Úvod
Plnidla hrají ve výrobě polymerů již dlouho důležitou roli. Nejprve se přidávala kvůli snížení ceny materiálů, nyní se používají hlavně pro své další výhody: Plnidla mohou snížit smrštění, zvýšit tuhost a někdy i zlepšit vzhled. Zavádějí se buď s cílem vytvořit nové vlastnosti materiálu, kterými matriční materiál nedisponuje, jako je například nehořlavost, nebo zlepšit stávající vlastnosti, jako je tomu v případě vláken.
Při měření změny délky plněného materiálu při zahřívání nebo ochlazování je důležitou vlastností, kterou je třeba vzít v úvahu, koeficient tepelné roztažnosti α neboli Koeficient lineární tepelné roztažnosti (CLTE/CTE)Koeficient lineární teplotní roztažnosti (CLTE) popisuje změnu délky materiálu v závislosti na teplotě.CTE (koeficient tepelné roztažnosti). Znalost chování materiálu v tomto ohledu je potřebná pro stanovení hodnot, které jsou pro konstrukci rozhodující, jako je smrštění, aby byla zajištěna kompatibilita mezi spojovacími partnery v konečném výrobku.
Koeficient lineární tepelné roztažnosti (CLTE/CTE)Koeficient lineární teplotní roztažnosti (CLTE) popisuje změnu délky materiálu v závislosti na teplotě.CTE je však citlivý na orientaci plniva ve výlisku. Tato orientace silně závisí na proudovém poli, které popisuje, jak materiál vyplňuje formu. Proto lze ve výlisku očekávat různé hodnoty Koeficient lineární tepelné roztažnosti (CLTE/CTE)Koeficient lineární teplotní roztažnosti (CLTE) popisuje změnu délky materiálu v závislosti na teplotě.CTE. Cílem tohoto článku je tento předpoklad prozkoumat. Pro tuto studii byla v Neue Materialien Bayreuth vstřikována nízkoviskózní PEEK pryskyřice se 40 obj. % krátkých uhlíkových vláken do deskové formy o rozměrech 80 x 80 mm a tloušťce 2 mm. Pro dosažení rovnoměrnějšího čela toku a omezení lámání vláken, k němuž by mohlo dojít při použití tenčího hradla, bylo použito filmové hradlo. Materiál byl před vstřikováním při teplotě taveniny 410 °C do formy o teplotě 175 °C po dobu 3 hodin sušen při 150 °C.
Podle datového listu je bod tání 343 °C a skelný přechod, Tg, 143 °C. Viskozita taveniny při 400 °C je pouhých 300 Pas. Koeficient tepelné roztažnosti α je uveden v tabulce 2. Obvykle se měření z datového listu provádí na zkušebním vzorku s psí kostí, které jsou obvykle lisovány i s filmovým hradlem. Má tloušťku 4 mm a celkovou délku 185 mm. Protože orientace plniva silně závisí na proudovém poli, je pravděpodobné, že výsledná orientace plniva bude ve formě z Neue Materialien Bayreuth jiná než ve formě použité ke stanovení vlastností v datovém listu. Jak již bylo uvedeno, koeficient tepelné roztažnosti je citlivý na orientaci plniva, lze očekávat různé hodnoty Koeficient lineární tepelné roztažnosti (CLTE/CTE)Koeficient lineární teplotní roztažnosti (CLTE) popisuje změnu délky materiálu v závislosti na teplotě.CTE v desce a dále v různých oblastech desky.
Jak proudí roztavený materiál do formy?
Na obrázku 2 je znázorněno schéma desky vzorku (a); dále je zde znázorněn rychlostní profil napříč tloušťkou dílu a také proudění fontány na čele taveniny (b) a výsledná orientace vláken (c). V důsledku rychlostního gradientu působí na vlákna různé síly a momenty, které vedou k charakteristické orientaci vláken uvnitř dílu. Ve středu dílu jsou vlákna orientována kolmo ke směru proudění v důsledku extenzního a příčného proudění. V důsledku vysokých smykových rychlostí u stěny nebo zmrzlé vrstvy jsou vlákna orientována rovnoběžně s prouděním. Tloušťka této vysoce orientované vrstvy závisí na tloušťce zmrzlé vrstvy a rychlostním profilu.
Jak byly vzorky pro experiment připravenya změřeny?
Pro měření TMA na adrese NETZSCH Analyzing & Testing byly z různých oblastí desky vyříznuty vzorky o rozměrech 25 x 5 mm podle obrázku 3(a), aby bylo možné studovat vliv orientace vláken na koeficient tepelné roztažnosti. Očekávaná dominantní orientace vláken je znázorněna na vzorcích zobrazených na obrázku 3(b). Vzorky byly měřeny pomocí přístroje TMA 402 F3 Hyperion® Polymer Edition (obr. 1). Po počátečním ochlazení byla teplota zvyšována z -70 na 300 °C při rychlosti ohřevu 5 K/min. Koeficient tepelné roztažnosti byl vypočten pomocí analýzy střední Koeficient lineární tepelné roztažnosti (CLTE/CTE)Koeficient lineární teplotní roztažnosti (CLTE) popisuje změnu délky materiálu v závislosti na teplotě.CTE (m. Koeficient lineární tepelné roztažnosti (CLTE/CTE)Koeficient lineární teplotní roztažnosti (CLTE) popisuje změnu délky materiálu v závislosti na teplotě.CTE), která počítá sklon mezi dvěma datovými body. Všechny podmínky měření jsou shrnuty v tabulce 1.
