Bevezetés
A töltőanyagok régóta fontos szerepet játszanak a polimergyártó iparban. Először az anyagárak csökkentése érdekében adták hozzá, de ma már főként egyéb előnyeik miatt használják őket: A töltőanyagok csökkenthetik a zsugorodást, növelhetik a merevséget és néha javíthatják a megjelenést. A töltőanyagokat vagy azzal a céllal alkalmazzák, hogy olyan új anyagtulajdonságokat hozzanak létre, amelyekkel a mátrixanyag nem rendelkezik, mint például az égésgátlás, vagy hogy javítsák a meglévő tulajdonságokat, mint a szálak esetében.
Annak mérésekor, hogy a töltött anyag hossza hogyan változik melegítés vagy hűtés hatására, fontos tulajdonság, amelyet figyelembe kell venni, a hőtágulási együttható, α vagy Lineáris hőtágulási együttható (CLTE/CTE)A lineáris hőtágulási együttható (CLTE) az anyag hosszváltozását írja le a hőmérséklet függvényében.CTE (hőtágulási együttható). Az anyag ilyen irányú viselkedésének ismerete szükséges a tervezés szempontjából döntő fontosságú értékek, például a zsugorodás meghatározásához, hogy a végtermékben az illesztési partnerek közötti kompatibilitást biztosítani lehessen.
A Lineáris hőtágulási együttható (CLTE/CTE)A lineáris hőtágulási együttható (CLTE) az anyag hosszváltozását írja le a hőmérséklet függvényében.CTE azonban érzékeny a töltőanyag irányultságára az öntött alkatrészben. Ez az orientáció erősen függ az áramlási mezőtől, amely leírja, hogy az anyag hogyan tölti ki a formát. Ezért a Lineáris hőtágulási együttható (CLTE/CTE)A lineáris hőtágulási együttható (CLTE) az anyag hosszváltozását írja le a hőmérséklet függvényében.CTE különböző értékei várhatóak az öntött alkatrészben. E cikk célja ennek a feltételezésnek a vizsgálata. A vizsgálathoz a Neue Materialien Bayreuth vállalatnál egy alacsony viszkozitású PEEK gyantát 40 térfogatszázalék rövid szénszálakkal fröccsöntöttek egy 80 x 80 mm-es és 2 mm vastagságú lemezes szerszámba. Egy fóliakaput használtak, hogy egyenletesebb áramlási frontot érjenek el, és csökkentsék a szálak törését, ami vékonyabb kapu esetén előfordulhat. Az anyagot 150°C-on 3 órán keresztül szárították, mielőtt 410°C-os olvadékhőmérsékletű fröccsöntéssel 175°C-os szerszámba öntötték.
Az adatlap szerint az Olvadási hőmérsékletek és EnthalpiákEgy anyag fúziós entalpiája, más néven látens hő, annak az energiabevitelnek, jellemzően hőnek a mértéke, amely ahhoz szükséges, hogy egy anyag szilárd állapotból folyékony állapotba kerüljön. Egy anyag olvadáspontja az a hőmérséklet, amelyen szilárd (kristályos) állapotból folyékony (izotróp olvadék) állapotot vált.olvadáspont 343°C, az üvegesedési átmenet, Tg, pedig 143°C. Az olvadék viszkozitása 400°C-on mindössze 300 Pas. A hőtágulási együtthatót, α-t, a 2. táblázat tartalmazza. Jellemzően az adatlapon szereplő méréseket dogbone próbadarabon végzik, amelyeket jellemzően filmkapuval is öntik. Ennek vastagsága 4 mm, teljes hossza pedig 185 mm. Mivel a töltőanyag orientációja erősen függ az áramlási mezőtől, valószínű, hogy a Neue Materialien Bayreuthból származó szerszámban a kapott töltőanyag orientációja más lesz, mint az adatlapon szereplő tulajdonságok meghatározásához használt szerszámban. Mint már említettük, a hőtágulási együttható érzékeny a töltőanyag orientációjára, a Lineáris hőtágulási együttható (CLTE/CTE)A lineáris hőtágulási együttható (CLTE) az anyag hosszváltozását írja le a hőmérséklet függvényében.CTE-re vonatkozóan eltérő értékek várhatók a lemezben, továbbá a lemez különböző régióiban.
Hogyan folyik az olvadt anyag a formába?
A 2. ábra a mintalemez vázlatos ábráját mutatja (a); továbbá az alkatrész vastagságára vonatkozó sebességprofilt, valamint az olvadékfronton a szökőkút áramlását (b) és az ebből eredő szálorientációt (c). A sebességgradiens miatt különböző erők és momentumok hatnak a szálakra, és ezek jellegzetes szálorientációt eredményeznek az alkatrészen belül. Az alkatrész közepén a szálak az extenziós és a keresztirányú áramlás miatt az áramlás irányára merőlegesen orientálódnak. A falnál vagy a fagyott rétegnél a nagy nyírási sebességek miatt a szálak az áramlással párhuzamosan igazodnak. Ennek az erősen orientált rétegnek a vastagsága a fagyott réteg vastagságától és a sebességprofiltól függ.
Hogyan készítették el a kísérlethez szükséges mintákatés hogyan mérték meg?
