Introducción
Los materiales de relleno llevan mucho tiempo desempeñando un papel importante en la industria de fabricación de polímeros. Primero se añadieron para reducir los precios de los materiales, pero ahora se utilizan principalmente por sus otras ventajas: Los rellenos pueden disminuir la contracción, aumentar la rigidez y, a veces, mejorar el aspecto. Se introducen con el objetivo de crear nuevas propiedades que no posee el material de la matriz, como la retardancia de la llama, o de mejorar las propiedades existentes, como en el caso de las fibras.
Al medir cómo cambia la longitud de un material relleno cuando se calienta o se enfría, una propiedad importante a tener en cuenta es el coeficiente de expansión térmica, α, o Coeficiente de dilatación térmica lineal (CLTE/CTE)El coeficiente de dilatación térmica lineal (CLTE) describe el cambio de longitud de un material en función de la temperatura.CTE (coeficiente de expansión térmica). Conocer el comportamiento de un material a este respecto es necesario para determinar valores cruciales para el diseño, como la contracción, con el fin de garantizar la compatibilidad entre las piezas de unión en un producto final.
Sin embargo, el CET es sensible a la orientación del relleno en la pieza moldeada. Esta orientación depende en gran medida del campo de flujo, que describe cómo el material llena el molde. Por lo tanto, cabe esperar diferentes valores del CET en la pieza moldeada. Este artículo pretende investigar esta hipótesis. Para este estudio, se moldeó por inyección una resina PEEK de baja viscosidad con un 40% de fibras cortas de carbono en un molde de placa de 80 x 80 mm y 2 mm de espesor en Neue Materialien Bayreuth. Se utilizó una compuerta de película para obtener un frente de flujo más uniforme y reducir la rotura de fibras, que podría producirse con una compuerta más fina. El material se secó a 150°C durante 3 h antes de moldearlo por inyección con una Temperaturas y entalpías de fusiónLa entalpía de fusión de una sustancia, también conocida como calor latente, es una medida del aporte de energía, normalmente calor, que es necesario para convertir una sustancia del estado sólido al líquido. El punto de fusión de una sustancia es la temperatura a la que cambia de estado sólido (cristalino) a líquido (fusión isotrópica).temperatura de fusión de 410°C en un molde a 175°C.
Según la ficha técnica, el Temperaturas y entalpías de fusiónLa entalpía de fusión de una sustancia, también conocida como calor latente, es una medida del aporte de energía, normalmente calor, que es necesario para convertir una sustancia del estado sólido al líquido. El punto de fusión de una sustancia es la temperatura a la que cambia de estado sólido (cristalino) a líquido (fusión isotrópica).punto de fusión se sitúa en 343°C y la transición vítrea, Tg, en 143°C. La viscosidad de fusión a 400°C es de 300 Pas. El coeficiente de dilatación térmica, α, figura en la tabla 2. Típicamente, las mediciones de la hoja de datos se realizan en una probeta dogbone que suele moldearse también con una puerta de película. Tiene un grosor de 4 mm y una longitud total de 185 mm. Dado que la orientación del relleno depende en gran medida del campo de flujo, es probable que la orientación resultante del relleno sea diferente en el molde de Neue Materialien Bayreuth que en el molde utilizado para determinar las propiedades de la hoja de datos. Como ya se ha mencionado, el coeficiente de dilatación térmica es sensible a la orientación del relleno, por lo que cabe esperar valores diferentes del coeficiente de dilatación térmica en la placa y, además, en diferentes regiones de la placa.
¿Cómo fluye el material fundido hacia el molde?
La figura 2 muestra un esquema de la placa de muestra (a); además, muestra el perfil de velocidad a lo largo del grosor de la pieza, así como el flujo de la fuente en el frente de fusión (b) y la orientación resultante de las fibras (c). Debido al gradiente de velocidad, diferentes fuerzas y momentos actúan sobre las fibras y conducen a una orientación característica de las fibras dentro de la pieza. En el centro de la pieza, las fibras se orientan perpendicularmente a la dirección del flujo debido al flujo extensional y transversal. Debido a las altas velocidades de cizallamiento en la pared o capa congelada, las fibras se alinean paralelas al flujo. El grosor de esta capa altamente orientada depende del grosor de la capa congelada y del perfil de velocidad.
¿Cómo se prepararon las muestras para el experimento?y ¿cómo se midieron?
