Introduktion
Fyldstoffer har længe spillet en vigtig rolle i polymerfremstillingsindustrien. Først blev de tilføjet for at sænke priserne på materialer, men nu bruges de primært på grund af deres andre fordele: Fyldstoffer kan mindske svind, øge stivheden og nogle gange forbedre udseendet. De introduceres med det formål enten at skabe nye materialeegenskaber, som matrixmaterialet ikke har, f.eks. flammehæmning, eller at forbedre eksisterende egenskaber, som det er tilfældet med fibre.
Når man måler, hvordan et fyldt materiale ændrer længde, når det opvarmes eller afkøles, er varmeudvidelseskoefficienten, α, eller Koefficient for lineær termisk ekspansion (CLTE/CTE)Den lineære varmeudvidelseskoefficient (CLTE) beskriver længdeændringen af et materiale som en funktion af temperaturen.CTE (varmeudvidelseskoefficient) en vigtig egenskab at tage i betragtning. Viden om et materiales opførsel i denne henseende er nødvendig for at bestemme værdier, der er afgørende for design, såsom krympning, for at sikre kompatibilitet mellem sammenføjningspartnere i et slutprodukt.
Koefficient for lineær termisk ekspansion (CLTE/CTE)Den lineære varmeudvidelseskoefficient (CLTE) beskriver længdeændringen af et materiale som en funktion af temperaturen.CTE er dog følsom over for fyldstoffets orientering i den støbte del. Denne orientering afhænger i høj grad af flowfeltet, som beskriver, hvordan materialet fylder formen. Derfor kan man forvente forskellige værdier for Koefficient for lineær termisk ekspansion (CLTE/CTE)Den lineære varmeudvidelseskoefficient (CLTE) beskriver længdeændringen af et materiale som en funktion af temperaturen.CTE i den støbte del. Denne artikel har til formål at undersøge denne antagelse. Til denne undersøgelse blev en PEEK-resin med lav viskositet og 40 vol% korte kulfibre sprøjtestøbt i en pladeform på 80 x 80 mm og 2 mm tykkelse hos Neue Materialien Bayreuth. Der blev brugt en filmport for at opnå en mere ensartet flowfront og reducere fiberbrud, som kunne forekomme gennem en tyndere port. Materialet blev tørret ved 150 °C i 3 timer, før det blev sprøjtestøbt med en Smeltetemperaturer og entalpierEt stofs fusionsenthalpi, også kendt som latent varme, er et mål for den energitilførsel, typisk varme, der er nødvendig for at omdanne et stof fra fast til flydende tilstand. Et stofs smeltepunkt er den temperatur, hvor det skifter tilstand fra fast (krystallinsk) til flydende (isotropisk smelte).smeltetemperatur på 410 °C i en form ved 175 °C.
Ifølge databladet ligger smeltepunktet ved 343 °C og glasovergangen, Tg, ved 143 °C. Smelteviskositeten ved 400 °C er så lav som 300 Pas. Den termiske udvidelseskoefficient, α, er angivet i tabel 2. Målingerne fra databladet udføres typisk på et dogbone-prøveemne, som også typisk er støbt med en filmport. Den har en tykkelse på 4 mm og en samlet længde på 185 mm. Da fyldstoforienteringen afhænger meget af strømningsfeltet, er det sandsynligt, at den resulterende fyldstoforientering vil være anderledes i formen fra Neue Materialien Bayreuth end i den form, der blev brugt til at bestemme egenskaberne på databladet. Som allerede nævnt er den termiske udvidelseskoefficient følsom over for fyldstoforienteringen, og der kan forventes forskellige værdier for Koefficient for lineær termisk ekspansion (CLTE/CTE)Den lineære varmeudvidelseskoefficient (CLTE) beskriver længdeændringen af et materiale som en funktion af temperaturen.CTE i pladen og yderligere i forskellige områder af pladen.
Hvordan flyder det smeltede materiale ind i formen?
Figur 2 viser en skematisk fremstilling af prøvepladen (a); den viser også hastighedsprofilen på tværs af emnets tykkelse samt fontænestrømmen ved smeltefronten (b) og den resulterende fiberorientering (c). På grund af hastighedsgradienten virker forskellige kræfter og momenter på fibrene og fører til en karakteristisk fiberorientering i emnet. I midten af emnet er fibrene orienteret vinkelret på strømningsretningen på grund af forlængelses- og tværgående strømning. På grund af de høje forskydningshastigheder ved væggen eller det frosne lag er fibrene orienteret parallelt med strømningen. Tykkelsen af dette stærkt orienterede lag afhænger af tykkelsen af det frosne lag og hastighedsprofilen.
Hvordan blev prøverne til eksperimentet forberedtog målt?
