Электропроводящая полимерная композиция для 3D-печати

Изобретение относится к области получения электропроводящих полимерных композиций, используемых для изготовления токопроводящих материалов, предназначенных для 3D-печати.

Изобретение может применяться для производства 3D-печатных электропроводящих материалов, таких как механосенсоры, приборы емкостного обнаружения, автоматизированные динамичные механизмы.

Известны электропроводящие полимерные композиции на основе сополимера акрилонитрила-бутадиена-стирола и технического углерода марки Raven 960, применяемые для изготовления трехмерных объектов методом 3D-печати. [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.]

Недостатком указанной полимерной композиции является низкая электропроводность и текучесть вследствие использования наполненного акрилонитрил-бутадиен-стирола.

Наиболее близкими к предлагаемой электропроводящей композиции являются электропроводящие композиции [Абдуллин М.И., Басыров А.А., Гадеев А.С. и др. Сравнение электропроводности токопроводящих полимерных композиций, наполненных техническим углеродом и углеродными волокнами. Журнал научных публикаций аспирантов и докторантов, 2014, №8 (98), с. 95-99] на основе термопластов (полипропилен, полиэтилен, стирол-бутадиеновый сополимер) и технического углерода марок П805Э, Printex ХЕ-2В и УВИС АК-П, следующего состава, масс. %:

1. Полиэтилен марки 2287 - технический углерод (ТУ) марки П805Э со степенью наполнения 40-70%;

2. Полипропилен марки 01270 - углеродные волокна марки УВИС АК-П со степенью наполнения 10-70%;

3. Полиэтилен марки 2287 - ТУ марки Printex ХЕ-2В со степенью наполнения 5-20%;

4. Полипропилен марки 01270 - ТУ марки Printex ХЕ-2В со степенью наполнения 5-20%;

5. Стирол-бутадиеновый сополимер марки LG-501 - ТУ марки Printex ХЕ-2В со степенью наполнения 10-25%.

Недостатком данных электропроводящих композиций является низкая текучесть расплава (показатель текучести расплава (ПТР) - менее 2,5 г/10 мин), что не позволяет осуществлять изготовление на их основе трехмерных объектов методом 3D-печати, который предполагает нанесение электропроводящего полимерного слоя в виде расплава.

Техническим результатом изобретения является получение полимерных композиций с повышенной электропроводностью и технологичностью, предназначенных для 3D-печати.

Указанный технический результат достигается тем, что в качестве полимерной основы электропроводящей композиции используется синдиотактический 1,2-полибутадиен (1,2-СПБ). Электропроводящая полимерная композиция содержит компоненты в следующем соотношении, масс. %:

В качестве технического углерода может использоваться технический углерод марок ТУ П803, Printex ХЕ-2В или углеродные волокна марки УВИС АК-П. В качестве антиоксиданта может использоваться технический ионол «марки Б».

Использование в составе электропроводящей композиции 1,2-СПБ позволяет существенно увеличить электропроводность и показатель текучести расплава электропроводящих полимерных композиций по сравнению с прототипом.

Электропроводящую полимерную композицию получают следующим образом.

В реактор загружают 3-20 масс. % технического углерода, 77,5-94,5 масс. % 1,2-СПБ, 2,5 масс. % технического ионола. Компоненты смешивают в металлическом смесителе, снабженном механической мешалкой, в течение 12 мин при скорости перемешивания 440 мин^-1.

Порошкообразную получаемую композицию загружают в лабораторный одношнековый экструдер (D/L=15 см, глубиной витка 16,5 мм, ширина гребня 20 мм) и получают экструдат при температуре материального цилиндра 150°C и скорости вращения шнека 30 мин^-1.

Измерение удельной электропроводности приготовленных таким образом полимерных композиций проводят на цилиндрических образцах длиной около 20 мм и диаметром 4 мм контактным способом. Измерение показателя текучести расплава полимерных композиций проводят на экструзионном пластографе ИИРТ-АМ. Значение электропроводности и ПТР полимерных композиций определяют по ГОСТ 11645-73.

Данное изобретение иллюстрируется следующими примерами.

Пример 1.

В смеситель загружают 87,5 масс. % 1,2-СПБ, 10 масс. % гранулированного технического углерода марки ТУ П803, 2,5 масс. % технического ионола. Композицию смешивают в смесителе в течение 12 мин при скорости перемешивания 440 мин^-1. Полученную порошкообразную композицию гранулируют на лабораторном одношнековом экструдере при температуре 150°C. Электропроводность полимерной композиции составляет 6×10^-7 (Ом×мм²/см)^-1, показатель текучести расплава 5 г/10 мин.

