07.10.2020 by Dr. Natalie Rudolph
Ce que les mesures TMA peuvent révéler sur l'orientation de la charge dans le moulage par injection
Les charges jouent depuis longtemps un rôle important dans l'industrie de fabrication des polymères. Le coefficient de dilatation thermique est une propriété importante qui permet de mesurer la façon dont le matériau chargé change de longueur lorsqu'il est chauffé ou refroidi. Il est nécessaire de connaître le comportement de ce matériau pour pouvoir déterminer des valeurs de conception importantes. Apprenez comment le champ d'écoulement et la préparation de l'échantillon influencent la propriété et voyez comment les mesures sont effectuées avec le TMA 402 F3 Hyperion® Polymer Edition.
Les charges jouent depuis longtemps un rôle important dans l'industrie de fabrication des polymères. D'abord ajoutées pour réduire le prix des matériaux, elles sont aujourd'hui principalement utilisées pour leurs autres avantages : Les charges peuvent diminuer le retrait, augmenter la rigidité et parfois améliorer l'apparence.
Le coefficient de dilatation thermique, α, ou Coefficient d'Expansion Thermique Linéaire (CLTE/CTE)The coefficient of linear thermal expansion (CLTE) describes the length change of a material as a function of the temperature.CTE (coefficient de dilatation thermique) est une propriété importante qui permet de mesurer la façon dont le matériau chargé change de longueur lorsqu'il est chauffé ou refroidi. La connaissance de ce comportement du matériau est nécessaire pour pouvoir déterminer les valeurs de conception telles que le retrait ou la compatibilité entre les partenaires d'assemblage du produit final.
Cependant, le CTE est sensible à l'orientation de la charge dans la pièce moulée. Cette orientation dépend fortement du champ d'écoulement, qui décrit la manière dont le matériau remplit le moule. Par conséquent, on peut s'attendre à des valeurs différentes pour l'ECU dans la pièce moulée. Cet article a pour but d'étudier cette hypothèse. Pour cette étude, une résine PEEK à faible viscosité contenant 40 % de fibres de carbone courtes a été moulée par injection dans un moule à plaque de 80 x 80 mm et de 2 mm d'épaisseur chez Neue Materialien Bayreuth. Une porte en film a été utilisée pour obtenir un front d'écoulement plus uniforme et réduire la rupture des fibres, qui pourrait se produire avec une porte plus fine.
Comment la matière en fusion s'écoule-t-elle dans le moule ?
La figure 1 montre un schéma de la plaque d'échantillonnage (a) ainsi que le profil de vitesse à travers l'épaisseur de la pièce, le flux de fontaine au niveau du front de Températures et enthalpies de fusionL'enthalpie de fusion d'une substance, également connue sous le nom de chaleur latente, est une mesure de l'apport d'énergie, généralement de la chaleur, nécessaire pour convertir une substance de l'état solide à l'état liquide. Le point de fusion d'une substance est la température à laquelle elle passe de l'état solide (cristallin) à l'état liquide (fusion isotrope). fusion (b) et l'orientation des fibres qui en résulte (c).
En raison du gradient de vitesse, différentes forces et différents moments agissent sur les fibres et conduisent à une orientation caractéristique des fibres à l'intérieur de la pièce. Au centre de la pièce, les fibres sont orientées perpendiculairement à la direction de l'écoulement en raison de l'extension et de l'écoulement transversal. En raison des taux de cisaillement élevés au niveau de la paroi ou de la couche gelée, les fibres sont alignées parallèlement à l'écoulement. L'épaisseur de cette couche fortement orientée dépend de l'épaisseur de la couche gelée et du profil de vitesse.
Comment les échantillons de l'expérience ont-ils été préparés et mesurés ?
Pour les mesures TMA à NETZSCH Analyzing & Testing, les échantillons ont été coupés selon la figure 1 (a) afin d'étudier l'effet de l'orientation des fibres sur le coefficient de dilatation thermique. L'orientation dominante attendue des fibres est représentée sur les échantillons (b).
Les échantillons ont été mesurés avec le nouveau TMA 402 F3 Hyperion®Polymer Edition. Après une étape initiale de refroidissement, la température a été augmentée de -70 à 300°C à une vitesse de chauffage de 5 K/min. Le coefficient de dilatation thermique a été calculé à l'aide de l'analyse CTE moyenne (m. CTE), qui calcule la pente entre deux points de données. Toutes les conditions de mesure sont résumées dans le tableau suivant :
Tableau 1 : Conditions de mesure
| Porte-échantillon | Expansion, en SiO2 |
| Charge sur l'échantillon | 50 mN |
| Atmosphère | N2 |
| Débit de gaz | 50 ml/min |
| Plage de température | -70...300°C à une vitesse de chauffage de 5 K/min |
Quelle est la corrélation entre la dilatation thermique et le champ d'écoulement ?
Les résultats sont présentés dans la figure 3. Comme prévu, l'ETC au-dessus de la Tg est plus élevé qu'en dessous de la Tg; pour ces échantillons, il est environ le double. On peut voir que les ETC de l'échantillon 3 sont les plus bas et que l'échantillon 2 a les valeurs les plus élevées. L'échantillon 1 se situe entre les deux. La même tendance entre les échantillons est observable dans le Tg. L'échantillon 2, qui est le plus dominé par le comportement de la matrice par rapport aux autres échantillons, a la même Tg de 143°C que celle indiquée dans la fiche technique (mesurée à l'aide d'un DSC). L'échantillon 1 qui montre plus d'effet de la fibre dans le CTE a une Tg plus élevée de 152°C, ce qui indique la rigidité plus élevée introduite par les fibres. Ceci peut être détecté par un TMA, car il mesure une réponse mécanique. L'échantillon 3 est fortement dominé par les fibres et, par conséquent, la Tg est à peine visible et n'a pas été analysée.
Tableau 2 : Résumé des Tg obtenus
| Échantillon 1 (rouge) | Échantillon 2 (bleu) | Échantillon 3 (vert) | |
| 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 des mesures de CTE et de la théorie de l'orientation des fibres dans le champ d'écoulement, l'orientation dominante des fibres dans les échantillons peut être déduite, Figure 1 b. On peut voir qu'en raison de la minceur des échantillons, l'effet de la couche gelée semble être dominant dans les échantillons 2 et 3. La majorité des fibres sont orientées dans le sens de l'écoulement x. Par conséquent, l'échantillon 3 donne le CTE le plus bas (mesure dans le sens de l'écoulement et dans le sens des fibres) et l'échantillon 2 les valeurs les plus élevées (mesure perpendiculaire au sens de l'écoulement et des fibres).
L'étude a montré l'importance d'analyser le coefficient de dilatation thermique des matériaux chargés en fonction de l'orientation de la charge, qui est influencée par le champ d'écoulement pendant le moulage par injection.
La note d'application complète avec une comparaison entre la fiche technique du fabricant et les mesures effectuées avec le nouveau TMA 402 F3 Hyperion® Polymer Edition est disponible ici !
À propos de Neue Materialien Bayreuth GmbH
Neue Materialien Bayreuth GmbH est une société de recherche non universitaire qui développe divers matériaux nouveaux pour les constructions légères, depuis les polymères et les composites renforcés de fibres jusqu'aux métaux, y compris leur traitement. Elle fournit des solutions orientées vers les applications en optimisant les matériaux disponibles et les processus de production.
