмерных прототипов, которые использованы для проведения дальнейших испытаний в качестве датчиков линейного перемещения [6].

Выводы

Разработаны пластифицированные полимерные компаунды на основе бутадиен-стирального блок сополимера, содержащие в качестве наполнителя технический углерод марки Printex XE-2B, обладающие необходимой технологическим и электропроводящими свойствами, для получения электропроводящих материалов и изделий методом 3D-печати.

Литература

1. Бабкин О. Э. 3D макетирование: технологии, оборудование, материалы: Монография. СПб.: изд. СПбГУКиТ, 2013. 97 с.

2. Абдуллин М. И., Басыров А. А., Гадеев А. С. и др. Реологические свойства расплавов смесей АБС-пластика с техническими углеродами марок П805 и П803Э и Printex ХЕ-2В//Актуальные проблемы гуманитарных и естественных наук, 2014. № 4. С. 25-30.

3. Runqing Oua, Rosario A. Gerhardta, Courtney Marrettb, Alexandre Moulartb, Jonathan S. Colton. Assessment of percolation and homogeneity in ABS/carbon black composites by electrical measurements // Composites. Part B, 2003. V. 34. P. 607-614.

4. Catherine Jewell. 3D-Printing and the Future of Stuff. [Электронный ресурс]: http://www.wipo.int: WIPO Magazine, 2013. Режим доступа: http: //www.wipo.int/wipo_magazine/en/2013/02/article_0004.html/ (дата обращения: 22.11.2016).

5. Гуль В. Е., Шенфиль Л. З. Электропроводящие полимерные композиции. М.: Химия, 1984. 240 с.

6. Абдуллин М. И., Басыров А. А., Колтаев Н. В. и др. Токопроводящие полимерные композиции для 3D-печати // Бюллетень науки и практики, 2016. № 4.С. 44-50.