В Волгограде поняли, как справиться с "капризами короля пластиков"

В последние годы объемная 3D-печать все активнее применяется не только в прототипировании, но и в промышленности, где особенно важны прочность, термостойкость и химическая устойчивость материалов.

Именно поэтому разработка новых полимеров, пригодных для печати сложных функциональных деталей, становится одной из ключевых задач современной науки. МОСКВА, 5 ноя — РИА Новости. Адаптировать для объемной печати универсальный пластик — полифениленсульфид, из которого производят все: от деталей двигателей до фрагментов электробритв и фенов, — смогли ученые ВолгГТУ в составе научного коллектива. Для материала, называемого ими "королем конструкционных пластиков", специалисты разработали новую методику, которая позволяет контролировать вязкость полимера и использовать его в 3D-печати. Результаты представлены в издании "Пластические массы". Такой подход открывает путь к более широкому применению полимеров в тех отраслях, где ранее их использование было ограничено технологическими трудностями. Кроме того, подобные разработки могут снизить зависимость производства от дорогостоящей обработки и повысить эффективность изготовления деталей сложной формы.

Современные инженерные материалы все чаще приходят на смену традиционным металлам, позволяя создавать легкие, прочные и долговечные изделия с заданными свойствами. Одним из наиболее востребованных конструкционных пластиков считается полифениленсульфид (ПФС), который отличается высокой термостойкостью, химической стойкостью и надежностью в эксплуатации.

ПФС не поддерживает горение, устойчив к воздействию кислот, щелочей, масел и других агрессивных сред, а также сохраняет свои характеристики при высоких температурах. При этом по уровню жесткости этот материал во многом сопоставим с металлами, что делает его особенно ценным для производства деталей, работающих в сложных условиях. Именно поэтому полифениленсульфид широко применяется в автомобилестроении, электронике, медицине и ряде других отраслей, рассказали ученые Волгоградского государственного технического университета (ВолгГТУ).

Вместе с тем работа с ПФС имеет и свои технологические ограничения. Главная трудность заключается в его низкой вязкости, из-за которой материал хуже поддается формованию и может создавать серьезные проблемы при использовании в 3D-печати. Это, в свою очередь, ограничивает возможности получения более сложных и детализированных изделий, добавили в университете.

Тем не менее интерес к ПФС остается высоким, поскольку его уникальное сочетание прочности, устойчивости к внешним воздействиям и долговечности делает его перспективным материалом для развития современных производственных технологий. По мере совершенствования методов переработки такие полимеры могут еще шире использоваться в промышленности и инженерных разработках.

Сегодня исследователи работают сразу в двух направлениях, которые имеют большое значение для развития отечественной полимерной промышленности. С одной стороны, необходимо организовать производство ПФС — так называемого «короля конструкционных пластиков» — в России, поскольку сейчас этот материал в основном поступает в страну в уже готовом виде из-за рубежа. С другой стороны, важно адаптировать этот пластик для 3D-печати, чтобы сделать его более удобным в обработке и научиться управлять его характеристиками в зависимости от конкретных задач. По сути, речь идет не только о замещении импортных поставок, но и о создании более гибкой технологической базы для высокоточного производства.

Как пояснила одна из авторов исследования, доцент кафедры «Аналитическая, физическая химия и физико-химия полимеров» ВолгГТУ Елена Алыкова, главная сложность заключается в том, что ПФС обладает довольно «капризным» поведением при переработке, поэтому его свойства нужно тщательно настраивать. Важно добиться такого состава и структуры материала, при которых он будет сохранять прочность, устойчивость к нагрузкам и другие ценные качества, но при этом станет пригодным для современных аддитивных технологий. Именно это открывает возможности для более широкого применения пластика в промышленности, приборостроении и других высокотехнологичных сферах.

Решение сразу двух задач предложили ученые университета в сотрудничестве с коллегами из Волгоградского филиала Института катализа СО РАН. Они разработали альтернативный «рецепт» ПФС и нашли способы регулировать его свойства, что делает материал более перспективным для отечественного производства. Такой подход может стать важным шагом к созданию собственного сырья для 3D-печати и снижению зависимости от иностранных поставщиков, а также к расширению возможностей использования этого востребованного конструкционного пластика в России.