Para las mediciones de TMA en NETZSCH Analyzing & Testing, se cortaron muestras de 25 x 5 mm de diferentes regiones de la placa según la figura 3(a) para estudiar el efecto de la orientación de las fibras en el coeficiente de dilatación térmica. La orientación dominante esperada de las fibras se representa en las muestras de la figura 3(b). Las muestras se midieron con el TMA 402 F3 Hyperion® Polymer Edition (figura 1). Tras un paso inicial de enfriamiento, se aumentó la temperatura de -70 a 300°C a una velocidad de calentamiento de 5 K/min. El coeficiente de dilatación térmica se calculó mediante el análisis del CET medio (CET m.), que calcula la pendiente entre dos puntos de datos. Todas las condiciones de medición se resumen en la tabla 1.
Cuadro 1: Condiciones de ensayo
| Soporte de la muestra | Expansión, de SiO2 |
| Carga de la muestra | 50 mN |
| Atmósfera | N2 |
| Caudal de gas | 50 ml/min |
| Rango de temperatura | -70 ... 300°C a una velocidad de calentamiento de 5 K/min |
¿Cómo se correlaciona la expansión térmica con el campo de flujo ?
Los resultados se muestran en la figura 4. La línea azul corresponde a la muestra 2, la línea roja a la muestra 1 y la línea verde a la muestra 3. Como era de esperar, el CET por encima de la Tg es mayor que por debajo de la Tg; para estas muestras es aproximadamente el doble. Se puede observar que los CET de la muestra 3 son los más bajos y la muestra 2 tiene los valores más altos. La muestra 1 se encuentra entre ambas. La misma tendencia entre las muestras se observa en la Tg. La muestra 2 - que está más dominada por el comportamiento de la matriz en comparación con las otras muestras - tiene la misma Tg de 143°C que aparece en la hoja de datos (medida con un DSC). La muestra 1, para la que el efecto de la fibra en el Coeficiente de dilatación térmica lineal (CLTE/CTE)El coeficiente de dilatación térmica lineal (CLTE) describe el cambio de longitud de un material en función de la temperatura.CTE es mayor, tiene una Tg más alta de 152°C; esto indica la mayor rigidez introducida por las fibras. Esto puede detectarse en un TMA, ya que mide una respuesta mecánica. La muestra 3 está fuertemente dominada por las fibras y, por tanto, la Tg apenas es visible y no se analizó.
Si se comparan las mediciones de las tres muestras con los valores de la hoja de datos, se observa que los distintos grosores y geometrías de las muestras dan lugar a valores de CET diferentes. El CET en la dirección de flujo es en todas las muestras superior al de la hoja de datos. Esto significa que es muy importante obtener valores de CET en muestras de forma y geometría similares a las del producto final. De lo contrario, los parámetros esenciales para el diseño, como la contracción o la compatibilidad entre las piezas de unión, se predecirán por exceso o por defecto.
A partir de las mediciones del CET, así como de la teoría de la orientación de las fibras en el campo de flujo, puede deducirse la orientación dominante de las fibras en las muestras; véase la figura 3(b). Puede observarse que, debido a la delgadez de las muestras, el efecto de la capa congelada parece ser dominante en las muestras 2 y 3. La mayoría de las fibras están orientadas hacia el exterior. La mayoría de las fibras están orientadas en la dirección del flujo x. Por lo tanto, la muestra 3 presenta el CET más bajo (medición en la dirección del flujo y de la fibra) y la muestra 2 los valores más altos (medición perpendicular a la dirección del flujo y de la fibra). La muestra 1 se encuentra entre las dos, porque el efecto de flujo de la fuente sigue siendo el mayor en esta zona debido a su proximidad a la puerta de la película y al hecho de que la orientación de la fibra sigue el flujo circular en el frente de fusión.
En la tabla 2 se presenta un resumen de las Tgsresultantes.
Cuadro 2: Resumen de los Tgsresultantes
| Muestra 1 (rojo) | Muestra 2 (azul) | Muestra 3 (verde) | Hoja de datos del fabricante | |
|---|---|---|---|---|
| Tg [°C] | 152 | 143 | - | 143 |
Resumen
El estudio demostró la importancia de analizar el coeficiente de expansión térmica de los materiales rellenos en función de la orientación del relleno, que se ve influida por el campo de flujo durante el moldeo por inyección.
Agradecimiento
Agradecemos a Neue Materialien Bayreuth GmbH la cesión de las muestras.
Acerca de Neue Materialien Bayreuth GmbH
Neue Materialien Bayreuth GmbH es una empresa de investigación no académica que desarrolla diversos materiales novedosos para construcciones ligeras, desde polímeros y compuestos reforzados con fibras hasta metales, incluido también su procesamiento. Proporcionan soluciones orientadas a la aplicación optimizando los materiales y procesos de producción disponibles(https://www.nmbgmbh.de/en/).