Εισαγωγή
Τα πληρωτικά υλικά παίζουν εδώ και καιρό σημαντικό ρόλο στη βιομηχανία παραγωγής πολυμερών. Αρχικά προστέθηκαν για να μειώσουν τις τιμές των υλικών, τώρα χρησιμοποιούνται κυρίως για τα άλλα πλεονεκτήματά τους: Τα πληρωτικά μπορούν να μειώσουν τη συρρίκνωση, να αυξήσουν τη σκληρότητα και μερικές φορές να βελτιώσουν την εμφάνιση. Εισάγονται με στόχο είτε τη δημιουργία νέων ιδιοτήτων του υλικού που δεν διαθέτει το υλικό της μήτρας, όπως η επιβράδυνση της φλόγας, είτε τη βελτίωση των υφιστάμενων ιδιοτήτων, όπως συμβαίνει με τις ίνες.
Κατά τη μέτρηση του τρόπου με τον οποίο ένα πληρωμένο υλικό μεταβάλλεται σε μήκος όταν θερμαίνεται ή ψύχεται, μια σημαντική ιδιότητα που πρέπει να ληφθεί υπόψη είναι ο συντελεστής θερμικής διαστολής, α, ή Συντελεστής γραμμικής θερμικής διαστολής (CLTE/CTE)Ο συντελεστής γραμμικής θερμικής διαστολής (CLTE) περιγράφει τη μεταβολή του μήκους ενός υλικού σε συνάρτηση με τη θερμοκρασία.CTE (συντελεστής θερμικής διαστολής). Η γνώση της συμπεριφοράς ενός υλικού από αυτή την άποψη είναι απαραίτητη για τον προσδιορισμό τιμών που είναι κρίσιμες για τον σχεδιασμό, όπως η συρρίκνωση, προκειμένου να διασφαλιστεί η συμβατότητα μεταξύ των εταίρων σύνδεσης σε ένα τελικό προϊόν.
Ωστόσο, ο Συντελεστής γραμμικής θερμικής διαστολής (CLTE/CTE)Ο συντελεστής γραμμικής θερμικής διαστολής (CLTE) περιγράφει τη μεταβολή του μήκους ενός υλικού σε συνάρτηση με τη θερμοκρασία.CTE είναι ευαίσθητος στον προσανατολισμό του πληρωτικού υλικού στο μορφοποιημένο τεμάχιο. Αυτός ο προσανατολισμός εξαρτάται σε μεγάλο βαθμό από το πεδίο ροής, το οποίο περιγράφει τον τρόπο με τον οποίο το υλικό γεμίζει το καλούπι. Ως εκ τούτου, αναμένονται διαφορετικές τιμές για το Συντελεστής γραμμικής θερμικής διαστολής (CLTE/CTE)Ο συντελεστής γραμμικής θερμικής διαστολής (CLTE) περιγράφει τη μεταβολή του μήκους ενός υλικού σε συνάρτηση με τη θερμοκρασία.CTE στο χυτευμένο τεμάχιο. Το παρόν άρθρο αποσκοπεί στη διερεύνηση αυτής της παραδοχής. Για τη μελέτη αυτή, μια ρητίνη PEEK χαμηλού ιξώδους με 40 vol% κοντές ίνες άνθρακα μορφοποιήθηκε με έγχυση σε καλούπι πλάκας 80 x 80 mm και πάχους 2 mm στο Neue Materialien Bayreuth. Χρησιμοποιήθηκε πύλη μεμβράνης για να επιτευχθεί ένα πιο ομοιόμορφο μέτωπο ροής και να μειωθεί η θραύση ινών, η οποία θα μπορούσε να συμβεί μέσω μιας λεπτότερης πύλης. Το υλικό ξηράνθηκε στους 150°C για 3 ώρες πριν από την έγχυση με χύτευση με έγχυση με θερμοκρασία τήγματος 410°C σε καλούπι στους 175°C.
