Въведение
Пълнителите отдавна играят важна роля в производството на полимери. Първоначално те са били добавяни, за да се намалят цените на материалите, но сега се използват главно заради други техни предимства: Пълнителите могат да намалят свиването, да увеличат твърдостта и понякога да подобрят външния вид. Те се въвеждат с цел да се създадат нови свойства на материала, които не се притежават от матричния материал, като например огнеустойчивост, или да се подобрят съществуващите свойства, какъвто е случаят с влакната.
Когато се измерва как даден материал с пълнеж променя дължината си при нагряване или охлаждане, важно свойство, което трябва да се вземе предвид, е коефициентът на термично разширение, α, или Коефициент на линейно топлинно разширение (CLTE/CTE)Коефициентът на линейно термично разширение (КЛТЕ) описва изменението на дължината на даден материал като функция на температурата.CTE (коефициент на термично разширение). Познаването на поведението на материала в това отношение е необходимо за определяне на стойности, които са от решаващо значение за проектирането, като например свиване, за да се осигури съвместимост между партньорите за свързване в крайния продукт.
Въпреки това СТЕ е чувствителен към ориентацията на пълнителя във формования детайл. Тази ориентация зависи силно от полето на потока, което описва как материалът запълва формата. Поради това във формования детайл могат да се очакват различни стойности на СТЕ. Настоящата статия има за цел да изследва това предположение. За целите на това проучване PEEK смола с нисък вискозитет и 40 обемни процента къси въглеродни влакна е била формована под налягане в плоча с размери 80 x 80 mm и дебелина 2 mm в Neue Materialien Bayreuth. Използван е филмов шлюз, за да се получи по-равномерен фронт на потока и да се намали прекъсването на влакната, което би могло да се получи чрез по-тънък шлюз. Материалът е изсушен при 150°C за 3 часа, преди да бъде инжекционно формован с температура на разтопяване 410°C в матрица с температура 175°C.
Според информационния лист точката на топене е 343°C, а стъкловидният преход, Tg, е 143°C. Вискозитетът на стопилката при 400°C е едва 300 Pas. Коефициентът на термично разширение, α, е даден в таблица 2. Обикновено измерванията от информационния лист се извършват върху образец за изпитване на кучешка кост, който обикновено се формова и с филмова врата. Дебелината му е 4 mm, а общата дължина - 185 mm. Тъй като ориентацията на пълнителя зависи силно от полето на потока, вероятно е получената ориентация на пълнителя да бъде различна в матрицата от Neue Materialien Bayreuth, отколкото в матрицата, използвана за определяне на свойствата в информационния лист. Както вече беше споменато, коефициентът на термично разширение е чувствителен към ориентацията на пълнителя, като в плочата и освен това в различните области на плочата се очакват различни стойности за СТЕ.
Как разтопеният материал се влива във формата?
На фигура 2 е показана схема на плочата с пробата (а); освен това е показан профилът на скоростта по дебелината на детайла, както и фонтанният поток на фронта на стопилката (б) и получената ориентация на влакната (в). Поради градиента на скоростта върху влакната действат различни сили и моменти, които водят до характерна ориентация на влакната в детайла. В центъра на детайла влакната са ориентирани перпендикулярно на посоката на потока вследствие на екстензионния и напречния поток. Поради високите скорости на срязване при стената или замръзналия слой влакната са ориентирани успоредно на потока. Дебелината на този силно ориентиран слой зависи от дебелината на замръзналия слой и от профила на скоростта.
Как са били подготвени пробите за експериментаи как са били измерени?
За измерванията на TMA в NETZSCH Analyzing & Testing бяха изрязани проби с размери 25 x 5 mm от различни области на плочата съгласно фигура 3(а), за да се изследва влиянието на ориентацията на влакната върху коефициента на термично разширение. Очакваната доминираща ориентация на влакната е изобразена в образците, показани на 3(б). Образците са измерени с помощта на TMA 402 F3 Hyperion® Polymer Edition (фигура 1). След първоначална стъпка на охлаждане, температурата е увеличена от -70 до 300°C при скорост на нагряване 5 K/min. Коефициентът на термично разширение е изчислен с помощта на средния анализ на СТЕ (m. Коефициент на линейно топлинно разширение (CLTE/CTE)Коефициентът на линейно термично разширение (КЛТЕ) описва изменението на дължината на даден материал като функция на температурата.CTE), който изчислява наклона между две точки с данни. Всички условия на измерване са обобщени в таблица 1.