Tabulka 1: Zkušební podmínky
| Držák vzorku | Expanzní, vyrobený z SiO2 |
| Zatížení vzorku | 50 mN |
| Atmosféra | N2 |
| Průtok plynu | 50 ml/min |
| Teplotní rozsah | -70 ... 300 °C při rychlosti ohřevu 5 K/min |
Jak souvisí tepelná roztažnost s proudovým polem ?
Výsledky jsou uvedeny na obrázku 4. Modrá čára je vzorek 2, červená čára vzorek 1 a zelená čára vzorek 3. Podle očekávání je Koeficient lineární tepelné roztažnosti (CLTE/CTE)Koeficient lineární teplotní roztažnosti (CLTE) popisuje změnu délky materiálu v závislosti na teplotě.CTE nad Tg vyšší než pod Tg; u těchto vzorků je přibližně dvojnásobná. Je vidět, že Koeficient lineární tepelné roztažnosti (CLTE/CTE)Koeficient lineární teplotní roztažnosti (CLTE) popisuje změnu délky materiálu v závislosti na teplotě.CTE vzorku 3 jsou nejnižší a vzorek 2 má nejvyšší hodnoty. Vzorek 1 se nachází mezi nimi. Stejný trend mezi vzorky je pozorovatelný i u Tg. Vzorek 2 - u kterého ve srovnání s ostatními vzorky více převládá chování matrice - má stejnou Tg 143 °C, jak je uvedeno v datasheetu (měřeno pomocí DSC). Vzorek 1, u něhož je vliv vláken na Koeficient lineární tepelné roztažnosti (CLTE/CTE)Koeficient lineární teplotní roztažnosti (CLTE) popisuje změnu délky materiálu v závislosti na teplotě.CTE větší, má vyšší Tg 152 °C; to ukazuje na vyšší tuhost vnesenou vlákny. To lze zjistit pomocí TMA, protože měří mechanickou odezvu. U vzorku 3 silně převažují vlákna, a proto je Tg sotva viditelná a nebyla analyzována.
Porovnáním měření na těchto třech vzorcích s hodnotami v datovém listu je vidět, že rozdílné tloušťky vzorků a celkové geometrie skutečně vedou k rozdílným hodnotám Koeficient lineární tepelné roztažnosti (CLTE/CTE)Koeficient lineární teplotní roztažnosti (CLTE) popisuje změnu délky materiálu v závislosti na teplotě.CTE. CTE ve směru toku je u všech vzorků vyšší než v datasheetu. To znamená, že je velmi důležité získat hodnoty CTE na vzorcích podobného tvaru a geometrie jako u konečného výrobku. V opačném případě budou parametry, které jsou zásadní pro konstrukci, jako je smrštění nebo kompatibilita mezi spojovacími partnery, nadhodnoceny nebo podhodnoceny.
Z měření CTE i z teorie orientace vláken v proudovém poli lze odvodit dominantní orientaci vláken ve vzorcích; viz obrázek 3b). Je patrné, že vzhledem k tenkosti vzorků se u vzorků 2 a 3 jeví jako dominantní vliv zmrzlé vrstvy. Většina vláken je orientována ve směru toku x. Proto vzorek 3 poskytuje nejnižší hodnoty CTE (měření ve směru toku a ve směru vláken) a vzorek 2 nejvyšší hodnoty (měření kolmo na směr toku a vlákna). Vzorek 1 se nachází mezi těmito dvěma vzorky, protože efekt fontánového toku je v této oblasti stále největší vzhledem k jeho blízkosti k bráně filmu a skutečnosti, že orientace vláken sleduje kruhový tok na čele taveniny.
Přehled výsledných Tgsje uveden v tabulce 2.
Tabulka 2: Shrnutí výsledných Tgs
| Vzorek 1 (červený) | Vzorek 2 (modrá) | Vzorek 3 (zelený) | Datový list výrobce | |
|---|---|---|---|---|
| Tg [°C] | 152 | 143 | - | 143 |
Souhrn
Studie ukázala důležitost analýzy koeficientu tepelné roztažnosti plněných materiálů v závislosti na orientaci plniva, která je ovlivněna tokovým polem během vstřikování.
Poděkování
Děkujeme společnosti Neue Materialien Bayreuth GmbH za poskytnutí vzorků.
O společnosti Neue Materialien Bayreuth GmbH
Neue Materialien Bayreuth GmbH je neakademická výzkumná společnost, která vyvíjí různé nové materiály pro lehké konstrukce, od polymerů a kompozitů vyztužených vlákny až po kovy, včetně jejich zpracování. Poskytuje aplikačně orientovaná řešení optimalizací dostupných materiálů a výrobních procesů(https://www.nmbgmbh.de/en/).