Pendahuluan
Bahan pengisi telah lama memainkan peran penting dalam industri manufaktur polimer. Pertama kali ditambahkan untuk menurunkan harga bahan, sekarang bahan ini terutama digunakan untuk keuntungan lainnya: Bahan pengisi dapat mengurangi penyusutan, meningkatkan kekakuan, dan terkadang memperbaiki penampilan. Bahan pengisi diperkenalkan dengan tujuan untuk menciptakan sifat material baru yang tidak dimiliki oleh bahan matriks, seperti ketahanan api, atau meningkatkan sifat yang sudah ada seperti halnya serat.
Ketika mengukur bagaimana bahan yang diisi berubah panjangnya ketika dipanaskan atau didinginkan, sifat penting yang perlu dipertimbangkan adalah koefisien ekspansi termal, α, atau Koefisien Ekspansi Termal Linier (CLTE/CTE)Koefisien ekspansi termal linier (CLTE) menggambarkan perubahan panjang suatu bahan sebagai fungsi suhu. CTE (koefisien ekspansi termal). Pengetahuan tentang perilaku material dalam hal ini diperlukan untuk menentukan nilai yang sangat penting untuk desain, seperti penyusutan, untuk memastikan kompatibilitas antara mitra yang bergabung dalam produk akhir.
Namun, Koefisien Ekspansi Termal Linier (CLTE/CTE)Koefisien ekspansi termal linier (CLTE) menggambarkan perubahan panjang suatu bahan sebagai fungsi suhu. CTE sensitif terhadap orientasi filler pada bagian yang dicetak. Orientasi ini sangat bergantung pada bidang aliran, yang menggambarkan bagaimana material mengisi cetakan. Oleh karena itu, nilai yang berbeda untuk Koefisien Ekspansi Termal Linier (CLTE/CTE)Koefisien ekspansi termal linier (CLTE) menggambarkan perubahan panjang suatu bahan sebagai fungsi suhu. CTE diharapkan terjadi pada bagian yang dicetak. Artikel ini bertujuan untuk menyelidiki asumsi ini. Untuk penelitian ini, resin PEEK viskositas rendah dengan 40 vol% serat karbon pendek diinjeksikan ke dalam cetakan pelat berukuran 80 x 80 mm dan ketebalan 2 mm di Neue Materialien Bayreuth. Gerbang film digunakan untuk mendapatkan bagian depan aliran yang lebih seragam dan mengurangi kerusakan serat, yang dapat terjadi melalui gerbang yang lebih tipis. Bahan dikeringkan pada suhu 150°C selama 3 jam sebelum diinjeksikan ke dalam cetakan injeksi dengan Suhu Leleh dan EntalpiEntalpi fusi suatu zat, juga dikenal sebagai panas laten, adalah ukuran masukan energi, biasanya panas, yang diperlukan untuk mengubah suatu zat dari padat menjadi cair. Titik leleh suatu zat adalah suhu saat zat tersebut berubah wujud dari padat (kristal) menjadi cair (lelehan isotropik). suhu leleh 410°C ke dalam cetakan pada suhu 175°C.
Menurut lembar data, titik lelehnya adalah 343°C dan Suhu Transisi KacaTransisi gelas adalah salah satu sifat terpenting dari bahan amorf dan semi-kristal, misalnya, gelas anorganik, logam amorf, polimer, obat-obatan dan bahan makanan, dll., dan menggambarkan wilayah suhu di mana sifat mekanis bahan berubah dari keras dan rapuh menjadi lebih lunak, dapat diubah bentuknya atau kenyal.transisi kaca, Tg, pada 143°C. Viskositas leleh pada suhu 400°C serendah 300 Pas. Koefisien ekspansi termal, α, diberikan dalam tabel 2. Biasanya, pengukuran dari lembar data dilakukan pada spesimen uji dogbone yang biasanya dicetak dengan gerbang film juga. Spesimen ini memiliki ketebalan 4 mm dan panjang total 185 mm. Karena orientasi filler sangat bergantung pada medan aliran, kemungkinan orientasi filler yang dihasilkan akan berbeda pada cetakan dari Neue Materialien Bayreuth dibandingkan dengan cetakan yang digunakan untuk menentukan properti pada lembar data. Seperti yang telah disebutkan, koefisien muai panas sensitif terhadap orientasi pengisi, nilai yang berbeda untuk Koefisien Ekspansi Termal Linier (CLTE/CTE)Koefisien ekspansi termal linier (CLTE) menggambarkan perubahan panjang suatu bahan sebagai fungsi suhu. CTE diharapkan terjadi pada pelat dan lebih jauh lagi pada daerah yang berbeda pada pelat.
