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

Электропроводящие металлонаполненные полимерные композиции для 3D-печати (варианты)

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 синдиотактический 1,2-полибутадиен (1,2-СПБ), в качестве металлического наполнителя токопроводящие порошки: ПОС-63, свинца, алюминия, меди.

Токопроводящий порошок ПОС-63 представляет собой оловянно-свинцовый сплав. Состав: олово - 63%; свинец - 27% (ТУ 48-13-39-89). Использование в составе электропроводящей композиции 1,2-СПБ позволяет существенно увеличить электропроводность и показатель текучести расплава электропроводящих полимерных композиций по сравнению с прототипом.

Электропроводящую полимерную композицию получают следующим образом.

В реактор загружают 20-60 мас. % металлического наполнителя, 40-80 мас. % 1,2-СПБ. 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 80 мас. % 1,2-СПБ; 20 мас. % ПОС-63. 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 15,2 г/10 мин.

Пример 2.

В условиях примера 1 при следующей загрузке компонентов, мас. %: 1,2-СПБ - 70; ПОС-63 - 30. Полученная полимерная композиция не обладает электропроводностью, показатель текучести расплава 9,1 г/10 мин.

Пример 3.

В условиях примера 1 при следующей загрузке компонентов, мас. %: 1,2-СПБ - 60; ПОС-63 - 40. Электропроводность полимерной композиции составляет 1×10^-4 (Ом×мм²/см)^-1, показатель текучести расплава 3,8 г/10 мин.

Пример 4.

В условиях примера 1 при следующей загрузке компонентов, мас. %: 1,2-СПБ - 50; ПОС-63 - 50. Электропроводность полимерной композиции составляет 1×10^-3 (Ом×мм²/см)^-1, показатель текучести расплава 1,6 г/10 мин.

Пример 5.

В условиях примера 1 при следующей загрузке компонентов, мас. %: 1,2-СПБ - 40; ПОС-63 - 60. Электропроводность полимерной композиции составляет 3×10^-3 (Ом×мм²/см)^-1, расплав полимерной композиции не проявляет текучести.

Пример 6.

В условиях примера 1 при следующей загрузке компонентов, мас. %: 1,2-СПБ - 80; свинец - 20. Полученная полимерная композиция не обладает электропроводностью, показатель текучести расплава 12,2 г/10 мин.

Пример 7.

В условиях примера 1 при следующей загрузке компонентов, мас. %: 1,2-СПБ - 70; свинец - 30. Полученная полимерная композиция не обладает электропроводностью, показатель текучести расплава 8,0 г/10 мин.

Пример 8.

В условиях примера 1 при следующей загрузке компонентов, мас. %: 1,2-СПБ - 60; свинец - 40. Электропроводность полимерной композиции составляет 1×10^-4 (Ом×мм²/см)^-1, показатель текучести расплава 2,0 г/10 мин.

Пример 9.

В условиях примера 1 при следующей загрузке компонентов, мас. %: 1,2-СПБ - 50; свинец - 50. Электропроводность полимерной композиции составляет 1⋅10^-3 (Ом×мм²/см)^-1, показатель текучести расплава 0,7 г/10 мин.

Пример 10.

В условиях примера 1 при следующей загрузке компонентов, мас. %: 1,2-СПБ - 40, свинец - 60. Электропроводность полимерной композиции составляет 8×10^-3 (Ом×мм²/см)^-1, расплав полимерной композиции не проявляет текучести.

Пример 11.

В условиях примера 1 при следующей загрузке компонентов, мас. %: 1,2-СПБ - 80; медь - 20. Полученная полимерная композиция не обладает электропроводностью, показатель текучести расплава 14,7 г/10 мин.

Пример 12.

В условиях примера 1 при следующей загрузке компонентов, мас. %: 1,2-СПБ - 70; медь - 30. Электропроводность полимерной композиции составляет 1×10^-4 (Ом×мм²/см)^-1, показатель текучести расплава 9,9 г/10 мин.

Пример 13.

