Příprava termoplastických kompozitů pro 3 D tisk

Bc. Tomáš Gajdošík

Master's thesis

Preparation of Thermoplastic Composites for 3D Printing

Abstract:

V práci byl studován vliv koncentrace elektricky vodivých plniv v kompozitních materiálech s polymerní matricí na změnu objemového a povrchového odporu. Jako polymerní matrice byl vybrán polykarbonát (PC) a akrylonitrilbutadienstyren (ABS). Nemísitelné polymerní směsi v různých poměrech (PC/ABS) sloužily jako matrice pro přípravu kompozitů s koncentrací sazí s hmotnostním podílem (3, 5 a 10 %) a koncentrací masterbatche uhlíkových nanotrubic (CNT) s hmotnostním podílem (1 a 2 %). Příprava polymerních směsí probíhala na hnětiči Brabender a připravené směsi byly vylisovány do tvaru uniformních vzorků. Dále byly stanoveny hodnoty stínící účinnosti proti elektromagnetickému záření a bylo provedeno testování mechanických vlastností za pomoci tahové zkoušky. Struktura materiálů byla zkoumána pomocí SEM mikroskopie. Směs o složení (PC:ABS / 30:70 + 3 % CB) vykázala hodnotu měrného povrchového odporu 700 k, což je dostačující hodnota pro antistatické aplikace. Studie prokázala, že hodnoty měrného elektrického odporu, celkové účinnosti proti EM stínění a mechanických vlastností jsou významně ovlivněny jak složením polymerních směsí, tak typem a koncentrací elektrovodivých plniv. Hodnoty elektrického perkolačního prahu bylo dosaženo při 3 hm. % sazí v polymerním kompozitu (PC:ABS / 30:70 + 3 % CB). Na základě všech výsledků byly vybrány 2 materiály (PC:ABS / 30:70 + 5 % CB a ABS + 5 % CB) a z nich vyrobeny filamenty pro FFF 3D tisk. Z filamentů byly vytisknuty vzorky, na kterých byly zkoumány mechanické vlastnosti a měřeny hodnoty povrchových a objemových měrných odporů. Hodnota Youngova modulu pro kompozitní materiál (PC:ABS / 30:70 + 5 % CB) byla 1550 N/mm? a pro materiál (ABS + 5 % CB) byla 1780 N/mm?. To znamená, že hodnota Youngova modulu je pro PC:ABS o 15 % nižší, než pro ABS se stejným procentuálním plněním. Taktéž byly pozorovány vyšší hodnoty povrchového měrného odporu pro materiál PC:ABS / 30:70 + 5 % CB. U vytisknutého vzorku z ABS + 5 % CB byla naměřena hodnota (3x106 ) a pro kompozitní materiál (2x109 ).

Abstract:

Polycarbonate (PC) and acrylonitrile butadiene styrene (ABS) were chosen as polymer matrices. Immiscible polymer blends in different ratios (PC/ABS) served as matrices for the preparation of composites with carbon black concentration by mass fraction (3, 5 and 10 %) and carbon nanotube (CNT) masterbatch concentration by mass fraction (1 and 2 %). The preparation of the polymer mixtures took place on a Brabender kneader and the prepared mixtures were pressed into the shape of uniform samples. Furthermore, the values of the shielding efficiency against electromagnetic radiation were determined and the mechanical properties were tested using a tensile test. The structure of the materials was investigated using SEM microscopy. The mixture with the composition (PC:ABS / 30:70 + 3 % CB) showed a value of specific surface resistance of 700 k, which is a sufficient value for antistatic applications. The study showed that the values of specific electrical resistance of the overall efficiency against EM shielding and mechanical properties are significantly influenced by both the composition of polymer mixtures and the type and concentration of electroconductive fillers. The electrical percolation threshold value was reached at 3 wt. % carbon black in polymer composite (PC:ABS / 30:70 + 3 % CB). Based on all the results, 2 materials with the composition (PC:ABS / 30:70 + 5 % CB and ABS + 5 % CB) were selected and made into filaments for FFF 3D printing. Samples were printed from two filaments, on which the mechanical properties were examined and the values of surface and volume specific resistances were measured. The value of Young's modulus for the composite material (PC:ABS / 30:70 + 5 % CB) was 1550 N/mm? and for the material (ABS + 5 % CB) it was 1780 N/mm?. This means that the value of Young's modulus is 15 % lower for PC:ABS than for ABS with the same percentage filling. Higher surface resistivity values were also observed for the material PC:ABS / 30:70 + 5 % CB. For the printed sample ABS + 5 % CB, the value was (3x106 ) and for the composite material value was (2x109 ).

Keywords

FFF, 3D tisk, kompozit, filament, elektrická vodivost, elektromagnetické stínění

Language used: Czech

Date on which the thesis was submitted / produced: 12. 5. 2023

Thesis defence

Tomas Bata University in Zlín

Faculty of Technology

Master programme / field:
Polymer Engineering / -