07.10.2020 by Dr. Natalie Rudolph
Mit árulnak el a TMA mérések a töltőanyag orientációjáról a fröccsöntés során?
A töltőanyagok régóta fontos szerepet játszanak a polimergyártó iparban. A hőtágulási együttható egy fontos tulajdonság, amellyel mérhető, hogy a töltött anyag hossza hogyan változik melegítés vagy hűtés közben. Ennek az anyagviselkedésnek az ismerete szükséges ahhoz, hogy fontos tervezési értékeket lehessen meghatározni. Ismerje meg, hogy az áramlási mező és a minta előkészítése hogyan befolyásolja a tulajdonságot, és nézze meg, hogyan történik a mérés a TMA 402 F3 Hyperion® Polimer Edition készülékkel.
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 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) fontos tulajdonsága annak mérésére, hogy a töltött anyag hossza hogyan változik melegítés vagy hűtés hatására. Az anyag ezen viselkedésének ismerete szükséges ahhoz, hogy meg lehessen határozni a tervezési értékeket, például a zsugorodást vagy a végtermék illesztési partnerei közötti kompatibilitást.
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 cikkek 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 szerszámban. Egy fóliakaput használtunk, hogy egyenletesebb áramlási frontot kapjunk, és csökkentsük a szálak törését, ami vékonyabb kapu esetén előfordulhat.
Hogyan folyik az olvadt anyag a formába?
Az 1. ábra a mintalemez vázlatos ábráját (a), valamint az alkatrész vastagságára vonatkozó sebességprofilt, továbbá az olvadékfronton a szökőkút áramlását (b) és az ebből eredő szálorientációt (c) mutatja.
A sebességgradiens miatt különböző erők és nyomatékok 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 elő és mérték meg a kísérlethez szükséges mintákat?
A NETZSCH Analizáló és Vizsgáló cégnél végzett TMA-mérésekhez a mintákat az 1. ábra a) pontja szerint vágták ki, hogy tanulmányozzák a szálak orientációjának hatását a hőtágulási együtthatóra. A várható domináns szálorientáció a mintákon (b) látható.
A mintákat az új TMA 402 F3 Hyperion®Polymer Edition készülékkel 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. Lineáris hőtágulási együttható (CLTE/CTE)A lineáris hőtágulási együttható (CLTE) az anyag hosszváltozását írja le a hőmérséklet függvényében.CTE) segítségével számoltuk ki, amely két adatpont közötti meredekséget számítja ki. Az összes mérési körülményt a következő táblázat foglalja össze:
Táblázat: Mérési feltételek
| Mintatartó | Tágulás, SiO2-ből |
| 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 az áramlási mezővel?
Az eredményeket a 3. ábra mutatja. 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, amelyet a többi mintához képest leginkább a mátrix viselkedése dominál, az adatlapon szereplő 143 °C-os Tg értékkel rendelkezik (DSC-vel mérve). Az 1. minta, amely a szálak nagyobb hatását mutatja a CTE-ben, magasabb, 152°C-os Tg-vel rendelkezik, ami 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.
2. táblázat: A kapott Tg
| Minta (piros) | Minta (kék) | Minta (zöld) | |
| 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 CTE mérésekből, valamint az áramlási mezőben lévő szálorientáció elméletéből következtetni lehet a minták domináns szálorientációjára, 1. b ábra. Látható, hogy a vékony minták miatt a 2. és 3. mintában a fagyott réteg hatása 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).
A tanulmány rámutatott a töltött anyagok hőtágulási együtthatójának a töltőanyag orientációja alapján történő elemzésének fontosságára, amelyet a fröccsöntés során az áramlási mező befolyásol.
A teljes alkalmazási közlemény a gyártó adatlapjának és az új TMA 402-es készülékkel végzett mérések összehasonlításával F3 Hyperion® Polimer kiadással itt érhető el !
A Neue Materialien Bayreuth GmbH-ról
ANeue Materialien Bayreuth GmbH egy nem akadémiai kutatóvállalat, amely különböző újszerű anyagokat fejleszt a könnyűszerkezetekhez, a polimerektől és a szálerősítésű kompozitoktól a fémekig, beleértve a feldolgozást is. A rendelkezésre álló anyagok és gyártási folyamatok optimalizálásával alkalmazásorientált megoldásokat kínálnak.