В условиях примера 1 при следующей загрузке компонентов, мас. %: 1,2-СПБ - 60; медь - 40. Электропроводность полимерной композиции составляет 1×10^-3 (Ом×мм²/см)^-1, показатель текучести расплава 2,3 г/10 мин.

Пример 14.

В условиях примера 1 при следующей загрузке компонентов, мас. %: 1,2-СПБ - 50; медь - 50. Электропроводность полимерной композиции составляет 1,5×10^-2 (Ом×мм²/см)^-1 показатель текучести расплава 0,7 г/10 мин.

Пример 15.

В условиях примера 1 при следующей загрузке компонентов, мас. %: 1,2-СПБ - 40; медь - 60. Электропроводность полимерной композиции составляет 6,4×10^-2 (Ом×мм²/см)^-1, расплав полимерной композиции не проявляет текучести.

Пример 16.

В условиях примера 1 при следующей загрузке компонентов, мас. %: 1,2-СПБ - 80; алюминий - 20. Полученная полимерная композиция не обладает электропроводностью, показатель текучести расплава 16,0 г/10 мин.

Пример 17.

В условиях примера 1 при следующей загрузке компонентов, мас. %: 1,2-СПБ - 70; алюминий - 30. Электропроводность полимерной композиции составляет 1×10^-4 (Ом×мм²/см)^-1, показатель текучести расплава 7,1 г/10 мин.

Пример 18.

В условиях примера 1 при следующей загрузке компонентов, мас. %: 1,2-СПБ - 60; алюминий - 40. Электропроводность полимерной композиции составляет 1×10^-3 (Ом×мм²/см)^-1, показатель текучести расплава 1,5 г/10 мин.

Пример 19.

В условиях примера 1 при следующей загрузке компонентов, мас. %: 1,2-СПБ - 50; алюминий - 50. Электропроводность полимерной композиции составляет 7×10^-3 (Ом×мм²/см)^-1, показатель текучести расплава 0,5 г/10 мин.

Пример 20.

В условиях примера 1 при следующей загрузке компонентов, мас. %: 1,2-СПБ - 40; алюминий - 60. Электропроводность полимерной композиции составляет 3,4×10^-2 (Ом×мм²/см)^-1, расплав полимерной композиции не проявляет текучести.

Таким образом, использование в качестве полимерной основы 1,2-СПБ 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.

Изобретение может применяться для производства 3D-печатных электропроводящих материалов, таких как механосенсоры, приборы емкостного обнаружения, автоматизированные динамичные механизмы. Электропроводящая полимерная композиция содержит в качестве полимерной основы синдиотактический 1,2-полибутадиен (1,2-СПБ) в количестве 60-50 мас.%, и в качестве токопроводящего металлического наполнителя: припой марки ПОС-63 или свинец – остальное. Вариант композиции содержит в качестве полимерной основы синдиотактический 1,2-СПБ в количестве 70-50 мас.%, а в качестве токопроводящего металлического наполнителя: медь или алюминий – остальное. Техническим результатом является увеличение электропроводности и показателя текучести расплава для полимерных композиционных материалов, предназначенных для 3D-печати. 2 н.п. ф-лы, 1 табл., 20 пр.

1. Электропроводящая металлонаполненная полимерная композиция для 3D-печати, состоящая из полимерной основы, токопроводящего наполнителя, отличающаяся тем, что в качестве полимерной основы содержит синдиотактический 1,2-полибутадиен (1,2-СПБ), в качестве токопроводящего наполнителя содержит металлический наполнитель – припой марки ПОС-63 или свинец при следующем соотношении, мас. %:

Полимер 1,2-СПБ 60-50 Наполнитель 40-50

2. Электропроводящая металлонаполненная полимерная композиция для 3D-печати, состоящая из полимерной основы, токопроводящего наполнителя, отличающаяся тем, в качестве полимерной основы содержит синдиотактический 1,2-полибутадиен (1,2-СПБ), в качестве токопроводящего наполнителя содержит металлический наполнитель - медь или алюминий при следующем соотношении, мас. %:

Полимер 1,2-СПБ 70-50 Наполнитель 30-50