مقدمة
لطالما لعبت مواد الحشو دورًا مهمًا في صناعة تصنيع البوليمر. وقد أُضيفت في البداية لخفض أسعار المواد، ولكنها تُستخدم الآن بشكل أساسي لمزاياها الأخرى: يمكن للحشوات تقليل الانكماش وزيادة الصلابة وأحيانًا تحسين المظهر. يتم إدخالها إما بهدف خلق خصائص جديدة للمواد لا تمتلكها مادة المصفوفة، مثل مثبطات اللهب، أو تعزيز الخصائص الموجودة كما هو الحال مع الألياف.
عند قياس كيفية تغير طول المادة المملوءة عند تسخينها أو تبريدها، فإن الخاصية المهمة التي يجب مراعاتها هي معامل التمدد الحراري، α، أو معامل التمدد الحراري الخطي (CLTE/CTE)يصف معامل التمدد الحراري الخطي (CLTE) التغير في طول المادة كدالة لدرجة الحرارة.CTE (معامل التمدد الحراري). هناك حاجة إلى معرفة سلوك المادة في هذا الصدد لتحديد القيم الضرورية للتصميم، مثل الانكماش، من أجل ضمان التوافق بين شركاء الوصل في المنتج النهائي.
ومع ذلك، فإن معامل التمدد الحراري الخطي (CLTE/CTE)يصف معامل التمدد الحراري الخطي (CLTE) التغير في طول المادة كدالة لدرجة الحرارة.CTE حساس لاتجاه الحشو في الجزء المقولب. يعتمد هذا الاتجاه بشدة على مجال التدفق، والذي يصف كيفية ملء المادة للقالب. لذلك، من المتوقع وجود قيم مختلفة ل معامل التمدد الحراري الخطي (CLTE/CTE)يصف معامل التمدد الحراري الخطي (CLTE) التغير في طول المادة كدالة لدرجة الحرارة.CTE في الجزء المقولب. تهدف هذه المقالة إلى التحقيق في هذا الافتراض. بالنسبة لهذه الدراسة، تم قولبة راتينج PEEK منخفض اللزوجة مع ألياف كربون قصيرة بحجم 40 فولت بنسبة 40 في المائة بالحقن في قالب صفيحة بسماكة 80 × 80 مم وسمك 2 مم في Neue Materialien Bayreuth. تم استخدام بوابة غشائية للحصول على مقدمة تدفق أكثر اتساقًا وتقليل تكسر الألياف، والذي يمكن أن يحدث من خلال بوابة أرق. تم تجفيف المادة عند درجة حرارة 150 درجة مئوية لمدة 3 ساعات قبل صبها بالحقن بدرجة حرارة ذوبان 410 درجة مئوية في قالب عند درجة حرارة 175 درجة مئوية.
وفقًا لورقة البيانات، تبلغ درجة الانصهار 343 درجة مئوية ونقطة الانتقال الزجاجي، Tg، عند 143 درجة مئوية. وتصل درجة اللزوجة الذائبة عند 400 درجة مئوية إلى 300 باس. يرد معامل التمدد الحراري، α، في الجدول 2. عادةً ما يتم إجراء القياسات من ورقة البيانات على عينة اختبار عظم الكلب التي عادةً ما تكون مصبوبة ببوابة غشاء أيضًا. يبلغ سمكها 4 مم وطولها الإجمالي 185 مم. نظرًا لأن اتجاه الحشو يعتمد بشدة على مجال التدفق، فمن المحتمل أن يكون اتجاه الحشو الناتج مختلفًا في القالب من Neue Materialien Bayreuth عن القالب المستخدم لتحديد الخصائص في ورقة البيانات. كما سبق ذكره، فإن معامل التمدد الحراري حساس لاتجاه الحشو، ومن المتوقع أن تكون هناك قيم مختلفة لمعامل التمدد الحراري في اللوحة وكذلك في مناطق مختلفة من اللوحة.
كيف تتدفق المادة المنصهرة في القالب؟
يُظهر الشكل 2 رسمًا تخطيطيًا للوحة العينة (أ)؛ كما يُظهر الشكل 2 ملف السرعة عبر سمك الجزء وكذلك تدفق النافورة عند مقدمة الذوبان (ب) واتجاه الألياف الناتج (ج). بسبب تدرج السرعة، تعمل قوى وعزوم مختلفة على الألياف وتؤدي إلى اتجاه مميز للألياف داخل الجزء. في وسط الجزء، يتم توجيه الألياف بشكل عمودي على اتجاه التدفق بسبب التدفق التمددي والعرضي. نظرًا لارتفاع معدلات القص عند الجدار أو الطبقة المتجمدة، تكون الألياف موازية للتدفق. ويعتمد سُمك هذه الطبقة عالية التوجيه على سُمك الطبقة المتجمدة وملف السرعة.
