Композиционный материал на основе полифениленсульфона
POLYPHENYLENE SULFONE-BASED COMPOSITE MATERIAL

Изобретение относится к композиционным материалам на основе полифениленсульфонов (ПФС), применяемых в качестве суперконструкционных полимерных материалов для аддитивных 3D технологий предназначенных для использования методом послойного наплавления (FDM).
Аддитивные технологии сегодня - динамично развивающаяся отрасль инновационного производства, своеобразный индикатор реальной индустриальной развитости государства. В настоящее время происходит постепенное внедрение возможностей аддитивных машин в производство, но сначала необходимо экспериментальное подтверждение этих возможностей, прежде всего для организации реального высокотехнологичного производства. Интерес к АМ-технологиям (Additive Manufacturing) не случаен: с помощью спекания материала можно производить инструменты, технологическую оснастку, детали двигателей, спутников, ракет и многое другое. Кроме того, непосредственное «выращивание» изделия на принтере является экономически оправданной альтернативой традиционным методам производства продукции во многих областях промышленности. Стратегически важным и приоритетным направлением в исследованиях является создание композиционных материалов, предназначенных для АМ-технологий, обладающих рядом физико - механических и прочностных свойств. В связи с этим, создание композиционного материала с улучшенными характеристиками, предназначенного для использования во многих областях промышленности, является в настоящее время достаточно актуальной задачей.
Известен патент на изобретение США №6124399 описывающий способ получения сверхвысокопрочной полисульфоновой композиции. Композиционный материал включает в себя 75-90 масс. % полисульфона, 5-20 масс. % термопластичного поликарбоната и 3-7 масс. % акрилатного каучука. Дополнительно, как утверждают авторы изобретения, композиционный материал может включать в себя 5-60 масс. % одного или несколько армирующих наполнителей, таких как стекловолокно или углеродное волокно, глина, тальк и многие другие минеральные наполнители. В качестве основного недостатка композиционного материала можно указать использование акрилатных каучуков, которые приводят к неудовлетворительным технологическим свойствам. Так же использование в качестве модификатора акрилатного каучука может привести к низкой эластичность материала при комнатной температуре, к заметной коррозионной активности, снизить морозостойкость материала, тем самым ограничивая область его применения.
Известен патент на изобретение РФ №2398732 «Способ получения полимерных нанокомпозитов». Способ включает смешение в расплаве полимера - полисульфона или полиамида и наполнителя - монтмориллонита 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. Предложенный способ обеспечивает улучшение технологических параметров, в том числе увеличение модуля упругости. Недостатком композиционного материала является усложнение процесса получения за счет сильной агломерации наполнителя и необходимости предварительной подготовки слоистого силиката.
Наиболее близкой по технической сущности и достигаемому эффекту к предлагаемой является заявка на изобретение Японии №2000290506 «Полисульфоновая композиция и способ ее получения». Заявка на 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  и отношение длины слоя к толщине от 10 до 300.
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.
Техническим результатом изобретения является создание композиционного материала на основе полифениленсульфонов и варьируемого количества наполнителя, придающих материалу повышенную ударную вязкость и модуль упругости.
Указанный технический результат достигается путем введения в полифениленсульфон наполнителя на основе талька, при следующем соотношении компонентов, масс. %:
Полифениленсульфон от 85 до 95,
Тальк от 15 до 5.
Используемый в качестве полимерной матрицы полифениленсульфон имеет температуру стеклования 214-219°С, приведенную вязкость 0,43-0,55 дл/г при общей структурной формуле:
В качестве наполнителя используется тальк фирмы Luzenac (Франция) марки А7С.
Данное изобретение иллюстрируются следующим примером.
Получение композиционного материала заключается в предварительном получении сухой смеси полифениленсульфона и талька с последующей ее экструзией и гранулированием.
В процессе получения композиционного материала используется используется двухскоростной смеситель R600/HC2500 производства фирмы "Diosna", двухшнековый экструдер Twin Tech Screw 10 mm, с L/D=26 и 5 зонами нагрева, оснащенный специальными дозаторами для подачи порошков и гранул. Режимы экструдирования приведены в табл. 1.
Вышеприведенный пример, носящий иллюстративный характер, демонстрирует возможность получения заявляемым способом композиционного материала, обладающего повышенными ударной вязкостью и модулем упругости.
В таблице 2 представлен количественный и качественный состав композиционного материала по настоящему изобретению.
В таблице 3 представлены характеристики композиционного материала по известному способу получения композиционного материала и способу получения композиционного материала по настоящему изобретению.
р
Здесь А - ударная вязкость, Е - модуль упругости (на изгиб и растяжение соответственно), а σ разр - предел прочности, σ тек - предел текучести.
-3
-1
3
Механические испытания на одноосное растяжение выполнены на образцах полученных литьем на термопластавтомате SZS-20 (Китай) с давлением на расплав до 120 МПа, при температуре материального цилиндра 400°С и температуре формы 180°С, в форме двухсторонней лопатки с размерами согласно ГОСТ 112 62-80. Испытания проводили на универсальной испытательной машине Gotech Testing Machine CT-TCS 2000, производство Тайвань, при температуре 23°С и скорости деформации ~ 2×10 с. Испытания на ударную вязкость выполнены по методу Изода согласно ГОСТ 19109-84 на образцах с размерами 80×10×4 мм. Испытания выполнены на приборе Gotech Testing Machine, модель GT-7045-MD, производство Тайвань.
Композиционный материал по настоящему изобретению отличается хорошей перерабатываемостью в нить, диаметр которой 1,75 мм, пригодной для 3-D печати методом послойного нанесения расплавленной полимерной нити. Апробация материала для 3-D печати показала высокое качество конечных изделий, уступающих по физико-механическим характеристикам литьевым изделиям не более чем на 15%, тогда как в мире изделия, получаемые 3-D печатью, из полимерных материалов уступают литьевым на 30-40%.