CC BY
304
МЕТАЛЛОПОЛИМЕРНЫЕ КОМПОЗИЦИИ ДЛЯ 3И-ПЕЧАТИ
Абдуллин Марат Ибрагимович
профессор кафедры технической химии и материаловедения, Башкирский государственный университет, 450074, Россия,г. Уфа, ул. Заки Валиди,32
Басыров Азамат Айратович
аспирант кафедры технической химии и материаловедения, Башкирский государственный университет, 450074, Россия, г. Уфа, ул. Заки Валиди,32
Николаев Алексей Валерьевич
магистрант 1 года обучения кафедры технической химии и материаловедения,
Башкирский государственный университет, 450074, Россия, г. Уфа, ул. Заки Валиди,32 E-mail: Koksharova. yulya@yandex. ru
METAL FILLED COMPOSITIONS FOR 3D PRINTING
Marat Abdullin
Professor of the Department of technical chemistry and materials science,
Bashkir State University, 450074, Russia, Ufa, Zacky Validi st.32
Azamat Basyrov
Graduate student of the Department of technical chemistry and materials science,
Bashkir State University, 450074, Russia, Ufa, Zacky Validi st. 32
Alexey Nikolaev
Master’s degree student of the 1st year of training of technical chemistry and materials science,
Bashkir State University, 450074, Russia, Ufa, Zacky Validi st. 32
Абдуллин М.И., Басыров А.А., Николаев А.В. Металлополимерные композиции для 3D печати // Universum: Химия и биология : электрон. научн. журн. 2015. № 11 (18) .
URL: http://7universum.com/ru/nature/archive/item/2701
АННОТАЦИЯ
Показана возможность применения различных порошков металлов в качестве наполнителей для полимерных композиций на основе поливинилацетата марки М10. Изучены реологические и электропроводящие свойства полученных композиций на основе поливинилацетата марки М10, наполненных мелко дисперсными порошками металлов: алюминия марки ПАД-4, никеля марки А-2, меди марки ПМУ и свинца марки ПС 1. Изучена зависимость текучести полимерных металлонаполненных композиций от степени наполнения порошком металла. Установлен оптимальный температурный интервал для переработки полученных полимерных металлонаполненных композиций на основе поливинилацетата. Определены наиболее подходящие по технологическим характеристикам объемные доли порошков металлических наполнителей в полимерных композициях для переработки с помощью BD-принтера UniqBot компании ООО “Unimatech” модификация “Maximus 1.2”. Экспериментальные результаты свидетельствуют, что наиболее подходящими для переработки с помощью BD-принтера UniqBot являются полимерные композиции на основе поливинилацетата, наполненные порошками алюминия, никеля и меди. Определена зависимость электропроводности полимерных композиций от природы и содержания металлического наполнителя. Показано, что наиболее высокой электропроводностью обладают полимерные композиции на основе поливинилацетата марки М10, наполненной свинцовым порошком.
ABSTRACT
Possibility of use of various powders of metals as fillers for polymeric compositions on the basis of M10 brand polyvinyl acetate is shown. Rheological and electroconductive properties of the received compositions on the basis of polyvinyl acetate of the M10 brand of the metals filled (aluminum of the PAD-4 brand, nickel of the A-2 brand, copper of the PMU brand and lead of the PS 1 brand) with small disperse powders are studied. Dependence of fluidity of the polymeric metal filled compositions on extent of filling by metal powder is studied.
The optimum temperature interval for processing of the metal filled compositions received polymeric on the basis of polyvinyl acetate is established. The volume fractions of powders of metal fillers in polymeric compositions most suitable for printing by the 3D UniqBot printer of the JSC Unimatech company modification of “Maximus 1.2” are determined. Experimental results testify that by means of the 3D UniqBot printer the polymeric compositions on the basis of polyvinyl acetate filled with powders of aluminum, nickel and copper are the most suitable for processing. Dependence of conductivity of polymeric compositions by nature and the maintenance of metal filler is defined. It is shown that the highest conductivity polymeric compositions is on the basis of polyvinyl acetate of the M10 brand filled with lead powder possess.
Ключевые слова: поливинилацетат, металлонаполнители, 3D-ne4arb.
Keywords: polyvinyl acetate, metalfillers, 3D print.
В настоящее время актуализируется проблема сырья для производства высокотехнологичных материалов и изделий со специфическими свойствами. Стратегическим направлением материаловедения является создание высокоэффективных материалов, обладающих повышенными физикохимическими и эксплуатационными свойствами, а также разработка экологически чистых, ресурсосберегающих, экономичных технологий их получения [3]. Среди новых материалов особое место занимают композиционные и дисперсные материалы на основе полимеров, обладающие целым комплексом различных свойств, рациональное сочетание которых позволяет получать оптимальные конструкции [1].
Бурное развитие техники выдвигает проблему создания новых типов полимерных материалов с комплексом свойств, которыми не обладают известные ныне пластики. Эту проблему, вероятно, нельзя разрешить только синтезом новых полимеров, поскольку в нем имеются принципиальные ограничения, в настоящее время осложненные экономической ситуацией.