كيف تم تحضير عينات التجربةوقياسها؟
بالنسبة لقياسات TMA في شركة NETZSCH للتحليل والاختبار، تم قطع عينات مقاس 25 × 5 مم من مناطق مختلفة من الصفيحة وفقًا للشكل 3 (أ) لدراسة تأثير اتجاه الألياف على معامل التمدد الحراري. يظهر اتجاه الألياف السائد المتوقع في العينات الموضحة في الشكل 3(ب). تم قياس العينات باستخدام TMA 402 F3 Hyperion® Polymer Edition (الشكل 1). بعد خطوة تبريد أولية، تمت زيادة درجة الحرارة من -70 إلى 300 درجة مئوية بمعدل تسخين 5 كلفن/دقيقة. تم حساب معامل التمدد الحراري باستخدام متوسط تحليل معامل التمدد الحراري الخطي (CLTE/CTE)يصف معامل التمدد الحراري الخطي (CLTE) التغير في طول المادة كدالة لدرجة الحرارة.CTE (m. معامل التمدد الحراري الخطي (CLTE/CTE)يصف معامل التمدد الحراري الخطي (CLTE) التغير في طول المادة كدالة لدرجة الحرارة.CTE)، الذي يحسب الميل بين نقطتي بيانات. تم تلخيص جميع ظروف القياس في الجدول 1.
الجدول 1: ظروف الاختبار
| حامل العينة | التمدد، مصنوع من SiO2 |
| حمل العينة | 50 ملي نيوتن |
| الغلاف الجوي | N2 |
| معدل تدفق الغاز | 50 مل/دقيقة |
| نطاق درجة الحرارة | -70 ... 300 درجة مئوية بمعدل تسخين 5 كلفن/دقيقة |
كيف يرتبط التمدد الحراري بمجال التدفق ؟
تظهر النتائج في الشكل 4. الخط الأزرق هو العينة 2، والخط الأحمر هو العينة 1، والخط الأخضر هو العينة 3. وكما هو متوقع، فإن CTE أعلى من Tg أعلى من أقل من Tg؛ حيث تبلغ قيمة CTE لهذه العينات حوالي الضعف. يمكن ملاحظة أن قيم CTE للعينة 3 هي الأقل والعينة 2 هي الأعلى. وتقع العينة 1 بينهما. يمكن ملاحظة الاتجاه نفسه بين العينات في Tg. تحتوي العينة 2 - التي يهيمن عليها سلوك المصفوفة بشكل أكبر مقارنةً بالعينات الأخرى - على نفس درجة حرارة Tg البالغة 143 درجة مئوية كما هو مذكور في ورقة البيانات (مقيسة باستخدام DSC). أما العينة 1، التي يكون تأثير الألياف فيها أكبر في CTE، فلها درجة حرارة Tg أعلى تبلغ 152 درجة مئوية؛ وهذا يشير إلى الصلابة الأعلى التي أدخلتها الألياف. يمكن اكتشاف ذلك في TMA، لأنه يقيس الاستجابة الميكانيكية. تهيمن الألياف بقوة على العينة 3، وبالتالي، فإن Tg بالكاد يمكن رؤيته ولم يتم تحليله.
بمقارنة القياسات على العينات الثلاث بالقيم الواردة في ورقة البيانات، يمكن ملاحظة أن اختلاف سُمك العينة والأشكال الهندسية الكلية يؤدي بالفعل إلى قيم مختلفة لـ CTE. تكون CTE في اتجاه التدفق في جميع العينات أعلى من ورقة البيانات. وهذا يعني أنه من المهم جدًا الحصول على قيم CTE على عينات ذات شكل وهندسة مماثلة لتلك الخاصة بالمنتج النهائي. وبخلاف ذلك، فإن المعلمات الضرورية للتصميم مثل الانكماش أو التوافق بين شركاء الوصلة، سيتم التنبؤ بها بشكل زائد أو أقل من المتوقع.
من قياسات CTE بالإضافة إلى نظرية اتجاه الألياف في مجال التدفق، يمكن استنتاج اتجاه الألياف السائد في العينات؛ انظر الشكل 3 (ب). يمكن ملاحظة أنه نظرًا لنحافة العينات، يبدو أن تأثير الطبقة المتجمدة هو السائد في العينتين 2 و3. تتجه غالبية الألياف في اتجاه التدفق x. ولذلك، تعطي العينة 3 أدنى قيم CTE (القياس في اتجاه التدفق والألياف) والعينة 2 أعلى القيم (القياس عمودي على اتجاه التدفق والألياف). تقع العينة 1 بين الاثنين، لأن تأثير التدفق النافورة لا يزال هو الأكبر في هذه المنطقة نظرًا لقربها من بوابة الفيلم وحقيقة أن اتجاه الألياف يتبع التدفق الدائري في مقدمة الذوبان.
يعرض الجدول 2 ملخصًا لـ Tgsالناتج.
الجدول 2: ملخص النتائج التي تمالتوصل إليها
| العينة 1 (أحمر) | العينة 2 (أزرق) | العينة 3 (أخضر) | ورقة بيانات الشركة المصنعة | |
|---|---|---|---|---|
| درجة الحرارة [درجة مئوية] | 152 | 143 | - | 143 |
الملخص
أظهرت الدراسة أهمية تحليل معامل التمدد الحراري للمواد المملوءة بناءً على اتجاه الحشو، والذي يتأثر بمجال التدفق أثناء قولبة الحقن.
شكر وتقدير
نود أن نشكر شركة Neue Materialien Bayreuth GmbH على توفير العينات.
نبذة عن شركة نيو ماتيريديان بايرويت المحدودة
شركة Neue Materialien Bayreuth GmbH هي شركة أبحاث غير أكاديمية تقوم بتطوير مواد جديدة متنوعة للإنشاءات خفيفة الوزن، من البوليمرات والمواد المركبة المقواة بالألياف إلى المعادن، بما في ذلك المعالجة أيضًا. وهي توفر حلولاً موجهة نحو التطبيقات من خلال تحسين المواد المتاحة وعمليات الإنتاج(https://www.nmbgmbh.de/en/).