КОМПОЗИЦИОННЫЙ МАТЕРИАЛ
COMPOSITE MATERIAL

Изобретение относится к области создания композиционных материалов, предназначенных для использования в аддитивных технологиях (3D печать).
Аддитивные технологии (3D печать) являются видом радикальных технологических инноваций. Сегодня аддитивные технологии (АТ) активно используются в промышленности. Это не технологии будущего применения, они эффективны уже сейчас. Это доказывает быстрый рост рынка аддитивных технологий - примерно на четверть ежегодно. Что же касается будущего - технологии послойного синтеза еще далеко не исчерпали свой потенциал. Из области науки и техники известны композиционные материалы, предназначенные для аддитивных технологий, однако они в себе сохраняют ряд недостатков, устранениями которых занимаются мировые разработчики и исследователи полимерных материалов для 3D печати.
Известен композиционный материал по изобретению DE № 1998513345 от 30.07.1998 г., описывающий способ получения термопластичной композиции, содержащей хотя бы один полиариленовый эфир, по меньшей мере, один наполнитель или армирующий материал, и один модифицированный карбоксилсодержащий полиариленовый эфир, имеющий повторяющиеся структурные элементы. Как утверждают авторы заявки, композиционный материал обладает улучшенными стабильностью расплава и механическими свойствам. Однако, в материалах заявки не указанно то, что композиционный материал по изобретению может быть использован в аддитивных технологиях.
Патент на изобретение US 6495615 от 17.12.2002 г. относится к термопластичному полимерному материалу с улучшенной ударной вязкостью, содержащей, а) термопластичный полиэфирсульфоновый полимер и б) стекловолокно, обработанное полиолефиновым воском. Полимерный материал по настоящему изобретению обладают высокими модулями упругости и улучшенными ударной вязкостью.
Патент на изобретение US № 8703862B2 от 22.04.2014 г. описывает композиционный материал включающий в себя по меньшей мере, один полиариленовый эфир, имеющий в среднем не более 0,1 фенольных концевых групп на полимерную цепь в количестве от 20 до 92 мас.%, и один полиариленовый эфир, имеющий в среднем 1,5 фенольных концевых групп на полимерную цепь в количестве от 3 до 20 мас.%, один волокнистый или дисперсный наполнитель от 5 до 60 мас.%, а так же может включать дополнительные добавки и / или технологические добавки в количестве от 0 до 40 мас.%. Композиционные материалы по изобретению характеризуются заметно улучшенной стабильностью расплава вместе с хорошими механическими свойствами.
Основными недостатками композиционных материалов по указанным изобретениям является то, что нет полной информации о свойствах материала, то есть нет информации об гигроскопичности, которые являются не мало важными характеристиками создаваемого полимерного материала и они не могут быть использованы в аддитивных технологиях.
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 полимерных материалов, предназначенных для аддитивных технологий, содержащих в себе улучшенный комплекс таких свойств, как физико-механические и пониженные значения гигроскопичности материалов.
Задача решается путем получения композиционного материала на основе полифениленсульфона (ПФСн), поликарбоната (ПК), стекловолокна и органомодифицированной глины (ОГ), при количественном соотношении компонентов соответственно, мас.ч:
Полифениленсульфон
100,
Поликарбонат
32-35,
Стекловолокно
1-3,
Органомодифицированная глина
0,5-2
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 мочевиной, в количестве 7 мас.% от массы монтмориллонита. Органомодифицированную глину получают следующим образом: в суспензию монтмориллонитовой глины в воде, приготовленную перемешиванием на магнитной мешалке в течение 30 минут, добавляют мочевину и перемешивают еще 2 часа при комнатной температуре. Соотношение мочевины и монтмориллонитовой глины, мас.%: 93:7. 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, ПК, стекловолокно 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);
4. ГОСТ РФ 4650-2014 (ISO 62:2008) Пластмассы. Методы определения водопоглощения.
Результаты испытаний отображены в таблице 2.
Таблица 1
Состав композиционного материала
Наименование компонента композиции
Композиционный материал
1
2
3
4
5
6
ПФСн
100
100
100
100
100
100
ПК
33
34
35
35
33
32
Стекловолокно
3
1,2
2,5
1,0
1,2
2,4
ОГ
0,5
0,5
1
1,5
2
0,5
Таблица 2
Свойства композиционного материала
Наименование показателя
Композиция
Исходный материал
1
2
3
4
5
6
Модуль упругости при изгибе, ГПа
5,32
7,45
5,48
11,4
7,5
9,9
2,55
Прочность при изгибе, МПа
117,0
99,54
147
100,1
104,5
102,3
98,2
Модуль упругости при растяжении, ГПа
3,9
2,10
5,1
5,3
5,02
4,5
2,10
Прочность при разрыве, МПа
79,5
84,0
81,0
85,3
83,3
80,2
79
Водопоглощение, % масс,
0,1
0,09
0,07
0,05
0,05
0,08
0,6
В качестве исходного материала предполагается использование полифениленсульфона марки Radel R5100 компании Solvay.
Представленные в таблице 2 данные показали, что введение модификаторов в полимерный материал способствует улучшению значений физико-механических характеристик. Данное улучшение связанно со снижением степени разрушения волокон, что является результатом введения органомодифицированной глины. Во многих случаях при введении волокнистых наполнителей водостойкость композиционного материала ухудшается  вследствие проникновения и накопления воды на границе разделе полимер - наполнитель В данном случае весьма эффективной является введение органомодифицированной глины, которая значительно понижает водопоглощение композитов и уменьшает изменение их механических характеристик.
Технический результат - получение композиционных материалов, удовлетворяющих требованиям по физико-механическим характеристикам и гигроскопичности, предназначенных для аддитивных технологий.