Поэтому в научных и прикладных исследованиях последних лет сохраняется тенденция к смещению акцента при решении проблем создания материалов с заранее заданными свойствами в сторону модификации свойств традиционных полимеров, которая, в свою очередь, может быть достигнута путем наполнения существующих полимеров различными наполнителями. Применение таких композиций возможно и в BD-печати, что позволяет создавать из полученных материалов предметы более сложной структуры и совершенствовать их технологичность. Однако для BD-принтеров существуют определенные требования к применяемому полимерному сырью, что предполагает изучение его реологических и иных физико-механических свойств.
Целью данной работы являлось получение полимерных материалов на основе поливинилацетата, наполненного различными порошками металлов.
При этом решались следующие задачи:
1. Выявление полимерных композиций с показателем текучести расплава 12 г/10 мин при 49Н.
2. Изучение электропроводности полученных полимерных материалов.
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ
В качестве полимерной матрицы использовали поливинилацетат марки М 10. В качестве наполнителей были использованы порошок алюминия марки ПАД-4, порошок никеля марки А-2, порошок меди марки ПМУ, порошок свинца марки ПС 1.
Полимерные токопроводящие композиции готовили путем смешения полимерного сырья и металлического наполнителя в металлическом цилиндре в течение 5 мин. при скорости перемешивания 440 мин-1.
Получаемые порошкообразные композиции гранулировали на лабораторном одношнековом экструдере (характеристики шнека экструдера: L/D=15,
L=300 см, 0,9 обор./мин) при температуре материального цилиндра 190—220 °С с последующим дроблением экструдата.
Реологические свойства полимеров изучали методом капиллярной вискозиметрии на приборе ИИРТ в интервале температур 100—180 0С при нагрузке 49Н.
Показатель текучести расплава ПТР (г/10мин) вычисляли по формуле:
(1)
где: m — масса расчетного отрезка экструдированного полимера, г;
t — время истечения полимера, с.
Измерение логарифма удельной электропроводности полимерной композиций проводили на цилиндрических образцах длиной 10 мм и диаметром 3 мм контактным способом. Расчет удельной электропроводности проводили по формуле:
Р =
п • R • r2
1
где: р — удельное сопротивление, Ом*см R — сопротивление образца, Ом г — радиус образца, см l — длина образца, см
Логарифм удельной электропроводности (а) определяли по формуле:
1 1 1
lg ст = lg— (2)
Р
ОБСУЖДЕНИЕ РЕЗУЛЬТАТОВ
Композиционные наполненные материалы перспективны для применения в различных областях техники, но особый интерес вызывают металлонаполненные полимерные композиционные материалы, которые обладают ценным комплексом эксплуатационных свойств. Металлонаполнители способны оказывать разнообразное воздействие на полимеры, обуславливающее высокую эффективность их использования. Они могут повышать механическую прочность и твердость полимеров, придавать
специальные свойства (понижать горючесть, повышать фрикционные или антифрикционные, электрические, теплофизические, адгезионные и другие свойства).
Введение наполнителей в состав полимеров изменяет весь комплекс их технологических и физико-механических свойств. Для оценки влияния наполнителя на реологические свойства наполненных полимеров использовали метод капиллярной вискозиметрии и в качестве критерия оценки принимали показатель текучести расплава (ПТР).
Наиболее оптимальным для применения в BD-печати является ПТР от 12 г/10 мин, что и является в данном случае целевым значением текучести. Установлено, что введение в состав ПВА порошка металлов уменьшает его текучесть (рис. 1). При этом значение ПТР полимерных композиций во многом определяется размером частиц наполнителя. В случае наполнения ПВА алюминиевым порошком показатель текучести расплава при содержании наполнителя 70 об. % составляет 7,2 г/10 мин, тогда как в случае медного и никелевого порошка данное значение равно 2,6 и 0,5 г/10 мин соответственно. Данные различия, возможно, связаны с тем, что размер частиц алюминиевого порошка выше и, соответственно, меньше площадь контакта поверхности наполнителя и полимерной матрицы.
Содержание наполнителя, об.%
Рисунок 1. Показатель текучести расплавов металлонаполненных композиций на основе ПВА марки М10:1 — алюминий марки ПАД-4;
2 — медь марки ПМУ; 3 — никель марки А-2; 4 — свинец марки ПС 1 (49 Н). Штрихлинией отмечено целевое значение показателя текучести расплава
Следует отметить, что текучесть полимерных композиций на основе ПВА и порошков никеля, меди и алюминия сохраняется при введении до 70 об. % наполнителя. При введении наполнителя более 70 об. % наблюдается сильное увеличение вязкости расплавов полимерных композиций и термическая деструкция ПВА в процессе экструзии. Вследствие этого введение порошков металлов выше 70 об. % крайне затруднительно. Иная картина наблюдается при наполнении ПВА порошком свинца. При введении в полимерную матрицу наполнителя 50 об. % наблюдается практически полная потеря текучести полимерной композиции. Введение порошка свинца в полимерную матрицу выше 50 об. % не представляется возможным вследствие деструкции ПВА.