Σύμφωνα με το δελτίο δεδομένων, το σημείο τήξης είναι στους 343°C και η υαλώδης μετάβαση, Tg, στους 143°C. Το ιξώδες τήγματος στους 400°C είναι μόλις 300 Pas. Ο συντελεστής θερμικής διαστολής, α, δίνεται στον πίνακα 2. Τυπικά, οι μετρήσεις από το φύλλο δεδομένων εκτελούνται σε δοκίμιο dogbone, τα οποία τυπικά είναι χυτευμένα και με πύλη φιλμ. Έχει πάχος 4 mm και συνολικό μήκος 185 mm. Επειδή ο προσανατολισμός του πληρωτικού υλικού εξαρτάται σε μεγάλο βαθμό από το πεδίο ροής, είναι πιθανό ο προσανατολισμός του πληρωτικού υλικού που προκύπτει να είναι διαφορετικός στο καλούπι από το Neue Materialien Bayreuth από ό,τι στο καλούπι που χρησιμοποιήθηκε για τον προσδιορισμό των ιδιοτήτων στο φύλλο δεδομένων. Όπως έχει ήδη αναφερθεί, ο συντελεστής θερμικής διαστολής είναι ευαίσθητος στον προσανατολισμό του πληρωτικού υλικού, αναμένονται διαφορετικές τιμές για τον Συντελεστής γραμμικής θερμικής διαστολής (CLTE/CTE)Ο συντελεστής γραμμικής θερμικής διαστολής (CLTE) περιγράφει τη μεταβολή του μήκους ενός υλικού σε συνάρτηση με τη θερμοκρασία.CTE στην πλάκα και επιπλέον σε διαφορετικές περιοχές της πλάκας.
Πώς ρέει το λιωμένο υλικό στο καλούπι
Το Σχήμα 2 δείχνει μια σχηματική αναπαράσταση της πλάκας δείγματος (α)- επιπλέον, δείχνει το προφίλ ταχύτητας σε όλο το πάχος του τεμαχίου, καθώς και τη ροή του σιντριβανιού στο μέτωπο του τήγματος (β) και τον προσανατολισμό των ινών που προκύπτει (γ). Λόγω της διαβάθμισης της ταχύτητας, διαφορετικές δυνάμεις και ροπές δρουν στις ίνες και οδηγούν σε έναν χαρακτηριστικό προσανατολισμό ινών εντός του τεμαχίου. Στο κέντρο του τεμαχίου, οι ίνες προσανατολίζονται κάθετα προς τη διεύθυνση της ροής λόγω της εκτατικής και εγκάρσιας ροής. Λόγω των υψηλών ρυθμών διάτμησης στο τοίχωμα ή στο παγωμένο στρώμα, οι ίνες προσανατολίζονται παράλληλα προς τη ροή. Το πάχος αυτού του εξαιρετικά προσανατολισμένου στρώματος εξαρτάται από το πάχος του παγωμένου στρώματος και το προφίλ ταχύτητας.
Πώς προετοιμάστηκαν τα δείγματα για το πείραμακαι πώς μετρήθηκαν
Για τις μετρήσεις TMA στο NETZSCH Analyzing & Testing, κόπηκαν δείγματα 25 x 5 mm από διάφορες περιοχές της πλάκας σύμφωνα με το σχήμα 3(α) για να μελετηθεί η επίδραση του προσανατολισμού των ινών στον συντελεστή θερμικής διαστολής. Ο αναμενόμενος κυρίαρχος προσανατολισμός των ινών απεικονίζεται στα δείγματα που παρουσιάζονται στο 3(β). Τα δείγματα μετρήθηκαν με το TMA 402 F3 Hyperion® Polymer Edition (σχήμα 1). Μετά από ένα αρχικό βήμα ψύξης, η θερμοκρασία αυξήθηκε από τους -70 στους 300°C με ρυθμό θέρμανσης 5 K/min. Ο συντελεστής θερμικής διαστολής υπολογίστηκε με τη χρήση της μέσης ανάλυσης Συντελεστής γραμμικής θερμικής διαστολής (CLTE/CTE)Ο συντελεστής γραμμικής θερμικής διαστολής (CLTE) περιγράφει τη μεταβολή του μήκους ενός υλικού σε συνάρτηση με τη θερμοκρασία.CTE (m. Συντελεστής γραμμικής θερμικής διαστολής (CLTE/CTE)Ο συντελεστής γραμμικής θερμικής διαστολής (CLTE) περιγράφει τη μεταβολή του μήκους ενός υλικού σε συνάρτηση με τη θερμοκρασία.CTE), η οποία υπολογίζει την κλίση μεταξύ δύο σημείων δεδομένων. Όλες οι συνθήκες μέτρησης συνοψίζονται στον πίνακα 1.
