| Published: 

TMA 측정으로 사출 성형에서 필러 방향에 대해 알 수 있는 것들

소개

필러는 폴리머 제조 산업에서 오랫동안 중요한 역할을 해왔습니다. 처음에는 재료의 가격을 낮추기 위해 추가되었지만 지금은 주로 다른 장점 때문에 사용됩니다: 필러는 수축을 줄이고, 강성을 높이며, 때로는 외관을 개선할 수 있습니다. 필러는 난연성과 같이 매트릭스 소재가 가지고 있지 않은 새로운 소재 특성을 만들거나 섬유의 경우처럼 기존 특성을 향상시키기 위한 목적으로 도입됩니다.

가열 또는 냉각 시 충전된 재료의 길이 변화를 측정할 때 고려해야 할 중요한 속성은 열팽창 계수, α 또는 CTE(열팽창 계수)입니다. 최종 제품의 접합 파트너 간의 호환성을 보장하기 위해 수축과 같이 설계에 중요한 값을 결정하려면 이와 관련된 재료의 거동에 대한 지식이 필요합니다.

그러나 CTE는 성형된 부품의 필러 방향에 민감합니다. 이 방향은 재료가 금형을 채우는 방식을 설명하는 흐름 필드에 따라 크게 달라집니다. 따라서 성형된 부품에 따라 CTE 값이 달라질 수 있습니다. 이 기사에서는 이 가정을 조사하는 것을 목표로 합니다. 이 연구를 위해 노이에 머티리얼리엔 바이로이트에서 40 vol% 단탄소 섬유가 포함된 저점도 PEEK 수지를 80 x 80 mm, 2mm 두께의 플레이트 몰드에 사출 성형했습니다. 보다 균일한 흐름 전면을 확보하고 더 얇은 게이트에서 발생할 수 있는 섬유 파손을 줄이기 위해 필름 게이트를 사용했습니다. 소재를 150°C에서 3시간 동안 건조시킨 후 용융 온도 410°C의 금형에 175°C로 사출 성형했습니다.

1) TMA 402 F3 Hyperion® 폴리머 에디션 및 오른쪽의 익스팬션 모드에서 측정할 수 있는 샘플 홀더

데이터 시트에 따르면 녹는점은 343°C이고 유리 전이 온도인 Tg는 143°C입니다. 400°C에서 용융 점도는 300 Pas로 낮습니다. 열팽창 계수 α는 표 2에 나와 있습니다. 일반적으로 데이터 시트의 측정은 일반적으로 필름 게이트와 함께 성형된 도그본 테스트 시편에서 수행됩니다. 두께는 4mm, 총 길이는 185mm입니다. 필러 방향은 유동장에 크게 의존하기 때문에 데이터 시트의 특성을 결정하는 데 사용된 금형과 노이에 머티리얼리엔 바이로이트의 금형에서 결과 필러 방향이 다를 수 있습니다. 이미 언급했듯이 열팽창 계수는 필러 방향에 민감하며, 플레이트와 플레이트의 다른 영역에서 다른 CTE 값이 예상됩니다.

용융된 재료는 어떻게 금형으로 흘러 들어가나요?

그림 2는 샘플 플레이트의 개략도(a)와 부품 두께에 걸친 속도 프로파일, 용융 전면에서의 분수 흐름(b) 및 그 결과 섬유 방향(c)을 보여줍니다. 속도 구배로 인해 다양한 힘과 모멘트가 파이버에 작용하여 부품 내에서 특징적인 파이버 방향이 형성됩니다. 부품의 중앙에서 섬유는 신장 및 횡방향 흐름으로 인해 흐름 방향에 수직으로 배향됩니다. 벽 또는 동결 층의 높은 전단 속도로 인해 섬유는 흐름과 평행하게 정렬됩니다. 이 고도로 배향된 층의 두께는 동결 층 두께와 속도 프로파일에 따라 달라집니다.

2) a) 부품에 사용된 좌표계, b) 폴리머의 속도 프로파일 및 분수 흐름 효과의 개략도 c) 부품 두께에 따른 결과 섬유 방향
3) a) 샘플 추출 위치, b) 우세한 섬유 방향

실험을 위한 샘플은 어떻게 준비되었나요그리고 측정되었나요?

NETZSCH 분석 및 테스트에서 TMA 측정을 위해, 섬유 방향이 열팽창 계수에 미치는 영향을 연구하기 위해 그림 3(a)에 따라 플레이트의 여러 영역에서 25 x 5mm의 샘플을 절단했습니다. 예상되는 우세한 섬유 방향은 3(b)에 표시된 샘플에 나와 있습니다. 샘플은 TMA 402 F3 Hyperion® 폴리머 에디션으로 측정했습니다(그림 1). 초기 냉각 단계 후, 온도를 -70°C에서 300°C로 5K/min의 가열 속도로 증가시켰습니다. 열팽창 계수는 두 데이터 포인트 사이의 기울기를 계산하는 평균 CTE 분석(m. CTE)을 사용하여 계산했습니다. 모든 측정 조건은 표 1에 요약되어 있습니다.