Целевое значение ПТР (выше 12 г/10 мин) для полимерной композиции на основе свинца при содержании 50 об. % может быть достигнуто только при температуре выше 195 °С (рис. 2). Снижение текучести расплавов полимерной композиции на основе свинца при содержании 50 об. % может быть связано с тем, что в процессе переработки в экструзионной камере расплав композиции подвергается сдвиговому напряжению. Вследствие этого
частицы порошка металла деформируются с образованием непрерывной металлической «сетки».
150 160 170 180 190 200
Температура, оС
Рисунок 2. Показатель текучести расплава композиций на основе ПВА марки М10 наполненного свинцом марки ПС 1 (50 об. %, 49 Н). Штрихлинией отмечено целевое значение показателя текучести расплава
Таким образом, имеется возможность получения металлонаполненных полимерных композиций на основе поливинилацетата и порошков никеля, меди и алюминия с показателем текучести расплава выше 12 г/10 мин с содержанием наполнителя от 10 до 70 об.%. Установлено, что при введении в ПВА порошка свинца выше 50 об.% наблюдается резкое снижение текучести полимерной композиции.
Металлические наполнители при введении их в полимерную матрицу значительно снижают электрическое сопротивление композиционного материала по сравнению с сопротивлением исходного полимера. В связи с этим изучены электрические свойства полученных композиций (рис. 3).
Содержание наполнителя, об.%
Рисунок 3. Зависимость электропроводности металлонаполненных полимерных композиций от природы и содержания наполнителя:
1 — свинец марки ПС 1; 2 — никель марки А-2; 2 — медь марки ПМУ;
3 — алюминий марки ПАД-4.
Электропроводности полимерных композиций на основе никеля, меди и алюминия практически одинаковы и составляют -5,55 Ом*мм2/см при содержании наполнителя 70 об. %. Установлено, что электропроводность полимерных композиций на основе свинца значительно выше по сравнению с алюминием, никелем и медью. При содержании свинца в полимерной композиции 50 об. % электропроводность достигает -1,15 Ом*мм2/см, что, возможно, объясняется образованием электропроводящей сетки в полимерной матрице. Таким образом, наиболее электропроводящим наполнителем является порошок свинца, что говорит о перспективности его применения в полимерных композициях для BD-печати.
Выводы
Показана возможность получения металлонаполненных композиций на основе поливинилацетата с содержанием наполнителя до 70 об. %. Установлено, что композиции на основе меди, никеля и алюминия,\
показывают идентичную зависимость электропроводности от степени наполнения полимера.
На основе экспериментальных данных установлено, что наиболее подходящей для BD-печати полимерной электропроводящей композицией является:
• ПВА — 50 об. %;
• Свинец — 50 об. %.
Рекомендуемая температура переработки полученной композиции 195—200 °С.
Список литературы:
1. Бондалетова Л.И., Бондалетов В.Г. Полимерные композиционные материалы (часть 1): учебное пособие. — Томск: Изд-во Томского политехнического университета, 2013. — 118 с.
2. Буланова М.А. Разработка и исследование электропроводящих резин, наполненных углеродными волокнами: дис. ... канд. техн. наук. — Ленинград, 1982. — 216 с.
3. Кычкин А.К. Исследование и разработка плазменно-дуговых устройств и технологий для комплексной переработки техногенного минерального сырья: автореф. дис. .канд. техн. наук. — Якутск, 2004. — 148 с.
4. Мэнсон Дж., Сперлинг Л. Полимерные смеси и композиты. — М.: Химия, 1979. — 439 с.
5. Наполнители для полимерных композиционных материалов. Справочное пособие / под ред. Г.С. Каца и Д.В. Милевски. — М.: Химия, 1981. — 736 с.
6. Нильсен Л. Механические свойства полимеров и полимерных композиций. — М.: Химия, 1978. — 310 с.
References:
1. Bondaletova L.I., Bondaletov V.G. Polymeric composite materials (part 1). Tomsk, Izd-vo Tomskogo politekhnicheskogo universiteta Publ., 2013. 118 p. (In Russian).
2. Bulanova M.A. Development and research of the electroconductive rubbers filled with carbon fibers. Cand. tech. sci. diss. Leningrad, 1982. 216 p. (In Russian).
3. Kychkin A.K. Research and development of plasma and arc devices and technologies for complex processing of technogenic mineral raw materials. Cand. tech. sci. diss. Yakutsk, 2004. 148 p. (In Russian).
4. Manson J., Sperling L. Polymeric mixes and composites. Moskow, Khimiia Publ., 1979. 439 p. (In Russian).
5. Katz G.S., Milevski D.V. Fillers for polymeric composite materials. Moskow, Khimiia Publ., 1981. 736 p. (In Russian).
6. Nielsen L. Mechanical properties of polymers and polymeric compositions. Moskow, Khimiia Publ., 1978. 310 p.