Создание современных термостойких материалов можно сравнить с приготовлением сложного торта, который должен не просто сохранять форму, но и выдерживать экстремально высокие температуры. В такой ситуации привычную «муку» купить невозможно, поэтому исследователям приходится самостоятельно разрабатывать состав и получать опытные партии заменителя, который станет основой будущего материала. Не менее важен и следующий этап: нужно точно подобрать консистенцию смеси, поскольку слишком жидкая или слишком густая масса не позволит сформировать нужную структуру изделия.

Именно такой подход позволил ученым «готовить» подобные материалы у себя в лаборатории, что в итоге делает их производство значительно дешевле по сравнению с зарубежными аналогами из магазинов. Как отметила Алыкова, это особенно важно для развития собственных технологий и снижения зависимости от импортных решений.

В ходе исследований выяснилось, что за регулирование вязкости массы, из которой получают ПФС, отвечают атомы хлора, сохраняющиеся в «тесте» после первичных химических реакций. Ученые нашли способ управлять их количеством на этапе синтеза полифениленсульфида, а значит — точно задавать будущему материалу нужные характеристики, включая его прочность, устойчивость и технологичность в производстве.

Таким образом, работа над ПФС открывает новые возможности для создания доступных и высокотехнологичных материалов, которые могут применяться в самых разных отраслях промышленности.

Разработка и совершенствование химических технологий сегодня особенно важны для промышленности, где на первый план выходят не только качество продукта, но и его себестоимость, стабильность производства и экологическая безопасность. Сам по себе ПФС уже давно известен в мировой химической отрасли и широко применяется в различных направлениях. Однако его традиционное получение остается технологически сложным и чувствительным к условиям процесса, что существенно ограничивает эффективность производства.

Классическая схема синтеза ПФС считается довольно "капризной" из-за высокой вероятности побочных реакций. В ходе процесса исходные компоненты могут окисляться, а дорогостоящий растворитель N-метилпирролидон — быстро разлагаться, теряя свои рабочие свойства и снижая общую устойчивость технологии. Это приводит к дополнительным затратам, усложняет контроль за производством и делает процесс менее предсказуемым с точки зрения результата и экономической выгоды.

По словам ученых, им удалось подобрать такие условия синтеза, при которых риск возникновения побочных реакций заметно снижается. Благодаря этому производство становится более управляемым, экономичным и технологически надежным. Кроме того, исследователи нашли дополнительное решение: они разработали подход, позволяющий возвращать дорогостоящий растворитель обратно в цикл, что особенно важно для снижения потерь и повышения эффективности всего процесса.

Таким образом, речь идет не просто об улучшении одного из этапов синтеза, а о более глубокой оптимизации всей технологии получения ПФС. Подобные разработки могут стать основой для более устойчивого и рентабельного промышленного производства, в котором сочетаются научная точность, экономия ресурсов и практическая применимость.

Разработка новых материалов для аддитивных технологий остается одним из ключевых направлений современной науки, поскольку именно от свойств полимера зависит качество печати, прочность изделия и стабильность процесса. В будущем исследователи планируют провести дополнительные испытания, чтобы точнее адаптировать материал под требования 3D-печати и расширить его практическое применение. Кроме того, важным этапом станет изучение того, как полимер ведет себя при производстве тонких нитей — филаментов — и насколько равномерно он проходит через экструдер при последующем послойном наплавлении на 3D-принтере.

Особое внимание ученые намерены уделить таким параметрам, как вязкость, термостойкость, усадка и адгезия слоев, поскольку именно они во многом определяют, насколько надежной и точной получится напечатанная деталь. Более глубокое понимание этих характеристик поможет улучшить технологию печати и сделать материал более удобным для промышленного и исследовательского использования.

Работа была выполнена при поддержке программы «Приоритет-2030», что подчеркивает значимость исследования для развития передовых отечественных технологий и внедрения научных разработок в реальное производство.

Источник и фото - ria.ru