Bagaimana Bahan Cair Mengalir ke dalam Cetakan?
Gambar 2 menunjukkan skema pelat sampel (a); selanjutnya, menunjukkan profil kecepatan di seluruh ketebalan bagian serta aliran air mancur di bagian depan lelehan (b) dan orientasi serat yang dihasilkan (c). Karena gradien kecepatan, gaya dan momen yang berbeda bekerja pada serat dan menyebabkan orientasi serat yang khas di dalam bagian tersebut. Di bagian tengah bagian, serat diorientasikan tegak lurus terhadap arah aliran karena aliran ekstensional dan transversal. Karena laju geser yang tinggi pada dinding atau lapisan beku, serat disejajarkan sejajar dengan aliran. Ketebalan lapisan yang sangat berorientasi ini tergantung pada ketebalan lapisan beku dan profil kecepatan.
Bagaimana Sampel untuk Eksperimen Disiapkandan Diukur?
Untuk pengukuran TMA di NETZSCH Analyzing & Testing, sampel berukuran 25 x 5 mm dipotong dari berbagai wilayah pelat sesuai dengan Gambar 3(a) untuk mempelajari pengaruh orientasi serat terhadap koefisien muai panas. Orientasi serat dominan yang diharapkan digambarkan dalam sampel yang ditunjukkan pada Gambar 3(b). Sampel diukur dengan TMA 402 F3 Hyperion® Polymer Edition (gambar 1). Setelah langkah pendinginan awal, suhu dinaikkan dari -70 hingga 300°C pada laju pemanasan 5 K/menit. Koefisien ekspansi termal dihitung dengan menggunakan analisis Koefisien Ekspansi Termal Linier (CLTE/CTE)Koefisien ekspansi termal linier (CLTE) menggambarkan perubahan panjang suatu bahan sebagai fungsi suhu. CTE rata-rata (m. Koefisien Ekspansi Termal Linier (CLTE/CTE)Koefisien ekspansi termal linier (CLTE) menggambarkan perubahan panjang suatu bahan sebagai fungsi suhu. CTE), yang menghitung kemiringan antara dua titik data. Semua kondisi pengukuran dirangkum dalam tabel 1.
Tabel 1: Kondisi pengujian
| Tempat sampel | Pemuaian, terbuat dari SiO2 |
| Beban sampel | 50 mN |
| Atmosfer | N2 |
| Laju aliran gas | 50 ml / menit |
| Kisaran suhu | -70 ... 300°C pada laju pemanasan 5 K/menit |
Bagaimana Ekspansi Termal Berkorelasi dengan Bidang Aliran ?
