ПОЛИМЕРНЫЙ КОМПОЗИЦИОННЫЙ МАТЕРИАЛ
POLYMER COMPOSITE MATERIAL

Изобретение относится к области создания полимерных композиционных материалов, предназначенных для использования в аддитивных технологиях (3D-печать).
Среди технологий, постоянно появляющихся в жизни человека благодаря достижениям научного прогресса, существуют и такие, которые носят название «аддитивных». Как известно аддитивные технологии (АТ) являются отраслью цифровой промышленности и представляют собой такой метод производства изделий и различных продуктов, при котором происходит наращение слоев объекта посредством использования компьютерных устройств для 3D-печати. Активное внедрение аддитивных технологий способствует вступлению в новую эру, в эру качественных изменений многих производственных сфер и упрощению организационных процессов. Анализ новейших разработок показывает, что аддитивные технологии в будущем - это обычный рядовой процесс, но чтобы науке до этого дорасти предстоит преодолеть много проблем и принять соответствующие решения. Одной из проблем таких технологий является не соответствие желаемым характеристикам существующих полимерных материалов.
В настоящее время из уровня техники известно большое количество разработок в области создания полимерных материалов, предназначенных для аддитивных технологий, а именно для 3D-печати.
Известен патент на изобретение US № 5476748A от 19.12.1995 г. «Светочувствительные композиции» описывающие получение композиционного полимерного материала, предназначенного для получения конструкций, методом 3D-печати. Композиция включает в себя: от 40 до 80 мас.% жидкой эпоксидной смолы, от 0,1 до 10 мас.%, катионного фотоинициатора, от 5 до 40 мас.% жидкого циклоалифатического или ароматического диакрилата, от 0 до 15 мас.% жидкого поли (мет-) акрилата,
от 0,1 до 10 мас.% радикального фотоинициатора и от 5 до 40 мас.% простого полиэфира, сложного полиэфира или полиуретана с ОН-концевыми группами.
Патент на изобретение US № 6869559B2 от 22.03.2005 г. описывающий способ получения полимерного материала на основе полимера полифенилсульфона (PPSF) и поликарбоната (PC). Как утверждают авторы патента, смесь PPSF / PC демонстрирует хорошие химическую стойкость, термическую стабильность и не накапливается в сопле устройства трехмерного моделирования.
Патент RU № 2398732 «Способ получения полимерных нанокомпозитов» описывает изобретение, относящееся к способу получения нанокомпозитов на основе полимеров и наносиликатов, модифицированных органическими соединениями, с улучшенными прочностными характеристиками, предназначенных для изготовления изделий в электротехнике, машиностроении. Способ включает смешение в расплаве полимера - полисульфона или полиамида и наполнителя - монтморрилонита или бентонита с катионной обменной емкостью 60-150 мг-экв/100 г. Наполнитель в виде водной дисперсии с концентрацией 1-7% предварительно модифицируют органическими катионами путем смешения с последующей сушкой. В качестве ионогенного поверхностно-активного вещества используют алкилбензилдиметиламмоний хлорид в количестве, равном 40-150% от катионной обменной емкости наполнителя. Как утверждают авторы изобретения, предложенный способ обеспечивает улучшение технологических параметров, в том числе увеличение модуля упругости. Основным недостатком указанной композиции является то, что полимерный материал по изобретению не используется для 3D-печати.
Наиболее близкой по технической сущности и предполагаемому эффекту выступает композиционный материал по патенту на изобретение RU № 2688140 от 20.05.2019г. Изобретение относится к способу получения композиционного материала на основе полифениленсульфона, применяемого в качестве суперконструкционного полимерного материала для аддитивных 3D-технологий. Способ получения композиционного материала заключается в том, что предварительно сухую смесь 75-85 мас.% полифениленсульфона и 10 мас.% наполнителя экструдируют и гранулируют. Далее гранулят наполненного полифениленсульфона смешивают с гранулами поликарбоната, используемого в качестве пластификатора. Затем осуществляют экструзию полученной смеси. Поликарбонат берут в количестве 5-15 мас.%. В качестве наполнителя используют тальк. Изобретение позволяет повысить ударную вязкость и модуль упругости композиционного материала.