Πίνακας 1: Συνθήκες δοκιμής
| Δοχείο δείγματος | Επέκταση, από SiO2 |
| Φορτίο δείγματος | 50 mN |
| Ατµόσφαιρα | N2 |
| Ροή αερίου | 50 ml/min |
| Εύρος θερμοκρασίας | -70 ... 300°C με ρυθμό θέρμανσης 5 K/min |
Πώς συσχετίζεται η θερμική διαστολή με το πεδίο ροής
Τα αποτελέσματα παρουσιάζονται στο Σχήμα 4. Η μπλε γραμμή είναι το δείγμα 2, η κόκκινη γραμμή το δείγμα 1 και η πράσινη γραμμή το δείγμα 3. Όπως αναμενόταν, το Συντελεστής γραμμικής θερμικής διαστολής (CLTE/CTE)Ο συντελεστής γραμμικής θερμικής διαστολής (CLTE) περιγράφει τη μεταβολή του μήκους ενός υλικού σε συνάρτηση με τη θερμοκρασία.CTE πάνω από το Tg είναι υψηλότερο από ό,τι κάτω από το Tg- για τα δείγματα αυτά είναι περίπου διπλάσιο. Φαίνεται ότι οι Συντελεστής γραμμικής θερμικής διαστολής (CLTE/CTE)Ο συντελεστής γραμμικής θερμικής διαστολής (CLTE) περιγράφει τη μεταβολή του μήκους ενός υλικού σε συνάρτηση με τη θερμοκρασία.CTE του δείγματος 3 είναι οι χαμηλότερες και το δείγμα 2 έχει τις υψηλότερες τιμές. Το δείγμα 1 βρίσκεται ενδιάμεσα. Η ίδια τάση μεταξύ των δειγμάτων παρατηρείται και στην Tg. Το δείγμα 2 - στο οποίο κυριαρχεί περισσότερο η συμπεριφορά της μήτρας σε σύγκριση με τα άλλα δείγματα - έχει την ίδια Tg των 143°C που αναφέρεται στο φύλλο δεδομένων (μετρήθηκε με DSC). Το δείγμα 1, για το οποίο η επίδραση της ίνας στο Συντελεστής γραμμικής θερμικής διαστολής (CLTE/CTE)Ο συντελεστής γραμμικής θερμικής διαστολής (CLTE) περιγράφει τη μεταβολή του μήκους ενός υλικού σε συνάρτηση με τη θερμοκρασία.CTE είναι μεγαλύτερη, έχει υψηλότερη Tg 152°C- αυτό υποδηλώνει την υψηλότερη ακαμψία που εισάγουν οι ίνες. Αυτό μπορεί να ανιχνευθεί σε μια ΤΜΑ, επειδή μετρά μια μηχανική απόκριση. Το δείγμα 3 κυριαρχείται έντονα από τις ίνες και, ως εκ τούτου, η Tg είναι ελάχιστα ορατή και δεν αναλύθηκε.
