Моделирование распределения наночастиц в полимерной матрице

Содержание

Введение 3

1. Моделирование распределения наночастиц в полимерной матрице. 6

2. Получение опытных образцов нанокомпозитного материала. 7

3. Исследование свойств полученных образцов и сравнение их с обычным материалом. 12

4. Печать деталей из нанокомпозита на 3D-принтере. 13

5. Исследование влияния процента заполнения и ориентации печатаемой модели на физико- механические свойства полученного нанокомпозита 15

Заключение 17

Список использованных источников 18

 

Введение

В современном мире есть несколько научно-технических направлений, которые развиваются быстрыми темпами или имеют высокую перспективность применения. Одно из таких направлений – 3D-печати или аддитивные технологии, их применяют для производства композиционных материалов с заданными свойствами. Основные плюсы таких композитов – это повышенная упругость, прочность, вязкость; возможность настроить создание различной микроструктуры в разных областях композитной конструкции и др. Есть несколько организаций, занимающихся разработками в этой области, но в широкое производство, доступное каждому, нанокомпозиты еще не вышли.

Если говорить о полимерных композиционных и нанокомпозитных материалах, то здесь следует начать с определения понятия «композиционный материал». По сведениям разных источников, композиционными называют материалы, состоящие из двух или более фаз с четкой межфазной границей системы, которые содержат усиливающие (армирующие) элементы (волокна, пластины, частицы) с различным отношением длины к сечению (что и создает усиливающий эффект), погруженные в полимерную матрицу. Механические свойства композиционного материала в большой степени зависят от межфазного взаимодействия между полимерной матрицей и армирующими элементами, то есть от величины адгезии. То есть, чем выше адгезия полимерной матрицы к армирующим элементам, тем прочность композита будет выше[4].

Если же говорить о нанокомпозиционных полимерных материалах, то использовать определение «армирующий наполнитель» применительно к наночастицам не совсем верно. В нанокомпозитах наночастицы взаимодействуют с полимерной матрицей не на макро– (как в случае с композиционными материалами), а на молекулярном уровне. В следствие такого взаимодействия образуется композиционный материал, обладающий высокой адгезионной прочностью полимерной матрицы к наночастицам. Следует отметить, что нанокомпозит имеет упорядоченную внутреннюю структуру.

Кроме того, для получения полимерного композиционного материала с заданными механическими, химическими, диэлектрическими или же теплофизическими свойствами необходимо было ввести в полимерную матрицу определенное количество модифицирующего наполнителя. Причем если говорить о композиционных материалах, армированных макроэлементами, то, как правило, количество вводимого в полимер наполнителя исчисляется десятками массовых процентов(1% - 20%). В случае нанокомпозитов речь идет о гораздо меньших количествах вводимого модифицирующего наполнителя – от сотых долей до нескольких процентов[5].

Однако уникальные свойства наноматериалов затрудняют их получение. Избыточная поверхностная энергия заставляет наночастицы слипаться, поэтому часто используются коллоидные растворы наночастиц. Кроме того, наночастицы химически активны и при взаимодействии с другими веществами часто теряют свои уникальные свойства. Таким образом, нельзя получить нанокомпозиционный полимерный материал по известным и отработанным технологиям.

Способы упрочнения композиционных материалов на основе полимерной матрицы могут быть самые различные. Наночастицы могут наноситься на поверхность наполнителя, смешиваться с полимером матрицы, вноситься в полимер перед формованием волокна. При суммарном содержании наноматериалов 0,05 % достигается приблизительно 50 % увеличение сопротивляемости композита расслоению, что особенно важно для 3D-принтеров, которые печатают слоями. Для композиции, состоящей только из полимера и наночастиц, используется термин нанокомпозит. Если такой нанокомпозит используется в качестве матрицы для изготовления “классического” композиционного материала, например, упрочненного волокнами, то полученный материал обычно называют гибридным. В настоящее время ассортимент наночастиц, которые используют для модификации полимеров достаточно велик, это и углеродные наночастицы различной формы, нанопорошки металлов и оксидов металлов, карбида кремния, углеродные нанотрубки, диспергированные до наноразмеров природные материалы. Изменение прочностных характеристик может быть значительным, даже если наночастицы вводятся в уже готовый полимер, например эпоксидную или фенолформальдегидную смолу в относительно небольших количествах[6].

