ГИБКИЙ ПРОВОДЯЩИЙ ФИЛАМЕНТ ДЛЯ 3D-ПЕЧАТИ ПО ТЕХНОЛОГИИ FDM Российский патент 2024 года по МПК B41F17/00 B33Y70/00 

Изобретение относится к области гибкой электроники, в частности к эластичным проводящим филаментам, из которых возможно изготавливать при помощи 3D-печати по технологии FDM гибкие электронные устройства различного целевого назначения, способные к многочисленным циклическим деформациям.

Из уровня техники [патент RU 2 690 821 C1), опубл. 05.06.2019] известен метод получения токопроводящего волокна путем вытягивания пленок из углеродных нанотрубок

Однако указанное волокно имеет следующие недостатки:

- более высокое удельное сопротивление (от 0,1⋅10-4 до 3,6⋅10-4 Ом⋅м),

- короткая упругая деформация (0,12%),

- нестабильность физических и геометрических параметров из-за зависимости диаметров волокон от ширины и толщины исходной УНТ пленки.

Задачей настоящего изобретения является создание эластичного проводящего филамента.

Технический результат, достигаемый настоящим изобретением, заключается в получении проводящего материала с сопротивлением 0,1 Ом⋅м для 3D-принтеров, работающих по технологии FDM. Применение данного филамента позволит производить гибкие электронные устройства посредством 3D-печати в ходе единого технологического процесса.

Указанный технический результат достигается тем, что филамент для 3D-печати содержит смесь модифицированных углеродных наночастиц различной концентрации, а в качестве основы используется гибкий термопластичный полиуретан, при следующем соотношении указанных ингредиентов, мас.ч.:

Термопластичный полиуретан (ТПУ) 90-95 Углеродные нанотрубки (УНТ) 2-5 Графен (Г) 1-2

В одном из предпочтительных вариантов осуществления настоящего изобретения наполнитель представляет собой смесь многослойных углеродных нанотрубок с диаметром частиц от 10 нм до 60 нм и длиной от 1 до 2 мкм и оксида графена с размером частиц от 1 до 10 мкм.

В некоторых вариантах в качестве наполнителя может использоваться смесь однослойных углеродных нанотрубок с диаметром частиц от 30 нм до 100 нм и длиной от 5 до 20 мкм и оксида графена с размером частиц от 1 до 10 мкм.

В предпочтительных вариантах вместо оксида графена может использоваться восстановленный оксид графена с размером частиц от 1 до 10 мкм.

Предложенный в настоящем изобретении материал может содержать смесь многослойных и однослойных углеродных нанотрубок в количестве 2,5-5 мас.ч. каждого компонента.

При этом заявляемая смесь может содержать дополнительно оксид графена в количестве 0,1-1,0 мас.ч или восстановленный оксид графена в том же содержании.

Технология изготовления предложенного материала на основе термопластичного полиуретана и смеси наноуглеродных наполнителей является стандартной, не требует использования специфического технологического оборудования и включает в себя процессы, общепринятые при изготовлении филаментов для 3D-печати по технологии FDM.

Реализация предложенного композиционного материала для получения проводящего филамента иллюстрируется следующими практическими примерами.

Пример 1. Изготовление гибкого проводящего филамента заключалось в гомогенизации растворенных в диметилформамиде (ДМФА) термопластичного полиуретана и предварительно диспергированных при помощи ультразвуковой установки многослойных углеродных нанотрубок 5 мас.ч. и оксида графена 1 мас. ч. Полученный раствор подвергался повторному диспергированию при помощи ультразвуковой установки, отливке пленок и их сушке первоначально при 20°С в течение суток, а затем в сушильном шкафу при 60-70°С в течение 6-7 часов. Полученные композиционные материалы подвергались гранулированию и использовались в качестве сырья для производства филамента. Изготовление филамента проводилось с использованием одношнекового экструдера и при температуре экструдирования 170-175°С.

Пример 2. Изготовление гибкого проводящего филамента заключалось в гомогенизации растворенных в диметилформамиде (ДМФА) термопластичного полиуретана и предварительно диспергированных при помощи ультразвуковой установки многослойных углеродных нанотрубок 5 мас.ч. и восстановленный оксида графена 1 мас. ч. Полученный раствор подвергался повторному диспергированию при помощи ультразвуковой установки, отливке пленок и их сушке первоначально при 20 °С в течение суток, а затем в сушильном шкафу при 60-70°С в течение 6-7 часов. Полученные композиционные материалы подвергались гранулированию и использовались в качестве сырья для производства филамента. Изготовление филамента проводилось с использованием одношнекового экструдера и при температуре экструдирования 170-175°С.

Пример 3. Изготовление гибкого проводящего филамента заключалось в гомогенизации растворенных в диметилформамиде (ДМФА) термопластичного полиуретана и предварительно диспергированных при помощи ультразвуковой установки однослойных углеродных нанотрубок 5 мас.ч. и оксида графена 1 мас. ч. Полученный раствор подвергался повторному диспергированию при помощи ультразвуковой установки, отливке пленок и их сушке первоначально при 20 °С в течение суток, а затем в сушильном шкафу при 60-70°С в течение 6-7 часов. Полученные композиционные материалы подвергались гранулированию и использовались в качестве сырья для производства филамента. Изготовление филамента проводилось с использованием одношнекового экструдера и при температуре экструдирования 170-175°С.