Συγκρίνοντας τις μετρήσεις στα τρία δείγματα με τις τιμές στο φύλλο δεδομένων, μπορεί να διαπιστωθεί ότι τα διαφορετικά πάχη των δειγμάτων και οι συνολικές γεωμετρίες οδηγούν πράγματι σε διαφορετικές τιμές Συντελεστής γραμμικής θερμικής διαστολής (CLTE/CTE)Ο συντελεστής γραμμικής θερμικής διαστολής (CLTE) περιγράφει τη μεταβολή του μήκους ενός υλικού σε συνάρτηση με τη θερμοκρασία.CTE. Η CTE στη διεύθυνση ροής είναι σε όλα τα δείγματα υψηλότερη από ό,τι στο φύλλο δεδομένων. Αυτό σημαίνει ότι είναι πολύ σημαντικό να λαμβάνονται τιμές CTE σε δείγματα παρόμοιου σχήματος και γεωμετρίας με αυτά του τελικού προϊόντος. Διαφορετικά, παράμετροι που είναι ουσιώδεις για το σχεδιασμό, όπως η συρρίκνωση ή η συμβατότητα μεταξύ των εταίρων σύνδεσης, θα υπερ- ή υπο-προβλέπονται.
Από τις μετρήσεις CTE καθώς και από τη θεωρία του προσανατολισμού των ινών στο πεδίο ροής, μπορεί να συναχθεί ο κυρίαρχος προσανατολισμός των ινών στα δείγματα- βλέπε σχήμα 3(β). Φαίνεται ότι λόγω της λεπτότητας των δειγμάτων, η επίδραση του παγωμένου στρώματος φαίνεται να είναι κυρίαρχη στα δείγματα 2 και 3. Η πλειονότητα των ινών είναι προσανατολισμένες στη διεύθυνση ροής x. Επομένως, το δείγμα 3 αποδίδει τις χαμηλότερες τιμές CTE (μέτρηση στη διεύθυνση ροής και στη διεύθυνση των ινών) και το δείγμα 2 τις υψηλότερες τιμές (μέτρηση κάθετα στη διεύθυνση ροής και στη διεύθυνση των ινών). Το δείγμα 1 βρίσκεται μεταξύ των δύο, επειδή το φαινόμενο της ροής της κρήνης εξακολουθεί να είναι το largest σε αυτή την περιοχή λόγω της εγγύτητάς του στην πύλη της μεμβράνης και του γεγονότος ότι ο εν λόγω προσανατολισμός των ινών ακολουθεί την κυκλική ροή στο μέτωπο του τήγματος.
Στον πίνακα 2 παρουσιάζεται μια σύνοψη των Tgsπου προέκυψαν.
Πίνακας 2: Σύνοψη των Tgsπου προέκυψαν
| Δείγμα 1 (κόκκινο) | Δείγμα 2 (μπλε) | Δείγμα 3 (πράσινο) | Φύλλο δεδομένων του κατασκευαστή | |
|---|---|---|---|---|
| Tg [°C] | 152 | 143 | - | 143 |
Περίληψη
Η μελέτη έδειξε τη σημασία της ανάλυσης του συντελεστή θερμικής διαστολής των πληρωμένων υλικών με βάση τον προσανατολισμό του πληρωτικού υλικού, ο οποίος επηρεάζεται από το πεδίο ροής κατά τη χύτευση με έγχυση.
Αναγνώριση
Θα θέλαμε να ευχαριστήσουμε την Neue Materialien Bayreuth GmbH για την παροχή των δειγμάτων.
Neue Materialien Bayreuth GmbH
Η Neue Materialien Bayreuth GmbH είναι μια μη ακαδημαϊκή εταιρείαarch που αναπτύσσει διάφορα νέα υλικά για ελαφρές κατασκευές, από πολυμερή και σύνθετα υλικά ενισχυμένα με ίνες έως μέταλλα, συμπεριλαμβανομένης και της επεξεργασίας. Παρέχει λύσεις προσανατολισμένες στην εφαρμογή, βελτιστοποιώντας τα διαθέσιμα υλικά και τις διαδικασίες παραγωγής(https://www.nmbgmbh.de/en/).