07.10.2020 by Dr. Natalie Rudolph
Qué pueden decir las mediciones de TMA sobre la orientación del relleno en el moldeo por inyección
Los materiales de relleno llevan mucho tiempo desempeñando un papel importante en la industria de fabricación de polímeros. Una propiedad importante para medir cómo cambia la longitud del material de relleno al calentarse o enfriarse es el coeficiente de expansión térmica. El conocimiento de este comportamiento del material es necesario para poder determinar valores de diseño importantes. Aprenda cómo el campo de flujo y la preparación de la muestra influyen en la propiedad y vea cómo se realizan las mediciones con el TMA 402 F3 Hyperion® Polymer Edition.
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.
Una propiedad importante para medir cómo cambia la longitud del material relleno al calentarse o enfriarse es el coeficiente de expansión térmica, α, o Coeficiente lineal de expansión térmica (CLTE/CTE)The coefficient of linear thermal expansion (CLTE) describes the length change of a material as a function of the temperature.CTE (coeficiente de expansión térmica). El conocimiento de este comportamiento del material es necesario para poder determinar valores de diseño como la contracción o la compatibilidad entre las piezas de unión del producto final.
Sin embargo, el CTE 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. El objetivo de este artículo es 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.
¿Cómo fluye el material fundido hacia el molde?
La figura 1 muestra un esquema de la placa de muestra (a), así como el perfil de velocidad a través del espesor de la pieza, así como el flujo de la fuente en el frente de fusión (b) y la orientación de la fibra resultante (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 y midieron las muestras para el experimento?
Para las mediciones de TMA en NETZSCH Analyzing & Testing, se cortaron muestras según la figura 1 (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 (b).
Las muestras se midieron con el nuevo TMA 402 F3 Hyperion®Polymer Edition. 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 siguiente tabla:
Tabla 1: Condiciones de medición
| Soporte de la muestra | Expansión, hecho 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 dilatación térmica con el campo de flujo?
Los resultados se muestran en la figura 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 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 que muestra más efecto de la fibra en el CTE tiene una Tg más alta de 152°C, lo que 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 lo tanto, la Tg es apenas visible y no se analizó.
Cuadro 2: Resumen de los Tg resultantes
| Muestra 1 (rojo) | Muestra 2 (azul) | Muestra 3 (verde) | |
| Tg [°C] | 152 | 143 | - |
| CTE < Tg [10-6 K-1] | 8.05 | 13.47 | 2.79 |
| CTE > Tg [10-6 K-1] | 19.92 | 29.56 | 4.65 |
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, Figura 1 b. Puede observarse que, debido a las delgadas muestras, el efecto de la capa congelada parece ser dominante en las muestras 2 y 3. La mayoría de las fibras están orientadas en la dirección de flujo x. Por tanto, la muestra 3 produce el CET más bajo (medición en el flujo y en la dirección de las fibras). 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).
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.
La nota de aplicación completa con una comparación de la hoja de datos del fabricante y las mediciones con el nuevo TMA 402 F3 Hyperion® Polymer Edition está disponible aquí
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 disponibles y los procesos de producción.
