07.10.2020 by Dr. Natalie Rudolph
射出成形におけるフィラーの配向についてTMA測定でわかること
充填材は、ポリマー製造業界において長い間重要な役割を果たしてきた。充填された材料が加熱または冷却されたときに長さがどのように変化するかを測定するための重要な特性は、熱膨張係数です。重要な設計値を決定するためには、この材料挙動に関する知識が必要です。流動場と試料調製が特性にどのような影響を与えるかを学び、TMA 402F3 Hyperion® Polymer Editionによる測定方法をご覧ください。
フィラーは、ポリマー製造業界において長い間重要な役割を果たしてきた。最初は材料の価格を下げるために加えられたが、今では主に他の利点のために使われている：フィラーは収縮率を下げたり、剛性を高めたり、時には外観を良くしたりすることができる。
充填材は収縮を減少させ、剛性を増加させ、時には外観を改善することができます。充填材が加熱または冷却されたときに長さがどのように変化するかを測定するための重要な特性は、熱膨張係数α、または線膨張係数線熱膨張係数（CLTE）は、温度の関数としての材料の長さの変化を表す。CTE（熱膨張係数）です。この材料挙動に関する知識は、最終製品の収縮率や接合相手間の適合性などの設計値を決定できるようにするために必要です。
しかし、線膨張係数線熱膨張係数（CLTE）は、温度の関数としての材料の長さの変化を表す。CTEは成形品中のフィラーの配向に敏感である。この配向は、材料が金型にどのように充填されるかを表す流動場に強く依存します。従って、成形品では線膨張係数線熱膨張係数（CLTE）は、温度の関数としての材料の長さの変化を表す。CTEが異なる値になることが予想されます。本論文の目的は、この仮定を調査することである。この研究のために、Neue Materialien Bayreuth社で、短炭素繊維40 vol%の低粘度PEEK樹脂を80 x 80 mm、厚さ2 mmの板状金型で射出成形した。より均一なフローフロントを得るためにフィルムゲートを使用し、より薄いゲートで発生する可能性のある繊維の破断を減少させた。
溶けた材料はどのように金型に流れ込むのですか？
図1には、試料プレートの概略図（a）、部品の厚さ方向の速度プロファイル、メルトフロントでの噴水の流れ（b）、およびその結果得られた繊維配向（c）が示されている。
速度勾配により、繊維には異なる力とモーメントが作用し、部品内で特徴的な繊維配向が生じる。パーツの中心部では、繊維は伸長流と横断流によって流れ方向に対して垂直に配向する。壁または凍結層ではせん断速度が大きいため、繊維は流れに平行に配向する。この高度に配向した層の厚さは、凍結層の厚さと流速プロファイルに依存する。
実験用の試料はどのように準備され、測定されたのですか？
NETZSCH Analyzing & TestingでのTMA測定では、熱膨張係数に及ぼす繊維配向の影響を調べるため、図1（a）に従って試料を切断した。予想される支配的な繊維配向は、試料（b）に描かれている。
試料は新しいTMA 402F3 Hyperion®Polymer Editionで測定した。最初の冷却ステップの後、5K/分の昇温速度で-70℃から300℃まで昇温した。熱膨張係数は、2点間の傾きを計算する平均線膨張係数線熱膨張係数（CLTE）は、温度の関数としての材料の長さの変化を表す。CTE分析（m. 線膨張係数線熱膨張係数（CLTE）は、温度の関数としての材料の長さの変化を表す。CTE）を用いて算出した。すべての測定条件を以下の表にまとめた：
表1：測定条件
| 試料ホルダー | エキスパンション、SiO2製 |
| 試料荷重 | 50 mN |
| 雰囲気 | N2 |
| ガス流量 | 50 ml/分 |
| 温度範囲 | -70...300℃、昇温速度5 K/分 |
熱膨張と流れ場の関係は？
結果を図3に示す。予想通り、Tg以上のCTEはTg以下よりも高く、これらの試料では約2倍である。試料3のCTEが最も低く、試料2の値が最も高いことがわかる。試料1はその中間です。試料間の同じ傾向はTgでも観察できます。他の試料に比べてマトリックスの挙動が最も支配的な試料2のTgは、データシートに記載されているのと同じ143℃です（DSCで測定）。CTEにおいて繊維の影響をより多く示す試料1のTgは152℃と高く、これは繊維によってより高い剛性が導入されていることを示しています。TMAは機械的応答を測定するため、これを検出することができる。試料3は繊維に強く支配されているため、Tgはほとんど見えず、分析は行われなかった。
表2：得られたTgのまとめ
| 試料1（赤） | 試料2（青） | 試料3（緑） | |
| 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 |
CTE測定と流動場における繊維配向の理論から、試料中の支配的な繊維配向を推論することができる（図1 b）。試料が薄いため、凍結層の影響が試料2と3で支配的であることがわかる。したがって、試料3が最も低いCTE（流れ方向と繊維方向の測定値）を示し、試料2が最も高い値（流れ方向と繊維方向に垂直な測定値）を示した。
この研究は、射出成形中の流動場の影響を受けるフィラーの方向に基づいて、充填材の熱膨張係数を分析することの重要性を示しました。
メーカーのデータシートと新しいTMA 402による測定値の比較を含むアプリケーションノート全文 F3 Hyperion®Polymer Editionはこちらからご覧いただけます！
ノイエ・マテリアリエン・バイロイト社について
ノイエ・マテリアリエン・バイロイト社は、ポリマーや繊維強化複合材料から金属まで、軽量構造用のさまざまな新素材を、加工も含めて開発している非学術的研究企業です。利用可能な材料や生産プロセスを最適化することで、用途に応じたソリューションを提供している。