В России «Роснано» вложит 490 млн рублей в 3D-печать: мировой рынок 3D-печати появился совсем недавно и сейчас активно развивается. За три последних года он в среднем рос на 32,3%. 3D-печать позволит не только сэкономить на производстве и ускорить вывод новых продуктов на рынок, но и изготавливать сложные детали с большей точностью. С помощью 3D-печати можно будет изготавливать принципиально новые цельные детали – например, для авиационных двигателей, которые раньше были составными. Потенциальными потребителями 3D-продуктов будут предприятия промышленного станкостроения, автомобилестроения и медицины, производителей электроники[7]. Таким образом, задача разработки способа получения нанокомпозитного материала в виде пластиковой нити, содержащей наночастицы, является актуальной.

Заключение

 

В отчете изложены практические результаты получения ABS пластика с наполнителем в виде УНТ.

Выполнено моделирование распределения УНТ в полимерной матрице. Получены опытные образцы нанокомпозитного материала. Исследованы свойства полученных образцов, прочность полученного нанокомпозита из ABS пластика с 1% УНТ на 31,2% выше, чем ABS пластика без добавок. Произведена печать деталей из нанокомпозита на 3D-принтере. Температура плавления полученного материала при печати от 210°C до 230°C. Исследовано влияние процента заполнения и ориентации печатаемой модели на физико-механические свойства полученного нанокомпозита. Рекомендуемый процент заполнения от 70% до 90%.

Данные материалы являются основой для написания патента на изобретение "Способ получения нанокомпозитного материала".

Содержание

Введение 3

1. Моделирование распределения наночастиц в полимерной матрице. 6

2. Получение опытных образцов нанокомпозитного материала. 7

3. Исследование свойств полученных образцов и сравнение их с обычным материалом. 12

4. Печать деталей из нанокомпозита на 3D-принтере. 13

5. Исследование влияния процента заполнения и ориентации печатаемой модели на физико- механические свойства полученного нанокомпозита 15

Заключение 17

Список использованных источников 18

 

Введение

В современном мире есть несколько научно-технических направлений, которые развиваются быстрыми темпами или имеют высокую перспективность применения. Одно из таких направлений – 3D-печати или аддитивные технологии, их применяют для производства композиционных материалов с заданными свойствами. Основные плюсы таких композитов – это повышенная упругость, прочность, вязкость; возможность настроить создание различной микроструктуры в разных областях композитной конструкции и др. Есть несколько организаций, занимающихся разработками в этой области, но в широкое производство, доступное каждому, нанокомпозиты еще не вышли.

Если говорить о полимерных композиционных и нанокомпозитных материалах, то здесь следует начать с определения понятия «композиционный материал». По сведениям разных источников, композиционными называют материалы, состоящие из двух или более фаз с четкой межфазной границей системы, которые содержат усиливающие (армирующие) элементы (волокна, пластины, частицы) с различным отношением длины к сечению (что и создает усиливающий эффект), погруженные в полимерную матрицу. Механические свойства композиционного материала в большой степени зависят от межфазного взаимодействия между полимерной матрицей и армирующими элементами, то есть от величины адгезии. То есть, чем выше адгезия полимерной матрицы к армирующим элементам, тем прочность композита будет выше[4].

Если же говорить о нанокомпозиционных полимерных материалах, то использовать определение «армирующий наполнитель» применительно к наночастицам не совсем верно. В нанокомпозитах наночастицы взаимодействуют с полимерной матрицей не на макро– (как в случае с композиционными материалами), а на молекулярном уровне. В следствие такого взаимодействия образуется композиционный материал, обладающий высокой адгезионной прочностью полимерной матрицы к наночастицам. Следует отметить, что нанокомпозит имеет упорядоченную внутреннюю структуру.

