Электропроводящая металлонаполненная полимерная композиция для 3D-печати (варианты) Российский патент 2018 года по МПК C08K3/08 B29C67/04 

Изобретение относится к области получения электропроводящих полимерных композиций, используемых для изготовления токопроводящих материалов, предназначенных для 3D-печати.

Изобретение может применяться для производства 3D-печатных электропроводящих материалов, таких как механосенсоры, приборы емкостного обнаружения, автоматизированные динамичные механизмы.

Известны электропроводящие полимерные композиции на основе меди и термопластов или эпоксидных смол, применяемые для изготовления электронных объектов [Conductive polymer composites. Patent US 20080272344 A1, №12/077,812].

Недостатком указанной полимерной композиции является низкая электропроводность и текучесть вследствие использования наполненного полимера.

Наиболее близкими к предлагаемой электропроводящей композиции являются электропроводящие композиции [Абдуллин М.И., Басыров А.А., Николаев А.В. Металлополимерные композиции для 3D-печати // Universum: Химия и биология: электрон. научн. журн. 2015. №11 (18).] на основе поливинилацетата марки М10 и металлического наполнителя (свинец марки ПС, никель марки А-2, медь марки ПМУ, алюминий марки ПАД-4), следующего состава, мас %:

1. Поливинилацетат марки М10 - свинец марки ПС со степенью наполнения 0-50%;

2. Поливинилацетат марки М10 - никель марки А-2 со степенью наполнения 0-70%

3. Поливинилацетат марки М10 - медь марки ПМУ со степенью наполнения 0-70%;

4. Поливинилацетат марки М10 - алюминий марки ПАД-4 со степенью наполнения 0-70%

Недостатком данных электропроводящих композиций является низкая электропроводность (менее 1⋅10^-4 (Ом×мм²/см)^-1), что не позволяет осуществлять изготовление на их основе токопроводящих трехмерных объектов методом 3D-печати.

Техническим результатом изобретения является получение полимерных композиций с повышенной электропроводностью и технологичностью, предназначенных для 3D-печати.

Указанный технический результат достигается тем, что в качестве полимерной основы электропроводящей композиции используется стирол-бутадиен-стирол сополимер СБС, в качестве токопроводящего порошки - металлические наполнители: ПОС-63, свинца, алюминия, меди. Предлагаемая композиция дополнительно содержит пластификатор - масло ПН-6Ш.

Токопроводящий порошок ПОС-63 представляет собой оловянно-свинцовый сплав. Состав: олово - 63%; свинец - 27% (ТУ 48-13-39-89). Масло ПН-6Ш (ТУ 38.1011217-89) - нефтяной пластификатор, представляет собой концентрат ароматических углеводородов. Его получают путем компаундированиия экстрактов селективной (фенольной) очистки масляных фракций нефти.

Использование в составе электропроводящей композиции СБС позволяет существенно увеличить электропроводность и показатель текучести расплава электропроводящих полимерных композиций по сравнению с прототипом.

Электропроводящую полимерную композицию получают следующим образом.

В реактор загружают 20-40 мас % металлического наполнителя; 10-30 мас % СБС; 50 мас % масла ПН-6Ш. Компоненты смешивают в металлическом смесителе, снабженном механической мешалкой, в течение 12 мин при скорости перемешивания 440 мин^-1.

Порошкообразную получаемую композицию загружают в лабораторный одношнековый экструдер (D/L=15 см, глубина витка 16,5 мм, ширина гребня 20 мм) и получают экструдат при температуре материального цилиндра 150°С и скорости вращения шнека 30 мин^-1.

Измерение удельной электропроводности приготовленных таким образом полимерных композиций проводят на цилиндрических образцах длиной около 20 мм и диаметром 4 мм контактным способом. Измерение показателя текучести расплава полимерных композиций проводят на экструзионном пластографе ИИРТ-АМ. Значение электропроводности и ПТР полимерных композиций определяют по ГОСТ 11645-73.

Данное изобретение иллюстрируется следующими примерами.

Пример 1.

В смеситель загружают 30 мас % СБС; 20 мас % ПОС-63; 50 мас % масла ПН-6Ш. Композицию смешивают в смесителе в течение 12 мин при скорости перемешивания 440 мин^-1. Полученную порошкообразную композицию гранулируют на лабораторном одношнековом экструдере при температуре 150°С. Полученная полимерная композиция не обладает электропроводностью, показатель текучести расплава 3,7 г/10 мин.

Пример 2.

В условиях примера 1 при следующей загрузке компонентов, мас %: СБС - 20; ПОС-63 - 30; масло ПН-6Ш - 50. Полученная полимерная композиция не обладает электропроводностью, показатель текучести расплава 0,5 г/10 мин.

Пример 3.

В условиях примера 1 при следующей загрузке компонентов, мас %: СБС - 10; ПОС-63 - 40; масло ПН-6Ш - 50. Электропроводность полимерной композиции составляет 1,2×10^-2 (Ом×мм²/см)^-1, показатель текучести расплава 0,2 г/10 мин.

Пример 4.

В условиях примера 1 при следующей загрузке компонентов, мас %: СБС - 5; ПОС-63 - 45; масло ПН-6Ш - 50. Электропроводность полимерной композиции составляет 0,20 (Ом×мм²/см)^-1, расплав полимерной композиции не проявляет текучести.

Пример 5.

В условиях примера 1 при следующей загрузке компонентов, мас %: СБС - 30; свинец - 20; масло ПН-6Ш - 50. Полученная полимерная композиция не обладает электропроводностью, показатель текучести расплава 1,53 г/10 мин.

Пример 6.

