Композиционный материал
Владельцы патента RU 2757582:
Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования «Кабардино-Балкарский государственный университет им. Х.М. Бербекова» (КБГУ) (RU)
Изобретение относится к области создания композиционных материалов, предназначенных для использования в аддитивных технологиях (3D печать). Композиционный материал выполнен на основе полифениленсульфона, поликарбоната и стекловолокна и дополнительно включает в себя органомодифицированную глину, при следующем соотношении, мас.ч: полифениленсульфон 100, поликарбонат 32-35, стекловолокно 1-3, органомодифицированная глина 0,5-2. Органомодифицированная глина представляет собой продукт модификации монтмориллонитовой глины, катионообменной емкостью 95 мг-экв/100 г глины мочевиной, в количестве 7% от массы монтмориллонита. Технический результат - получение полимерных материалов, удовлетворяющих требованиям по физико-механическим характеристикам и гигроскопичности, предназначенных для аддитивных технологий. 2 табл., 6 пр.
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.
Композиционный материал, предназначенный для аддитивных технологий, на основе полифениленсульфона, поликарбоната и стекловолокна, отличающийся тем, что дополнительно включает в себя органомодифицированную глину, при следующем соотношении, мас.ч:
Полифениленсульфон | 100, |
Поликарбонат | 32-35, |
Стекловолокно | 1-3, |
Органомодифицированная глина | 0,5-2, |
причем органомодифицированная глина представляет собой продукт модификации монтмориллонитовой глины, катионообменной емкостью 95 мг-экв/100 г глины мочевиной, в количестве 7% от массы монтмориллонита.