Пример 2.

В условиях примера 1 при следующей загрузке компонентов, масс. %: 1,2-СПБ - 77,5, технический углерод марки ТУ П803 - 20, технический ионол «марки Б» - 2,5. Электропроводность полимерной композиции составляет 1,9×10^-5 (Ом×мм²/см)^-1, показатель текучести расплава 2 г/10 мин.

Пример 3.

В условиях примера 1 при следующей загрузке компонентов, масс. % 1,2-СПБ - 92,5, углеродные волокна марки УВИС АК-П - 5, технический ионол «марки Б» - 2,5. Электропроводность полимерной композиции составляет 1,00×10^-8 (Ом×мм²/см)^-1, показатель текучести расплава 5 г/10 мин.

Пример 4.

В условиях примера 1 при следующей загрузке компонентов, масс. %: 1,2-СПБ - 87,5, углеродные волокна марки УВИС АК-П - 10, технический ионол «марки Б» - 2,5. Электропроводность полимерной композиции составляет 8,0×10^-7 (Ом×мм²/см)^-1, показатель текучести расплава 1,3 г/10 мин.

Пример 5.

В условиях примера 1 при следующей загрузке компонентов, масс. %: 1,2-СПБ - 94,5, технический углерод марки Printex ХЕ-2В - 3, технический ионол «марки Б» - 2,5. Электропроводность полимерной композиции составляет 4×10^-7 (Ом×мм²/см)^-1, показатель текучести расплава 12 г/10 мин.

Пример 6.

В условиях примера 1 при следующей загрузке компонентов, масс. %: 1,2-СПБ - 92,5, технический углерод марки Printex ХЕ-2В - 5, технический ионол «марки Б» - 2,5. Электропроводность полимерной композиции составляет 6×10^-7 (Ом×мм²/см)^-1, показатель текучести расплава 6,5 г/10 мин.

Пример 7.

В условиях примера 1 при следующей загрузке компонентов, масс. %: 1,2-СПБ - 87,5, технический углерод марки Printex ХЕ-2В - 10, технический ионол «марки Б» - 2,5. Электропроводность полимерной композиции составляет 1,47×10^-4 (Ом×мм²/см)^-1, показатель текучести расплава 1,2 г/10 мин.

Пример 8.

В условиях примера 1 при следующей загрузке компонентов, масс. %: 1,2-СПБ - 82,5, технический углерод марки Printex ХЕ-2В - 15, технический ионол «марки Б» - 2,5. Электропроводность полимерной композиции составляет 4,7×10^-3 (Ом×мм²/см)^-1, показатель текучести расплава 0,48 г/10 мин.

Пример 9.

В условиях примера 1 при следующей загрузке компонентов, масс. %: 1,2-СПБ - 77,5, технический углерод марки Printex ХЕ-2В - 20, технический ионол «марки Б» - 2,5. Электропроводность полимерной композиции составляет 1,9×10^-2 (Ом×мм²/см)^-1, показатель текучести расплава 0,12 г/10 мин.

Пример 10.

В условиях примера 1 при следующей загрузке компонентов, масс. %: 1,2-СПБ - 76,5, технический углерод марки Printex ХЕ-2В - 21, технический ионол «марки Б» - 2,5. Электропроводность полимерной композиции составляет 1,3×10^-1 (Ом×мм²/см)^-1, расплав полимерной композиции не проявляет текучести.

Пример 11.

В условиях примера 1 при следующей загрузке компонентов, масс. %: 1,2-СПБ - 95,5, технический углерод марки Printex ХЕ-2В - 2, технический ионол «марки Б» - 2,5. Полученная полимерная композиция не обладает электропроводностью, показатель текучести расплава 16 г/10 мин.

Таким образом, использование в качестве полимерной основы 1,2-СПБ позволяет получить полимерные композиции с повышенной электропроводностью и технологичностью, предназначенные для изготовления трехмерных объектов методом 3D-печати, который предполагает нанесение электропроводящего полимерного слоя в виде расплава.

Использование в качестве антиоксиданта технического ионола марки «Б» увеличивает термостабильность угленаполненных композиций при их переработке и продолжительность срока эксплуатации изделий из таких композиций.