Таблица 1: Условия за изпитване
| Държач на пробата | Разширение, изработено от SiO2 |
| Натоварване на образеца | 50 mN |
| Атмосфера | N2 |
| Дебит на газа | 50 ml/min |
| Температурен диапазон | -70 ... 300°C при скорост на нагряване 5 K/min |
Как топлинното разширение корелира с полето на потока на ?
Резултатите са показани на фигура 4. Синята линия е образец 2, червената линия - образец 1, а зелената линия - образец 3. Както се очакваше, СТЕ над Tg е по-висока, отколкото под Tg; за тези образци тя е около два пъти по-висока. Може да се види, че СТЕ на образец 3 са най-ниски, а образец 2 има най-високи стойности. Образец 1 е по средата. Същата тенденция между образците се наблюдава и при Tg. Образец 2 - в който поведението на матрицата доминира в по-голяма степен в сравнение с другите образци - има същото Tg от 143 °C, както е посочено в информационния лист (измерено с DSC). Образец 1, при който ефектът на влакната върху СТЕ е по-голям, има по-висока Tg от 152°C; това показва по-високата твърдост, внесена от влакната. Това може да се открие в TMA, тъй като той измерва механична реакция. Образец 3 е силно доминиран от фибрите и поради това Tg почти не се вижда и не е анализиран.
Сравнявайки измерванията на трите образеца със стойностите в информационния лист, може да се види, че различните дебелини на образците и цялостната геометрия наистина водят до различни стойности на СТЕ. СТЕ в посока на потока при всички образци е по-висока от тази в информационния лист. Това означава, че е много важно да се получат стойности на СТЕ на образци с форма и геометрия, подобни на тези на крайния продукт. В противен случай параметрите, които са от съществено значение за проектирането, като например свиване или съвместимост между партньорите за свързване, ще бъдат надценени или подценени.
От измерванията на Коефициент на линейно топлинно разширение (CLTE/CTE)Коефициентът на линейно термично разширение (КЛТЕ) описва изменението на дължината на даден материал като функция на температурата.CTE, както и от теорията за ориентацията на влакната в полето на потока, може да се изведе доминиращата ориентация на влакната в образците; вж. фигура 3(б). Вижда се, че поради тънкостта на образците ефектът на замръзналия слой изглежда доминиращ в образци 2 и 3. По-голямата част от влакната са ориентирани по посока на потока x. Следователно образец 3 дава най-ниски стойности на СТЕ (измерване по посока на потока и по посока на влакната), а образец 2 - най-високи стойности (измерване перпендикулярно на потока и по посока на влакната). Образец 1 е между двата, тъй като ефектът на фонтаниращия поток все още е най-голям в тази област поради близостта му до филмовата врата и факта, че тази ориентация на влакната следва кръговия поток на фронта на стопилката.
Обобщение на получените Tgsе представено в таблица 2.
Таблица 2: Обобщение на получените Tgs
| Образец 1 (червен) | Образец 2 (син) | Образец 3 (зелен) | Лист с данни на производителя | |
|---|---|---|---|---|
| Tg [°C] | 152 | 143 | - | 143 |
Резюме
Проучването показа важността на анализа на коефициента на термично разширение на материалите с пълнеж в зависимост от ориентацията на пълнителя, която се влияе от полето на потока по време на шприцване.
Потвърждение
Бихме искали да благодарим на Neue Materialien Bayreuth GmbH за предоставянето на пробите.
За Neue Materialien Bayreuth GmbH
Neue Materialien Bayreuth GmbH е неакадемична изследователска компания, която разработва различни нови материали за леки конструкции - от полимери и композити, подсилени с влакна, до метали, включително и обработката им. Те предлагат ориентирани към приложението решения чрез оптимизиране на наличните материали и производствени процеси(https://www.nmbgmbh.de/en/).