В условиях примера 1 при следующей загрузке компонентов, мас %: СБС - 20, свинец - 30; масло ПН-6Ш - 50. Полученная полимерная композиция не обладает электропроводностью, показатель текучести расплава 0,3 г/10 мин.

Пример 7.

В условиях примера 1 при следующей загрузке компонентов, мас %: СБС - 10, свинец - 40; масло ПН-6Ш - 50. Электропроводность полимерной композиции составляет 2,2×10^-2 (Ом×мм²/см)^-1, показатель текучести расплава 0,1 г/10 мин.

Пример 8.

В условиях примера 1 при следующей загрузке компонентов, мас %: СБС - 5, свинец - 45; масло ПН-6Ш - 50. Электропроводность полимерной композиции составляет 0,21 (Ом×мм²/см)^-1, расплав полимерной композиции не проявляет текучести.

Пример 9.

В условиях примера 1 при следующей загрузке компонентов, мас %: СБС - 30; медь - 20; масло ПН-6Ш - 50. Полученная полимерная композиция не обладает электропроводностью, показатель текучести расплава 2,8 г/10 мин.

Пример 10.

В условиях примера 1 при следующей загрузке компонентов, мас %: СБС - 20; медь - 30; масло ПН-6Ш - 50. Электропроводность полимерной композиции составляет 1,7×10^-2 (Ом×мм²/см)^-1, показатель текучести расплава 0,9 г/10 мин.

Пример 11.

В условиях примера 1 при следующей загрузке компонентов, мас %: СБС - 10; медь - 40; масло ПН-6Ш - 50. Электропроводность полимерной композиции составляет 6,5×10^-2 (Ом×мм²/см)^-1, показатель текучести расплава 0,3 г/10 мин.

Пример 12.

В условиях примера 1 при следующей загрузке компонентов, мас %: СБС - 5; медь - 45; масло ПН-6Ш - 50. Электропроводность полимерной композиции составляет 0,11 (Ом×мм²/см)^-1, расплав полимерной композиции не проявляет текучести.

Пример 13.

В условиях примера 1 при следующей загрузке компонентов, мас %: СБС - 30; алюминий - 20; масло ПН-6Ш - 50. Полученная полимерная композиция не обладает электропроводностью, показатель текучести расплава 3 г/10 мин.

Пример 14.

В условиях примера 1 при следующей загрузке компонентов, мас %: СБС - 20; алюминий - 30; масло ПН-6Ш - 50. Электропроводность полимерной композиции составляет 1,1×10^-2 (Ом×мм²/см)^-1, показатель текучести расплава 0,4 г/10 мин.

Пример 15.

В условиях примера 1 при следующей загрузке компонентов, мас %: СБС - 10; алюминий - 40; масло ПН-6Ш - 50. Электропроводность полимерной композиции составляет 3,6×10^-2 (Ом×мм²/см)^-1, показатель текучести расплава 0,1 г/10 мин.

Пример 16.

В условиях примера 1 при следующей загрузке компонентов, мас %: СБС - 5; алюминий - 45; масло ПН-6Ш - 50. Электропроводность полимерной композиции составляет 0,1 (Ом×мм²/см)^-1, расплав полимерной композиции не проявляет текучести.

Таким образом, использование в качестве полимерной основы СБС позволяет получить полимерные композиции с повышенной электропроводностью и технологичностью, предназначенные для изготовления трехмерных объектов методом 3D-печати, который предполагает нанесение электропроводящего полимерного слоя в виде расплава.

Использование в качестве пластификатора масла ПН-6Ш увеличивает эластичность металлонаполненных композиций при их переработке и эксплуатации.

Изобретение может применяться для производства 3D-печатных электропроводящих материалов, таких как механосенсоры, приборы емкостного обнаружения, автоматизированные динамичные механизмы. Электропроводящая полимерная композиция в качестве полимерной основы содержит полимер стирол-бутадиен-стирола (СБС) в количестве 10 мас.%, в качестве токопроводящего металлического наполнителя - припой марки ПОС-63 или свинец в количестве 40 мас.%, а в качестве пластификатора - масло ПН-6Ш в количестве 50 мас.%. Вариант композиции в качестве полимерной основы содержит СБС в количестве 10-20 мас.%, в качестве токопроводящего металлического наполнителя – медь или алюминий в количестве 30-40 мас.%, а в качестве пластификатора - масло ПН-6Ш в количестве 50 мас.%. Техническим результатом изобретения является увеличение электропроводности и показателя текучести расплава для полимерных композиционных материалов, предназначенных для 3D-печати. 2 н.п. ф-лы, 1 табл., 16 пр.

1. Электропроводящая металлонаполненная полимерная композиция для 3D-печати, состоящая из полимерной основы, токопроводящего наполнителя, отличающаяся тем, что композиция дополнительно содержит пластификатор, при этом в качестве полимерной основы содержит полимер стирол-бутадиен-стирола (СБС), в качестве токопроводящего наполнителя содержит металлический наполнитель – припой марки ПОС-63 или свинец, а в качестве пластификатора - масло ПН-6Ш при следующем соотношении, мас. %:

Полимер СБС 10 Наполнитель 40 Пластификатор 50

2. Электропроводящая металлонаполненная полимерная композиция для 3D-печати, состоящая из полимерной основы, токопроводящего наполнителя, отличающаяся тем, что композиция дополнительно содержит пластификатор, при этом в качестве полимерной основы содержит полимер стирол-бутадиен-стирола (СБС), в качестве токопроводящего наполнителя содержит металлический наполнитель - медь или алюминий, а в качестве пластификатора - масло ПН-6Ш при следующем соотношении, мас. %:

Полимер СБС 10-20 Наполнитель 30-40 Пластификатор 50