Задачей настоящего изобретения является создание композиционного материала, предназначенного для использования в области аддитивных технологий, а именно для 3D-печати, с улучшенными физико-механическими характеристиками.
Задача решается путем получения композиционного материала на основе смеси полимеров полифениленсульфона и полиэфиримида (ПФСн/ПЭИ) при соотношении 50:50 масс.ч., модификатора поликарбоната (ПК) и использование в качестве наполнителя органомодифицированной монтмориллонитовой глины (ОГ), при следующем соотношении, масс.ч.:
ПФСн/ПЭИ
100
ПК
23-28
ОГ
0,5-2
в свою очередь органомодифицированная глина представляет собой продукт модификации монтмориллонитовой глины, катионообменной емкостью 95 мг-экв/100 г глины гуанидинсодержащими солями, в количестве 5 % от массы монтмориллонита.
В качестве полифениленсульфона предпочтительно использование марки Radel R5100, поликарбонат представляет собой гранулят марки Carbomix изготавливаемый в соответствии с ТУ 2226-002-13619882-2006, в качестве стекловолокна используются рубленные нити стекловолокна с длиной волокон 3 мм.
Органомодифицированная глина представляет собой продукт модификации монтмориллонитовой глины, катионообменной емкостью 95 мг-экв/100 г глины гуанидинсодержащими солями, в количестве 5 масс. % от массы монтмориллонита. В качестве гуанидинсодержащих солей предпочтительно использование веществ, следующего строения:
Органомодифицированную глину получают следующим образом: в суспензию монтмориллонитовой глины в воде, приготовленную перемешиванием на магнитной мешалке в течение 30 минут, добавляют гуанидинсодержащую соль и перемешивают еще 2 часа при комнатной температуре. Соотношение гуанидинсодержащих солей и монтмориллонитовой глины, масс. %: 95:5. Полученную органоглину промывают водой многократной декантацией и высушивают при комнатной температуре 24 часа.
Следующие примеры характеризуют, но не ограничивают изобретение.
Изготавливают композиционные материалы согласно изобретению (пример 1-6). Рецептуры композиционного материала приведены в таблице 1.
Пример.
В работающий смеситель последовательно загружают в количествах, предусмотренных рецептурой (табл.1), ПФСн/ПЭИ, ПК, и ОГ. Полученную порошкообразную смесь засыпают в экструдер и перерабатывают в зонах Ι-ΙV, при температуре 146 °С, 149 °С, 155 °С и 160 °С соответственно.
Из полученного гранулята изготавливают полимерную нить диаметром 1,75 мм, которая в последующем используется для получения образцов для испытаний методом 3D-печати. Образцы получены использованием 3D-принтера RobozeOne +400.
При исследовании композиционного материала были использованы следующие стандарты:
1. ГОСТ РФ 9550-81. Пластмассы. Методы определения модуля упругости при растяжении, сжатии и изгибе;
2. ГОСТ РФ 4648-2014 (ISO 178:2010). Пластмассы. Метод испытания на статический изгиб (с Поправкой);
3. ГОСТ РФ 11262-80 (СТ СЭВ 1199-78) Пластмассы. Метод испытания на растяжение (с Изменением N 1);
Результаты испытаний отображены в таблице 2.
Таблица 1
Состав композиционного материала
Наименование компонента композиции
Композиционный материал
1
2
3
4
5
6
ПФСн/ПЭИ
100
100
100
100
100
100
ПК
23
27
28
25
26
25
ОГ
0,5
0,5
1
1,5
2
0,5
Таблица 2
Свойства полимерного композиционного материала
Наименование показателя
Композиция
Исходный материал
1
2
3
4
5
6
Модуль упругости при изгибе, ГПа
6,15
8,9
8,53
13,27
7,0
7,6
2,55
Прочность при изгибе, МПа
107,4
100
144
99,1
100,5
106,3
99,2
Модуль упругости при растяжении, ГПа
4,9
3,8
4,9
4,3
5,61
3,97
2,10
Прочность при разрыве, МПа
80,5
86,3
80,2
86,3
84,1
80,2
79
Технический результат - получение композиционных материалов, удовлетворяющих требованиям по физико-механическим характеристикам, предназначенных для аддитивных технологий.