Til TMA-målingerne på NETZSCH Analyzing & Testing blev der skåret prøver på 25 x 5 mm fra forskellige områder af pladen i henhold til figur 3(a) for at undersøge effekten af fiberorientering på den termiske udvidelseskoefficient. Den forventede dominerende fiberorientering er afbildet i prøverne vist i 3(b). Prøverne blev målt med TMA 402 F3 Hyperion® Polymer Edition (figur 1). Efter et indledende afkølingstrin blev temperaturen øget fra -70 til 300 °C med en opvarmningshastighed på 5 K/min. Den termiske udvidelseskoefficient blev beregnet ved hjælp af den gennemsnitlige Koefficient for lineær termisk ekspansion (CLTE/CTE)Den lineære varmeudvidelseskoefficient (CLTE) beskriver længdeændringen af et materiale som en funktion af temperaturen.CTE-analyse (m. Koefficient for lineær termisk ekspansion (CLTE/CTE)Den lineære varmeudvidelseskoefficient (CLTE) beskriver længdeændringen af et materiale som en funktion af temperaturen.CTE), som beregner hældningen mellem to datapunkter. Alle målebetingelser er opsummeret i tabel 1.
Tabel 1: Testbetingelser
| Prøveholder | Ekspansion, fremstillet af SiO2 |
| Belastning af prøve | 50 mN |
| Atmosfære | N2 |
| Gasstrømningshastighed | 50 ml/min |
| Temperaturområde | -70 ... 300°C ved en opvarmningshastighed på 5 K/min |
Hvordan hænger den termiske ekspansion sammen med Flow Field?
Resultaterne er vist i figur 4. Den blå linje er prøve 2, den røde linje prøve 1 og den grønne linje prøve 3. Som forventet er Koefficient for lineær termisk ekspansion (CLTE/CTE)Den lineære varmeudvidelseskoefficient (CLTE) beskriver længdeændringen af et materiale som en funktion af temperaturen.CTE over Tg højere end under Tg; for disse prøver er den ca. dobbelt så høj. Man kan se, at Koefficient for lineær termisk ekspansion (CLTE/CTE)Den lineære varmeudvidelseskoefficient (CLTE) beskriver længdeændringen af et materiale som en funktion af temperaturen.CTE'erne i prøve 3 er de laveste, og at prøve 2 har de højeste værdier. Prøve 1 ligger midt imellem. Den samme tendens blandt prøverne kan observeres i Tg. Prøve 2 - som er mere domineret af matrixadfærden sammenlignet med de andre prøver - har den samme Tg på 143 °C som angivet i databladet (målt med en DSC). Prøve 1, hvor effekten af fibrene i Koefficient for lineær termisk ekspansion (CLTE/CTE)Den lineære varmeudvidelseskoefficient (CLTE) beskriver længdeændringen af et materiale som en funktion af temperaturen.CTE er større, har en højere Tg på 152 °C; dette indikerer den højere stivhed, der indføres af fibrene. Dette kan registreres i en TMA, fordi den måler en mekanisk respons. Prøve 3 er stærkt domineret af fibrene, og derfor er Tg næsten ikke synlig og blev ikke analyseret.
Når man sammenligner målingerne på de tre prøver med værdierne i databladet, kan man se, at de forskellige prøvetykkelser og overordnede geometrier faktisk resulterer i forskellige Koefficient for lineær termisk ekspansion (CLTE/CTE)Den lineære varmeudvidelseskoefficient (CLTE) beskriver længdeændringen af et materiale som en funktion af temperaturen.CTE-værdier. CTE i flowretningen er i alle prøver højere end i databladet. Det betyder, at det er meget vigtigt at få CTE-værdier på prøver, der har samme form og geometri som det endelige produkt. Ellers vil parametre, der er vigtige for designet, såsom krympning eller kompatibilitet mellem sammenføjningspartnere, blive over- eller underforudsagt.
Ud fra CTE-målingerne samt teorien om fiberorientering i flowfeltet kan den dominerende fiberorientering i prøverne udledes; se figur 3(b). Det kan ses, at på grund af prøvernes tyndhed synes effekten af det frosne lag at være dominerende i prøve 2 og 3. Størstedelen af fibrene er orienteret i flowretningen x. Derfor giver prøve 3 den laveste CTE (måling i flowet og i fiberretningen) og prøve 2 de højeste værdier (måling vinkelret på flowet og fiberretningen). Prøve 1 ligger mellem de to, fordi fountain flow-effekten stadig er størst i dette område på grund af dens nærhed til filmporten og det faktum, at fiberretningen følger den cirkulære strømning ved smeltefronten.
En oversigt over de resulterende Tgser vist i tabel 2.
Tabel 2: Oversigt over de resulterende Tgs
| Prøve 1 (rød) | Prøve 2 (blå) | Prøve 3 (grøn) | Producentens datablad | |
|---|---|---|---|---|
| Tg [°C] | 152 | 143 | - | 143 |
Sammenfatning
Undersøgelsen viste vigtigheden af at analysere varmeudvidelseskoefficienten for fyldte materialer baseret på fyldstoffets orientering, som påvirkes af strømningsfeltet under sprøjtestøbning.
Anerkendelse
Vi vil gerne takke Neue Materialien Bayreuth GmbH for at stille prøverne til rådighed.
Om Neue Materialien Bayreuth GmbH
Neue Materialien Bayreuth GmbH er en ikke-akademisk forskningsvirksomhed, der udvikler forskellige nye materialer til letvægtskonstruktioner, fra polymerer og fiberforstærkede kompositter til metaller, herunder også forarbejdningen. De leverer anvendelsesorienterede løsninger ved at optimere tilgængelige materialer og produktionsprocesser(https://www.nmbgmbh.de/en/).