Фундаментальные проблемы современного материаловедения,  2019,  том 16,  №3, 377-386

 

С.В. Панин1,2, Д.Г. Буслович1,2, Л.А. Корниенко1, Ю.В. Донцов2, Л.Р. Иванова1

Двухкомпонентные полимер-полимерные композиции на основе сверхвысокомолекулярного полиэтилена (СВМПЭ) для аддитивных производственных технологий

1Институт физики прочности и материаловедения СО РАН, пр. Академический, 2/4, 634055, Томск, Россия
2Национальный исследовательский Томский политехнический университет, пр. Ленина, 30, 634050, Томск, Россия
Этот e-mail адрес защищен от спам-ботов, для его просмотра у Вас должен быть включен Javascript

С целью разработки экструдируемых полимерных композитов для использования в аддитивных производственных технологиях исследованы механические и трибологические свойства двухкомпонентных смесей на основе сверхвысокомолекулярного полиэтилена (СВМПЭ) и полипропилена (ПП), полученных тремя способами: а) горячее прессование порошковых смесей, б) горячее прессование гранул и в) послойная экструзионная печать (FDM). Были проанализированы промышленно выпускаемые термопласты, использование которых позволит изготавливать детали сложной формы для трибоузлов в машиностроении методом 3D-печати. Решалась задача выбора состава (процентного содержания ПП) с целью увеличения технологичности (экструдируемости) СВМПЭ. Показано, что экструдируемые СВМПЭ композиты, полученные экструзионным смешением (компаундированием) компонентов (при способах получения объемных образцов – горячее прессование гранул и послойная экструзионная печать) по трибомеханическим характеристикам (износостойкость, коэффициент трения, модуль упругости, предел текучести) превосходят композиты, полученные горячим прессованием порошков этих смесей. Это обусловлено более равномерным перемешиванием разнородных полимерных компонентов и формированием более однородной надмолекулярной структуры. Показано, что наиболее эффективным составом с позиций сохранения трибомеханических характеристик и получения необходимой текучести расплава (ПТР) является композит «СВМПЭ+20 вес. % ПП», который может быть рекомендован в качестве фидстока для аддитивных технологий получения изделий сложной формы для узлов трения, работающих в широком интервале нагрузочных-скоростных параметров. Экструдируемые полимер-полимерные композиты на основе сверхвысокомолекулярного полиэтилена с содержанием 20-40 вес. % ПП могут быть использованы для стандартных методов переработки (шнековая экструзия, литье под давлением и др.) с сохранением трибомеханических характеристик композитов на уровне ненаполненного СВМПЭ.

Ключевые слова: сверхвысокомолекулярный полиэтилен, полипропилен, износостойкость, надмолекулярная структура, показатель текучести расплава, аддитивные технологии.

УДК 678.073

DOI: 10.25712/ASTU.1811-1416.2019.03.014


 

Fundamental’nye problemy sovremennogo materialovedenia

(Basic Problems of Material Science (BPMS)) Vol. 16, No.3 (2019) 377-386

 

S.V. Panin1,2, D.G. Buslovich1,2, L.A. Kornienko1, Yu.V. Dontsov2, L.R. Ivanova1

Two-component polymer composites based on ultra high molecular weight polyethylene (UHMWPE) for additive manufacturing

1Institute of Strength Physics and Materials Science SB RAS, Academicheskiy Pr., 2/4, Tomsk, 634055, Russia
2National Research Tomsk Polytechnic University, Lenina Pr., 30, Tomsk, 634050, Russia

In order to develop extrudable polymer composites for additive manufacturing technologies key mechanical and tribological properties of two-component blends based on ultra-high molecular weight polyethylene (UHMWPE) and polypropylene (PP) have been studied. The composites were fabricated by three methods: a)  hot pressing of powder mixtures, b) hot pressing of granules and c) layer-by-layer extrusion printing (Fused Deposition Modeling). Industrially produced thermoplastics to be used for manufacturing parts of complex shape for tribounits in mechanical engineering with the use of 3D printing have been analyzed. The study is aimed at design of UHMWPE based composites (i.e. to find out optimum percentage of PP loading) with improved manufacturability (extrudability). It is shown that extrudable UHMWPE composites obtained by components’ compounding in a double-screw extruder (at bulk specimens fabrication by i) hot pressing of granules and ii) layer-by-layer extrusion printing - FDM) exceeds the composites obtained by hot pressing of powder mixtures over key tribomechanical properties (wear resistance, coefficient of friction, elastic modulus). This is related to even compounding of dissimilar polymer components and formation of more uniform permolecular structure. It is shown that from the standpoint of maintaining tribomechanical properties and obtaining the required melt flow index (MFI) the composite ʺUHMWPE + 20 wt. % PPʺ is the most efficient among the studies ones. It is recommended for the feedstock production in additive manufacturing technologies in order to fabricate complex shape components of friction units aimed at operation in a wide range of loads and sliding velocities. Extrudable polymer composites based on ultra-high molecular weight polyethylene with the PP content of 20-40 wt. % can be used for standard processing techniques (screw extrusion, injection molding, etc.) while maintaining tribomechanical characteristics of the composites at the level of unfilled UHMWPE.

Keywords: ultrahigh molecular weight polyethylene, polypropylene, wear resistance, permolecular structure, melt flow index, additive manufacturing.