Пример 4. Изготовление гибкого проводящего филамента заключалось в гомогенизации растворенных в диметилформамиде (ДМФА) термопластичного полиуретана и предварительно диспергированных при помощи ультразвуковой установки однослойных углеродных нанотрубок 5 мас.ч. и восстановленного оксида графена 1 мас. ч. Полученный раствор подвергался повторному диспергированию при помощи ультразвуковой установки, отливке пленок и их сушке первоначально при 20°С в течение суток, а затем в сушильном шкафу при 60-70°С в течение 6-7 часов. Полученные композиционные материалы подвергались гранулированию и использовались в качестве сырья для производства филамента. Изготовление филамента проводилось с использованием одношнекового экструдера и при температуре экструдирования 170-175°С.

Пример 5. Изготовление гибкого проводящего филамента заключалось в гомогенизации растворенных в диметилформамиде (ДМФА) термопластичного полиуретана и предварительно диспергированных при помощи ультразвуковой установки смеси многослойных углеродных нанотрубок 2,5 мас.ч., однослойных углеродных нанотрубок 2,5 мас.ч. и оксида графена 1 мас. ч. Полученный раствор подвергался повторному диспергированию при помощи ультразвуковой установки, отливке пленок и их сушке первоначально при 20°С в течение суток, а затем в сушильном шкафу при 60 – 70°С в течение 9 часов. Полученные композиционные материалы подвергались гранулированию и использовались в качестве сырья для производства филамента. Изготовление филамента проводилось с использованием одношнекового экструдера и при температуре экструдирования 170-175°С.

Пример 6. Изготовление гибкого проводящего филамента заключалось в гомогенизации растворенных в диметилформамиде (ДМФА) термопластичного полиуретана и предварительно диспергированных при помощи ультразвуковой установки смеси многослойных углеродных нанотрубок 2,5 мас.ч., однослойных углеродных нанотрубок 2,5 мас.ч. и восстановленного оксида графена 1 мас. ч. Полученный раствор подвергался повторному диспергированию при помощи ультразвуковой установки, отливке пленок и их сушке первоначально при 20 °С в течение суток, а затем в сушильном шкафу при 60-70°С в течение 9 часов. Полученные композиционные материалы подвергались гранулированию и использовались в качестве сырья для производства филамента. Изготовление филамента проводилось с использованием одношнекового экструдера и при температуре экструдирования 170-175°С.

Экспериментальные исследования предложенных в настоящем изобретении составов композиционных материалов на основе термопластичного полиуретана и смеси наноуглеродных наполнителей для производства гибких электронных устройств показали их высокую эффективность.

Полученные материалы показали способность к изготовлению гибких филаментов с сопротивлением 0,1 Ом⋅м. Использование наполнения в ходе производства композиционного материала характеризовалось сохранением эластических и улучшением прочностных свойств, что делает их применимыми для производства проводящих компонентов гибких электронных устройств путем 3D-печати по технологии FDM.

Использование: для изготовления проводящего филамента, из которого возможно изготавливать при помощи 3D-печати по технологии FDM гибкие электронные устройства различного целевого назначения, способные к многочисленным циклическим деформациям. Сущность изобретения заключается в том, что проводящий филамент на основе термопластичного полиуретана для печати гибких электронных устройств содержит смесь модифицированных углеродных наночастиц различной морфологической структуры, в составе которой используются углеродные нанотрубки и графен при следующем соотношении указанных ингредиентов, мас.ч.: термопластичный полиуретан (ТПУ) 90-95, углеродные нанотрубки (УНТ) 2-5, графен (Г) 1-2. Технический результат: обеспечение возможности получения проводящего материала с сопротивлением 0,1 Ом⋅м для 3D-принтеров, работающих по технологии FDM. 5 з.п. ф-лы.

1. Проводящий филамент на основе термопластичного полиуретана для печати гибких электронных устройств, содержащий смесь модифицированных углеродных наночастиц различной морфологической структуры, характеризующийся тем, что в составе используются углеродные нанотрубки и графен при следующем соотношении указанных ингредиентов, мас.ч.:

Термопластичный полиуретан (ТПУ) 90-95 Углеродные нанотрубки (УНТ) 2-5 Графен (Г) 1-2

2. Филамент по п.1, характеризующийся тем, что в качестве модифицированных углеродных нанотрубок используются многослойные углеродные нанотрубки с диаметром частиц от 10 нм до 60 нм и длиной от 1 до 2 мкм.

3. Филамент по п.1, характеризующийся тем, что в качестве модифицированных углеродных нанотрубок используются однослойные углеродные нанотрубки с диаметром частиц от 30 нм до 100 нм и длиной от 5 до 20 мкм.

4. Филамент по п.1, характеризующийся тем, что в качестве частиц графена используются частицы оксида графена, которые имеют размер частиц от 1 до 10 мкм.

5. Филамент по п.1, характеризующийся тем, что в качестве частиц графена используются частицы восстановленного оксида графена, которые имеют размер частиц от 1 до 10 мкм.

6. Филамент по п.1, характеризующийся тем, что может дополнительно содержать смесь однослойных и многослойных углеродных нанотрубок в количестве 2,5-5 мас.ч. каждого компонента.