Результат интеллектуальной деятельности: Способ получения полиэфиримидного композиционного материала

Изобретение относится к способу получения композиционного материала, предназначенного для получения изделий методом 3D-печати.

Процессы быстрого прототипирования, аддитивного производства или 3D-печати используют для создания трехмерного 3D-объекта.

Из уровня техники известны многочисленные способы получения трехмерных объектов, наиболее распространенными из которых являются селективное лазерное спекание («SLS»), стереолитография («SLA»), струйная печать и экструзионная 3D-печать или FDM (изготовление путем наплавления нити). В качестве матричных полимеров, предназначенных для композиционных материалов, используемых в аддитивных технологиях можно отнести суперконструкционные пластики - полиэфиркетоны (ПЭК), полифениленсульфоны (ПФСн), полиэфиримиды (ПЭИ).

Волокнистые наполнители, такие как углеволокна и стекловолокна, вводятся в полимерный материал, с целью улучшения механических свойств создаваемого материала. Полимерные нити, изготовленные из композиционного материала, включающие в себя в качестве наполнителя углеродные или стекло- волокна, обладают шероховатой, неровной поверхностью. С увеличением количества угле- и стекловолокна увеличиваются шероховатость поверхности и неравномерность диаметра нити, тем самым приводя к образованию ломкости нити, которую трудно обрабатывать и использовать в печати на 3D-принтере. Кроме того, нить с шероховатой поверхностью может привести к остановке двигателя и поступающей нити и привести к образованию пустот или зазоров в напечатанных деталях/объектах. Границы экструдирования, полученные во время печати трехмерного объекта, являются механически слабыми участками детали, таким образом, при использовании деталей в различных областях техники, изготовленных методом 3D-печати, наличие трещин или расслоения в них могут привести к разрушению или выходу из строя объекта, в котором используется данная деталь. В связи с этим, существует необходимость в достижении лучшего смешивания более гладкой и однородной поверхности полимерной нити, используемой в аддитивном производстве, из которой в последующем возможно создание 3D деталей с улучшенными характеристиками.

Патент на изобретение US №4049613 опубликованный 20.09.1977 г. описывает способ получения полиэфиримидных композитов. Полиэфиримидный углеродно-волокнистый композит включает в себя полиэфиримид в количестве от 15 до 60 масс. % и от 40 до 85 масс. % углеродного волокна. Композиционный материал по рассматриваемому изобретению, как утверждают авторы патента, создается путем предварительной обработки углеродных волокон парами азотной кислоты в течение 3 суток. Затем в полученные волокна вводится полиэфиримид, полученная смесь подвергается механическому смешению, тем самым получая композиционный материал.

Основным недостатком предложенного композиционного материала является технологическая сложность его получения.

Предложен «Способ изготовления полимерных композиционных материалов с нанонаполнителями для использования в аддитивном производстве и для улучшения свойств материала» по заявке на изобретение US №20160297935, опубликованный 13.10.2016 г. Изобретение описывает предварительное получение маточной смеси на основе стекловолокон, углеволокон и полиэфиримидной полимерной смолы, с последующим экструзионным смешением полимерного материала, в том числе полиэфиримида с полученной маточной смесью. Как утверждают авторы, способ получения материала по изобретению приводит к однородной и гладкой поверхности полимерной нити, тем самым обеспечивая улучшение свойств печатного материала.

Основным недостатком предложенной полимерной композиции является то, что авторами изобретения недостаточно изучены основные характеристики создаваемого материала, тем самым не давая полной характеристики материала.

Наиболее близким аналогом выступает 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». Способ получения композиционного материала по изобретению заключается в предварительном создании маточной смеси. Маточная смесь основана на экструзии двух полимеров, выбранных из перечня, представленных в материалах заявки, к которым относятся полиэфиримид и поликарбонат с углеродными нанотрубками. Затем в полученную маточную смесь вводится волокнистый наполнитель, в частности углеволокно и/или стекловолокно, полученная многокомпонентная смесь так же подвергается экструзии.

Как утверждают авторы изобретения, благодаря представленному способу, создаваемая полимерная нить не обладает шероховатостью, однако не проиллюстрированы снимки получаемой нити и не представлены основные характеристики созданного композиционного материала.

Задачей настоящего изобретения является разработка способа получения полиэфиримидного композиционного материала, предназначенного для создания полимерной нити, используемой в аддитивных технологиях, с улучшенными прочностными характеристиками.

Поставленная задача достигается путем получения композиционного материала, основанным на предварительном экструзионном смешении полиэфиримида (ПЭИ), углеволокна (УВ) или стекловолокна (СВ) с последующим его экструзионным взаимодействием с гранулами поликарбоната (ПК), при количественном соотношении масс. %:

1. Полимерная матрица (ПМ):

ПЭИ 60-75%,

УВ или СВ 25-40%,

2. Композиционный материал:

ПМ 80-85%,

ПК 15-20%.

Сущность изобретения поясняется следующими примерами.

Пример 1-6 (предлагаемые).

В смеситель, нагретый до 45°С, при режимах оборота 1500 об/мин. загружают 60-75 масс. % ПЭИ и наполнителя на основе углеволокна или стекловолокна в количестве 25-40%. Из полученной смеси путем экструдирования получают гранулы полимерной матрицы. Полученные гранулы полимерной матрицы смешивают с использованием лабораторного высокоскоростного смесителя с гранулами ПК в количестве 15-20% и перерабатываются в зонах двухшнекового экструдера I, II, III, при температурных режимах 200°С, 300°С, 330°С соответственно. Количественные и качественные соотношения компонентов полимерной смеси в масс. % представлены в таблице 1.

Композиции готовят и испытывают аналогично примеру.

Использование компонентов вне заявляемых количеств или их смесей приводит к ухудшению характеристик композиционного материала.

В таблице 2 представлены прочностные характеристики полимерного материала. Все испытания проводятся соответственно ГОСТ и по стандартам ISO.

Техническим результатом настоящего изобретения является разработка способа получения композиционного материала, предназначенного для аддитивных технологий, позволяющего улучшить свойства создаваемого материала.