Кроме того, для получения полимерного композиционного материала с заданными механическими, химическими, диэлектрическими или же теплофизическими свойствами необходимо было ввести в полимерную матрицу определенное количество модифицирующего наполнителя. Причем если говорить о композиционных материалах, армированных макроэлементами, то, как правило, количество вводимого в полимер наполнителя исчисляется десятками массовых процентов(1% - 20%). В случае нанокомпозитов речь идет о гораздо меньших количествах вводимого модифицирующего наполнителя – от сотых долей до нескольких процентов[5].

Однако уникальные свойства наноматериалов затрудняют их получение. Избыточная поверхностная энергия заставляет наночастицы слипаться, поэтому часто используются коллоидные растворы наночастиц. Кроме того, наночастицы химически активны и при взаимодействии с другими веществами часто теряют свои уникальные свойства. Таким образом, нельзя получить нанокомпозиционный полимерный материал по известным и отработанным технологиям.

Способы упрочнения композиционных материалов на основе полимерной матрицы могут быть самые различные. Наночастицы могут наноситься на поверхность наполнителя, смешиваться с полимером матрицы, вноситься в полимер перед формованием волокна. При суммарном содержании наноматериалов 0,05 % достигается приблизительно 50 % увеличение сопротивляемости композита расслоению, что особенно важно для 3D-принтеров, которые печатают слоями. Для композиции, состоящей только из полимера и наночастиц, используется термин нанокомпозит. Если такой нанокомпозит используется в качестве матрицы для изготовления “классического” композиционного материала, например, упрочненного волокнами, то полученный материал обычно называют гибридным. В настоящее время ассортимент наночастиц, которые используют для модификации полимеров достаточно велик, это и углеродные наночастицы различной формы, нанопорошки металлов и оксидов металлов, карбида кремния, углеродные нанотрубки, диспергированные до наноразмеров природные материалы. Изменение прочностных характеристик может быть значительным, даже если наночастицы вводятся в уже готовый полимер, например эпоксидную или фенолформальдегидную смолу в относительно небольших количествах[6].

В России «Роснано» вложит 490 млн рублей в 3D-печать: мировой рынок 3D-печати появился совсем недавно и сейчас активно развивается. За три последних года он в среднем рос на 32,3%. 3D-печать позволит не только сэкономить на производстве и ускорить вывод новых продуктов на рынок, но и изготавливать сложные детали с большей точностью. С помощью 3D-печати можно будет изготавливать принципиально новые цельные детали – например, для авиационных двигателей, которые раньше были составными. Потенциальными потребителями 3D-продуктов будут предприятия промышленного станкостроения, автомобилестроения и медицины, производителей электроники[7]. Таким образом, задача разработки способа получения нанокомпозитного материала в виде пластиковой нити, содержащей наночастицы, является актуальной.

Моделирование распределения наночастиц в полимерной матрице

В данной главе приводятся моделирование. Физико-механические свойства полимерных термопластов с наночастицами (или нанокомпозитов) значительно зависят от равномерного распределения наночастиц наполнителя в полимерной матрице. В зависимости от взаимодействия наночастиц между собой и с полимером, эти частицы могут распределяться по объему материала равномерно или агломерироваться. В качестве наполнителя для ABS пластика рассматривались многослойные углеродные нанотрубки (МУНТ), длиной 77-105 нм. Результаты расчета для матрицы из ABS и УНТ приведены на рисунке 1. Как видно на рисунке 1а, УНТ равномерно расположены в объеме полимера, а на рисунке 1б конгломерируются на дне. Таким образом, распределение УНТ в полимере зависит от длины и диаметра УНТ, концентрации УНТ и способе распределения[8]. Полученные результаты показывают, что равномерное распределение УНТ в полимерах происходит только при некотором соотношении параметров, характеризующих взаимодействие УНТ между собой и между полимерной матрицей. Повысить растворимость нанотрубок в полимерной матрице можно за счет коллоидных растворов, в которых УНТ сначала растворяются в нейтральном, не растворяющем ABS пластик растворителе, а потом смешиваются с ABS пластиком. Так же возможен способ распределения, основанный на механической активации в шаровых и вибрационных мельницах.

Рисунок 1 – Распределение УНТ в полимерной матрице