Hasilnya ditunjukkan pada Gambar 4. Garis biru adalah sampel 2, garis merah sampel 1 dan garis hijau sampel 3. Seperti yang diharapkan, Koefisien Ekspansi Termal Linier (CLTE/CTE)Koefisien ekspansi termal linier (CLTE) menggambarkan perubahan panjang suatu bahan sebagai fungsi suhu. CTE di atas Tg lebih tinggi daripada di bawah Tg; untuk sampel-sampel ini sekitar dua kali lipat. Terlihat bahwa Koefisien Ekspansi Termal Linier (CLTE/CTE)Koefisien ekspansi termal linier (CLTE) menggambarkan perubahan panjang suatu bahan sebagai fungsi suhu. CTE sampel 3 adalah yang terendah dan sampel 2 memiliki nilai tertinggi. Sampel 1 berada di antara keduanya. Tren yang sama di antara sampel dapat diamati pada Tg. Sampel 2 - yang lebih didominasi oleh perilaku matriks dibandingkan dengan sampel lainnya - memiliki Tg yang sama yaitu 143°C seperti yang tercantum dalam lembar data (diukur dengan DSC). Sampel 1, yang mana efek serat dalam Koefisien Ekspansi Termal Linier (CLTE/CTE)Koefisien ekspansi termal linier (CLTE) menggambarkan perubahan panjang suatu bahan sebagai fungsi suhu. CTE lebih besar, memiliki Tg yang lebih tinggi yaitu 152°C; hal ini mengindikasikan kekakuan yang lebih tinggi yang disebabkan oleh serat. Hal ini dapat dideteksi dalam TMA, karena mengukur respons mekanis. Sampel 3 sangat didominasi oleh serat dan oleh karena itu, Tg hampir tidak terlihat dan tidak dianalisis.
Membandingkan pengukuran pada ketiga sampel dengan nilai pada lembar data, dapat dilihat bahwa perbedaan ketebalan sampel dan geometri keseluruhan memang menghasilkan nilai Koefisien Ekspansi Termal Linier (CLTE/CTE)Koefisien ekspansi termal linier (CLTE) menggambarkan perubahan panjang suatu bahan sebagai fungsi suhu. CTE yang berbeda. CTE pada arah aliran pada semua sampel lebih tinggi daripada pada lembar data. Ini berarti bahwa sangat penting untuk mendapatkan nilai CTE pada spesimen dengan bentuk dan geometri yang serupa dengan produk akhir. Jika tidak, parameter yang penting untuk desain seperti penyusutan atau kompatibilitas antara mitra penyambungan, akan menjadi terlalu tinggi atau terlalu rendah.
Dari pengukuran CTE serta teori orientasi serat dalam bidang aliran, orientasi serat yang dominan dalam sampel dapat disimpulkan; lihat gambar 3(b). Dapat dilihat bahwa karena tipisnya sampel, efek dari lapisan beku tampaknya dominan pada sampel 2 dan 3. Mayoritas serat berorientasi pada arah aliran x. Oleh karena itu, sampel 3 menghasilkan CTE terendah (pengukuran pada aliran dan arah serat) dan sampel 2 menghasilkan nilai tertinggi (pengukuran tegak lurus terhadap aliran dan arah serat). Sampel 1 berada di antara keduanya, karena efek aliran air mancur masih merupakan yang terbesar di area ini karena kedekatannya dengan gerbang film dan fakta bahwa orientasi serat mengikuti aliran melingkar di bagian depan lelehan.
Ringkasan Tgsyang dihasilkan disajikan dalam tabel 2.
Tabel 2: Ringkasan Tgsyang dihasilkan
| Sampel 1 (merah) | Sampel 2 (biru) | Sampel 3 (hijau) | Lembar data produsen | |
|---|---|---|---|---|
| Tg [°C] | 152 | 143 | - | 143 |
Ringkasan
Studi ini menunjukkan pentingnya menganalisis koefisien ekspansi termal bahan yang diisi berdasarkan orientasi pengisi, yang dipengaruhi oleh medan aliran selama pencetakan injeksi.
Ucapan terima kasih
Kami mengucapkan terima kasih kepada Neue Materialien Bayreuth GmbH yang telah menyediakan sampel.
Tentang Neue Materialien Bayreuth GmbH
Neue Materialien Bayreuth GmbH adalah perusahaan riset non-akademis yang mengembangkan berbagai material baru untuk konstruksi ringan, mulai dari polimer dan komposit yang diperkuat serat hingga logam, termasuk pengolahannya. Mereka menyediakan solusi berorientasi aplikasi dengan mengoptimalkan material yang tersedia dan proses produksi(https://www.nmbgmbh.de/en/).