Композиционный материал на основе полифениленсульфона и способ его получения

Изобретение относится к композиционным материалам на основе полифениленсульфонов и способу его получения, применяемых в качестве суперконструкционных полимерных материалов для аддитивных 3D технологий.

Аддитивные технологии охватывают все новые сферы деятельности человека. Совершенствование и расширение ассортимента композиционных материалов, предназначенных для аддитивных технологий, способствуют более глубокому их проникновению во все сферы деятельности человека. С каждым годом повышаются требования по характеристикам материалов, предназначенных для 3D технологий, то есть композиционные материалы должны обладать высокой стойкостью к растрескиванию в растворителях, легко перерабатываться и максимально сохранять прочностные характеристики материала. В связи с этим, создание композиционного материала, обладающего рядом улучшенных свойств, способного быть использованным практически во всех областях промышленности и техники в настоящее время является достаточно актуальной задачей.

Известен материал по изобретению РФ №1788958 относящийся к полимерным композициям на основе полисульфона, используемым в качестве конструкционных материалов в машиностроении, электротехнике, электронике, авиационной промышленности, бытовой технике. Полимерная композиция включает следующие компоненты, при следующем соотношении масс. ч.: ароматический полисульфон на основе 4,4-дихлордифениясульфона и дифенилолпропана 85,0-90,0; разветвленный поликарбонат с показателем текучести расплава 50-60 г/10 мин (при 280°С, 2,16 кг) 5,0-10,0; полиалкилентерефталат 5,0-10,0; борная кислота 0,2-0,3 и/или окисленный полиэтилен 0,3-0,5 и технологические добавки (тетрастеарат пентаэритрита, стекловолокно, органические фосфиты) 0,1-30,0. Полимерная композиция обладает следующими характеристиками: показатель текучести расплава (300°С, 2,16 кг) 5,8-23,8 г/10 мин.; прочность при разрыве (снижение разрушающего напряжения) после контакта с растворителем 2-16%; усилие съема изделия с формы 4,5-8,0 кг/см². Основным недостатком композиционного материала по изобретению являются низкие физико-механические характеристики.

Так же известна заявка на изобретение Японии №2000290506. «Полисульфоновая композиция и способ ее получения». 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 мкм. 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.

Наиболее близкой по технической сущности и достигаемому эффекту к предлагаемой является патентный документ US 2004/0222561. Авторы

заявки на изобретение описывают композиционный материал и метод для трехмерного моделирования. Композиционный материал включает в себя 70-99 масс. % полифениленсульфона и 1-25 масс. % поликарбоната. В качестве основного недостатка композиционного материала по изобретению можно отметить снижение модуля упругости при введении поликарбоната, что ограничивает материал в различных сферах применения. Композиционный материал по настоящему изобретению получают путем одновременной загрузки всех компонентов в виде порошков в смеситель для получения сухой смеси, которая в дальнейшем подвергается экструзии.

Техническим результатом изобретения является создание композиционного материала на основе полифениленсульфонов и варьируемого количества наполнителя и пластификатора, придающих материалу повышенную ударную вязкость и модуль упругости, а также способ его получения, благодаря которому достигаются хорошие упруго-прочностные и пластические свойства.

Указанный технический результат достигается путем введения в полифениленсульфон наполнителя на основе талька и пластификатора на основе поликарбоната (ПК), при следующем соотношении компонентов, масс. ч:

Получение композиционного материала заключается в предварительном получении сухой смеси полифениленсульфона и талька с последующей ее экструзией и гранулированием. Полученные гранулы наполненного полифениленсульфона смешивают с гранулами поликарбоната и совместно экструдируют.

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, в качестве пластификатора ПК фирмы Carbotex PC K-20MRA28 (Япония).

Данное изобретение иллюстрируются следующим примером.

В процессе получения композиционного материала 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.

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 (описан в патентном документе US 2004/0222561) и способу получения композиционного материала по настоящему изобретению. Получение материалов по обоим способам было сделано авторами настоящей заявки.

Вышеприведенный пример, носящий иллюстративный характер, демонстрирует возможность получения заявляемым способом

композиционного материала, обладающего повышенными ударной вязкостью и модулем упругости. Из таблицы видно, что упомянутые механические характеристики при изготовлении по заявляемому способу повысились в среднем более, чем на 5%, а предел прочности (σ_разр) более, чем на 20%.

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^-3 с^-1. В таблицах 3 и 4 модули упругости обозначаются Е, а σ - пределы прочности.

Испытания на ударную вязкость (в таблице 3 обозначена как А_р) выполнены по методу Изода согласно ГОСТ 19109-84 на образцах с размерами 80×10×4 мм³ для образцов без надреза (в таблице обозначено б/н) и с надрезом (в таблице - с/н). Испытания выполнены на приборе Gotech Testing Machine, модель GT-7045-MD, производство Тайвань.

Так же композиционный материал по настоящему изобретению использовался для печати образцов методом FDM с использованием 3D-принтера фирмы Stratasys (США) Fortus 400 mc при температуре 416°С. Образцы печатались в Х-направлении, с углом ориентации нитей 0° (продольная ориентация) представленная на фиг. 1.

В таблице 4 представлены физико-механические характеристики напечатанных с использованием 3D-принтера образцов композиционного материала.