Номоев А.В.   Бардаханов С.П.   Мишигдоржийн У.Л.   Манхиров В.Н.   Сызранцев В.В.   Хартаева Э.Ч.   Гапоненко В.Р.  

Полимерные композитные материалы с наночастицами и карбоновыми волокнами для экструзионной печати

Reporter: Номоев А.В.

Материалы из ABS (акрилонитрил бутадиен стирол) пластика - ударопрочной термопластичной смолы, используемой  в экструзионной 3D печати, обладают недостаточной твердостью и прочностью для использования в изделиях, испытывающих значительные механические нагрузки. Добавление неорганических наночастиц в пластик - один из способов усиления твердости и прочности композиционного материала.  Наночастицы диоксида кремния в качестве добавки в полимеры применяются  для  улучшения их эксплуатационных характеристик. Разработаны методы модификации эпоксидных связующих наночастицами диоксида кремния, технологии получения композиционных материалов на их основе [1]. Композиционный материал ABS пластик формируется с дибутилфталатом (DPB),  парафином, антиоксидантом 1010, силановым связующим агентом (KH-550), перекисью дикумила (DCP), композитным антивозрастным агентом и сажей.  Результаты модификации ABS пластика нано-CaCO3, нано-TiO2 и POE (Polyolefin elastomer) показывают, что они равномерно распределены в матрице ABS, механические свойства пластика - растяжимость, ударные и изгибающие свойства - увеличиваются, как и температура термического разложения модифицированного пластика [3]. Под действием релятивистского электронного пучка созданы нанопорошки диоксида кремния марки Таркосил [4], которые используются в настоящей работе для модификации ABS пластика.  Гранулы ABS пластика перемешивались с нанопорошком Таркосил Т-20 в количестве  5 мас.%, полученная масса засыпалась  в эструдер Filabot для изготовления нити диаметром 1,75 мм. Температура экструдирования  - 2200С. Полученная нить заправлялась в 3D принтер MakerBoot Replicator 2x для печати образцов размерами 1х2 кв.см.  Измерение микротвердости напечатанных модифицированных образцов при нагрузке на индентор Виккерса 50 гр. показало, что при добавлении в ABS пластик Таркосила твердость возросла примерно на 30%. С увеличением нагрузки на индентор до 200 гр. микротвердость увеличилась на 10%.

Второй способ значительного усиления механических  характеристик пластика – добавление в композиционный материал углеволокон, с содержанием до 40% по массе.  Стабилизаторы, антиоксиданты, связующие агенты и другие компоненты добавляются при производстве композиционных полимерных угленаполненных нитей с целью защиты от кислорода воздуха, термического и и УФ- воздействия, обеспечения адгезии карбоновых волокон к полимерному связующему.  Особенностями угленаполненных пластиков являются низкие - плотность, энергоёмкость изготовления готовых изделий, коэффициент трения; высокие – физико-механические прочностные характеристики, кислото -, щёлочно- и коррозионностойкость, износостойкость; широкий диапазон рабочих температур и сред; возможность исключения смазки узлов трения. Термопласты  для 3D-печати все чаще используются при изготовлении промышленных деталей, занимая нишу сталей и сплавов. Это связано с постоянно улучшающимися эксплуатационными характеристиками термопластов, а также привлекательной возможностью вторичного использования, в отличие от реактопластов. Один из таких термопластов – угленаполненный полиамид Nylon 12CF. В состав этого термопласта добавлены мелкодисперсные волокна углерода размером 150 мкм. Доля армирующего углеволокна составляет 35%. Эта добавка делает композит Nylon 12CF одним из самых прочных пластиков для 3D-печати. У полиамида Nylon 12CF самое большое значение модуля упругости среди термопластиков – 10,62 ГПа. Прочность на изгиб – 142 MПa (по осям XZ) и 58,1 MПa (по осям ZX). Предел прочности на разрыв – 76 MПa (по оси ХZ) и 35 MПa (по оси ZX). Относительное удлинение при разрыве – 1,9% (по осям XZ) и 1,2% (по осям ZX) [4]. Недостаток нейлоновых термопластов - высокая цена и плохая экструзионная способность. Более подходящим веществом, с этой точки зрения является термопласт - сополиэфир - полиэтилентерефталат с гликолем (PETG). Предел прочности на разрыв нитей из PETG увеличивается с 46 МПа до 68,3 МПа, то есть на 48% в результате добавления карбоновых волокон (17% масс.). Модуль упругости увеличивается в более чем 4 раза с 2 ГПа до 8,05 ГПа  [5]. Это самое высокое увеличение по сравнению с ABS и PLA (полиамид) пластиками, модифицированных  карбоновыми нитями длиной 60-70 мкм и диаметром 5-8 мкм. Приведенные механические характеристики с PETG с карбоновыми волокнами сравнимы с более дорогим и менее пригодным для 3-D печати композитом  Nylon 12 CF. Нами исследованы нити PETG и Ultran c углеродными волокнами в поперечном сечении сканирующей электронной микроскопией (SEM) и рентгенофлуоресцентным методом (EDX). Проведенный анализ показывает, что карбоновые волокна  имеют среднюю длину 50 мкм, с диаметром около 8 мкм. Содержание карбоновых нитей в PETG пластике, больше  чем в угленаполненной нити Ultran на основе нейлона; для точного измерения содержания необходимо проведение термогравиметрического анализа.

Работа профинансирована грантом РФФИ №18-42-030004 и поддержана проектом № 0336-2019-0008.

Литература
1. Брусенцова Т.А., Филиппов А.А., Фомин В.М. Композиционные материалы на основе эпоксидной смолы и наночастиц // Известия Алтайского государственного университета.
(2015).2. Wu Ming-liang, He Shao-fen, Li Dao-hua, Fan Jia-jun. Study on Recycling ABS Plastic/Nano CaCO3 /TiO2 /POE Modified Composites // IOP Conf. Series: Materials Science and Engineering 439 (2018) 042023
3. Бардаханов С.П., Корчагин А.И., Куксанов Н.К., Лаврухин А.В., Салимов Р.А., Фадеев С.Н., Черепков В.В. Получение нанопорошков испарением исходных веществ на ускорителе электронов при атмосферном давлении. – ДАН, 2006,т.409, №3, с.320–323.
4. https://innovax.info/oborudovanie-i-tehnologii/materialy/nylon-12cf-uglenapolnennyj/
5.
D. Jiang and D.E. Smith. Mechanical behavior of carbon fiber composites produced with fused filament fabrication // Solid Freeform Fabrication 2016: Proceedings of the 27th Annual International.


To reports list