Композиционный материал

Изобретение относится к композиционным материалам предназначенных для аддитивных технологий производства изделий.

Проблема создания новых термопластичных полимерных композиционных материалов, обладающих комплексом ценных свойств, бесспорно, является актуальной в связи с активным внедрением полимерных материалов во многие сферы деятельности человека. С другой стороны, помимо классических методов переработки термопластов, таких как литье под давлением и экструзия, активно развиваются аддитивные технологии переработки.

Например, технология послойной укладки расплавленной полимерной нити. Развитие направления FDM 3D печати связывают не только с оптимизацией параметров печати: расположение детали, толщина монослоя, скорость печати и так далее, но и с решением ряда материаловедческих задач: создание материалов со специальными свойствами, снижение усадки, оптимизация реологии расплава и теплофизических свойств с учетом специфики послойного формирования объектов.

Из уровня техники известны разработки в области создания композиционных материалов, предназначенных для аддитивного производства изделий.

Так, известен патент на изобретение ЕР 3415559 от 19.12.2018 г. Композиционный материал включает в себя по меньшей мере один термопластичный полимер и дисперсный неорганический наполнитель. В качестве термопластичного полимера предполагается использование полиэфиркетона (PEK), полиэфирэфиркетона (PEEK), полифениленсульфида (PPS), полиамидимида (PAI), полисульфонона (PSU), полиэфирсульфона (PES), полифенилсульфон и их смеси. В качестве неорганического наполнителя предполагается использование диоксида титана, оксида цинка, оксидов железа, оксида алюминия и их смесей.

Патент на изобретение KR101944140 опубликованный 30.01.2019 г. «Нанотрубки и тонкоизмельченные углеродно-волокнистые полимерные композиции и способы их получения» описывают композиционный материал и способ его получения включающий в себя различные нанотрубки, углеродное волокно и один термопластичный полимерный материал.

Основным недостатком композиционного материала по изобретению является то, что не представлены основные области его использования.

Наиболее близким по технической сущности и предлагаемому эффекту является заявка на изобретение US №20180327552 от 15.11.2018 г «Способ изготовления полимерных композиционных материалов с нанонаполнителями для использования в аддитивном производстве для улучшения свойств материала». Композиционный материал включает в себя поэтапное взаимодействие полиэфиримида и поликарбоната, с углеродными нанотрубками с последующим введением волокнистых наполнителей, в частности углеволокно и/или стекловолокно. Как утверждают авторы изобретения получаемая из композиционного материала полимерная нить не обладает шероховатостью, присущей волокнонаполненным композитам. Однако не проиллюстрированы микроскопические снимки получаемой нити и не представлены основные характеристики созданного композиционного материала.

Задачей настоящего изобретения является разработка композиционного материала, предназначенного для создания полимерной нити, используемой в аддитивных технологиях, обладающего улучшенными прочностными характеристики в сравнении с аналогами. Так же известным фактом является то, что введение волокнистых наполнителей приводит к существенному повышению вязкости расплава полимера, в результате чего затрудняется его переработка. При переработке методом литья под давлением это приводит к недоливу образцов и их дефектности, а при переработке методом 3D-печати - к плохому сцеплению нитей в образце и, как следствие, к низким физико-механическим свойствам. Исходя из этого, пластификация волокнонаполненных композитов является очень важной задачей, в связи с чем были проведены исследования по подбору высокотемпературных пластификатор и их оптимальных концентраций.

Задача достигается путем экструзии термопластичного полимера, наполнителя и пластифицирующей добавки. В качестве термопластичного полимера предполагается использование полифениленсульфона (ПФСн) с характеристической вязкостью 0,45 дл/г, в качестве наполнителя целесообразно использование стекловолокна (СВ) или углеволокна (УВ), а в качестве пластифицирующей добавки (пластификатор) использовался олигомер полифениленсульфона на основе 4,4ʹ-дигидроксидифенила и 4,4ʹ-дихлордифенилсульфона (ОФСн) с молекулярной массой около 15000 г/моль и характеристической вязкостью 0,1 дл/г.

Количественное соотношение компонентов композиционного материала соответствует, масс. %:

Сущность изобретения поясняется следующими примерами.

Пример 1-6 (предлагаемые).

В смеситель, нагретый до 45°С, при режимах оборота 1500 об/мин. загружают ПФСн, ОФСн и наполнитель на основе углеволокна или стекловолокна в количественных соотношениях, представленных в таблице. Полученная смесь перерабатывается в двухшнековом экструдере с зонами нагрева I, II, III, при температурных режимах 200°С, 300°С, 330°С соответственно и подвергается грануляции.

Количественные и качественные соотношения компонентов полимерной смеси в масс, ч представлены в таблице. Композиции готовят и испытывают аналогично примеру. Все испытания проводятся соответственно ГОСТ и по стандартам ISO.

Техническим результатом настоящего изобретения является разработка композиционного материала, предназначенного для аддитивных технологий, с улучшенными прочностными характеристиками.