표 1: 테스트 조건

샘플 홀더확장, SiO2로 제작
샘플 부하50mN
대기N2
가스 유량50 ml/min
온도 범위-70 ... 300°C(5K/min의 가열 속도에서 300°C)
4) 다른 부품 위치에서 짧은 탄소 섬유를 사용한 PEEK의 TMA 측정 결과; 샘플 1 = 빨간색, 샘플 2 = 파란색, 샘플 3 = 녹색 해당 섬유 방향은 그림 3b 참조)

열팽창은 흐름 필드와 어떤 관련이 있나요?

결과는 그림 4에 나와 있습니다. 파란색 선은 샘플 2, 빨간색 선은 샘플 1, 녹색 선은 샘플 3입니다. 예상대로 Tg 위쪽의 CTE가 Tg 아래쪽보다 높으며, 이 샘플의 경우 약 2배 정도입니다. 샘플 3의 CTE가 가장 낮고 샘플 2의 값이 가장 높다는 것을 알 수 있습니다. 샘플 1은 그 사이에 있습니다. Tg에서도 샘플 간에 동일한 추세를 관찰할 수 있습니다. 다른 샘플에 비해 매트릭스 거동에 의해 더 많이 지배되는 샘플 2는 데이터시트에 나열된 것과 동일한 143°C의 Tg를 가집니다(DSC로 측정). CTE에서 섬유의 영향이 더 큰 샘플 1은 152°C의 더 높은 Tg를 나타내며, 이는 섬유에 의해 더 높은 강성이 도입되었음을 나타냅니다. 이는 기계적 반응을 측정하기 때문에 TMA에서 감지할 수 있습니다. 샘플 3은 섬유에 의해 강하게 지배되므로 Tg가 거의 보이지 않아 분석되지 않았습니다.

세 샘플의 측정값을 데이터시트의 값과 비교하면, 샘플 두께와 전체 형상이 서로 다르기 때문에 실제로 다른 CTE 값이 나온다는 것을 알 수 있습니다. 흐름 방향의 CTE는 모든 샘플에서 데이터시트보다 높습니다. 이는 최종 제품과 유사한 모양과 기하학적 구조를 가진 시료에서 CTE 값을 얻는 것이 매우 중요하다는 것을 의미합니다. 그렇지 않으면 수축이나 접합 파트너 간의 호환성 등 설계에 필수적인 파라미터가 과대 또는 과소 예측될 수 있습니다.

유동장에서의 섬유 방향에 대한 이론뿐만 아니라 CTE 측정으로부터 샘플에서 지배적인 섬유 방향을 추론할 수 있습니다(그림 3(b) 참조). 샘플의 두께가 얇기 때문에 샘플 2와 3에서는 동결 층의 영향이 지배적인 것으로 보입니다. 따라서 샘플 3이 가장 낮은 CTE(흐름 및 섬유 방향 측정)를, 샘플 2가 가장 높은 값(흐름 및 섬유 방향에 수직인 측정)을 산출합니다. 샘플 1은 이 둘의 중간에 위치하는데, 이는 이 영역에서 분수 흐름 효과가 필름 게이트에 근접하고 섬유 방향이 용융 전면의 원형 흐름을 따르기 때문에 여전히 가장 크기 때문입니다.

결과 Tgs의요약은 표 2에 나와 있습니다.

표 2: 결과 Tgs요약

샘플 1(빨간색)샘플 2(파란색)샘플 3(녹색)제조업체 데이터시트
Tg [°C]152143-143

요약

이 연구는 사출 성형 시 유동장의 영향을 받는 충전재 방향에 따른 충전재의 열팽창 계수를 분석하는 것이 중요하다는 것을 보여주었습니다.

인정

샘플을 제공해 주신 Neue Materialien Bayreuth GmbH에 감사의 말씀을 드립니다.

노이에 머티리얼리엔 바이로이트 GmbH 소개

노이에 머티리얼리엔 바이로이트 GmbH는 폴리머와 섬유 강화 복합재부터 금속까지 다양한 경량 건축용 신소재를 개발하는 비학술 연구 회사로, 가공도 함께 진행하고 있습니다. 사용 가능한 재료와 생산 공정을 최적화하여 애플리케이션 중심의 솔루션을 제공합니다(https://www.nmbgmbh.de/en/).