A TMA-mérésekhez a NETZSCH Analyzing & Testing címen 25 x 5 mm-es mintákat vágtak ki a lemez különböző régióiból a 3. ábra a) pontjának megfelelően, hogy tanulmányozzák a szálak orientációjának hatását a hőtágulási együtthatóra. A 3(b) ábrán látható mintákon a várható domináns szálorientáció látható. A mintákat a TMA 402 F3 Hyperion® polimerkiadással (1. ábra) mértük. Egy kezdeti hűtési lépés után a hőmérsékletet -70 °C-ról 300 °C-ra növeltük 5 K/perc fűtési sebességgel. A hőtágulási együtthatót az átlagos Lineáris hőtágulási együttható (CLTE/CTE)A lineáris hőtágulási együttható (CLTE) az anyag hosszváltozását írja le a hőmérséklet függvényében.CTE-elemzés (m. CTE) segítségével számoltuk ki, amely két adatpont közötti meredekséget számítja ki. Az összes mérési körülményt az 1. táblázat foglalja össze.
Táblázat: Vizsgálati feltételek
| Mintatartó | SiO2-ből készült tágulás |
| A minta terhelése | 50 mN |
| Atmoszféra | N2 |
| Gázáramlás | 50 ml/perc |
| Hőmérséklet-tartomány | -70 ... 300°C 5 K/perc fűtési sebességgel |
Hogyan korrelál a hőtágulás a áramlási mezővel?
Az eredményeket a 4. ábra mutatja. A kék vonal a 2. minta, a piros vonal az 1. minta, a zöld vonal pedig a 3. minta. A várakozásoknak megfelelően a CTE a Tg felett magasabb, mint a Tg alatt; ezeknél a mintáknál körülbelül a duplája. Látható, hogy a 3. minta CTE értékei a legalacsonyabbak, a 2. minta értékei pedig a legmagasabbak. Az 1. minta a kettő között helyezkedik el. Ugyanez a tendencia figyelhető meg a minták között a Tg-nél is. A 2. minta - amelyben a többi mintához képest jobban dominál a mátrix viselkedése - Tg-je az adatlapon szereplő 143 °C (DSC-vel mérve). Az 1. minta, amelynél a szálak hatása a CTE-ben nagyobb, magasabb, 152°C-os Tg-vel rendelkezik; ez a szálak által bevezetett nagyobb merevséget jelzi. Ez kimutatható egy TMA-val, mivel az mechanikai választ mér. A 3. mintát erősen uralják a szálak, ezért a Tg alig látható, és nem elemeztük.
A három mintán végzett méréseket az adatlapon szereplő értékekkel összehasonlítva látható, hogy az eltérő mintavastagságok és az eltérő teljes geometria valóban eltérő CTE-értékeket eredményez. A CTE az áramlás irányában minden mintában magasabb, mint az adatlapon. Ez azt jelenti, hogy nagyon fontos, hogy a CTE-értékeket a végtermékhez hasonló alakú és geometriájú mintákon kapjuk meg. Ellenkező esetben a tervezés szempontjából lényeges paraméterek, mint például a zsugorodás vagy az illesztési partnerek közötti kompatibilitás, túl- vagy alulbecslésre kerülnek.
A CTE-mérésekből, valamint az áramlási mezőben lévő szálorientáció elméletéből következtetni lehet a minták domináns szálorientációjára; lásd a 3. b) ábrát. Látható, hogy a minták vékonysága miatt a fagyott réteg hatása a 2. és 3. mintában dominánsnak tűnik. A szálak többsége az x áramlási irányban orientálódik. Ezért a 3. minta adja a legalacsonyabb CTE-értékeket (áramlási és szálirányú mérés), a 2. minta pedig a legmagasabb értékeket (áramlási és szálirányra merőleges mérés). Az 1. minta a kettő között helyezkedik el, mivel a szökőkút áramlási hatása még mindig ezen a területen a legnagyobb a filmkapuhoz való közelsége miatt, valamint azért, mert ez a szálorientáció követi a körkörös áramlást az olvadékfronton.
A kapott Tgs-ekösszefoglalása a 2. táblázatban látható.
2. táblázat: Az eredményül kapott Tgsösszefoglalása
| Minta (piros) | Minta (kék) | Minta (zöld) | A gyártó adatlapja | |
|---|---|---|---|---|
| Tg [°C] | 152 | 143 | - | 143 |
Összefoglaló
A tanulmány rámutatott a töltött anyagok hőtágulási együtthatójának a töltőanyag orientációja alapján történő elemzésének fontosságára, amelyet a fröccsöntés során az áramlási mező befolyásol.
Visszaigazolás
Szeretnénk köszönetet mondani a Neue Materialien Bayreuth GmbH-nak a minták biztosításáért.
A Neue Materialien Bayreuth GmbH-ról
A Neue Materialien Bayreuth GmbH egy nem akadémiai kutatóvállalat, amely különböző újszerű anyagokat fejleszt a könnyűszerkezetes szerkezetekhez, a polimerektől és a szálerősítésű kompozitoktól a fémekig, beleértve a feldolgozást is. A rendelkezésre álló anyagok és gyártási folyamatok optimalizálásával alkalmazásorientált megoldásokat kínálnak(https://www.nmbgmbh.de/en/).