07.10.2020 by Dr. Natalie Rudolph

TMA 측정으로 사출 성형에서 필러 오리엔테이션에 대해 알 수 있는 것들

필러는 폴리머 제조 산업에서 오랫동안 중요한 역할을 해왔습니다. 가열 또는 냉각 시 충진된 재료의 길이 변화를 측정하는 중요한 속성은 열팽창 계수입니다. 중요한 설계 값을 결정하려면 이 재료 거동에 대한 지식이 필요합니다. 흐름 필드와 시료 준비가 물성에 어떤 영향을 미치는지 알아보고 TMA 402 F3 Hyperion® 폴리머 에디션으로 측정하는 방법을 확인하세요.

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.

가열 또는 냉각될 때 충전된 재료의 길이 변화를 측정하는 중요한 속성은 열팽창 계수인 α 또는 CTE(열팽창 계수)입니다. 이 재료 거동에 대한 지식은 최종 제품의 수축 또는 결합 파트너 간의 호환성과 같은 설계 값을 결정할 수 있는 데 필요합니다.

그러나 CTE는 성형 부품에서 필러의 방향에 민감합니다. 이 방향은 재료가 금형을 채우는 방식을 설명하는 흐름 필드에 크게 좌우됩니다. 따라서 성형된 부품에서 다른 CTE 값이 예상됩니다. 이 기사에서는 이 가정을 조사하는 것을 목표로 합니다. 이 연구를 위해 노이에 머티리얼리엔 바이로이트의 80 x 80 mm, 2mm 두께의 플레이트 몰드에 40 vol% 단탄소 섬유가 포함된 저점도 PEEK 수지를 사출 성형했습니다. 보다 균일한 흐름 전면을 확보하고 더 얇은 게이트에서 발생할 수 있는 섬유 파손을 줄이기 위해 필름 게이트를 사용했습니다.

용융된 재료는 어떻게 금형으로 흘러 들어가나요?

그림 1은 샘플 플레이트의 개략도(a)와 부품 두께에 걸친 속도 프로파일, 용융 전면에서의 분수 흐름(b) 및 결과물인 섬유 방향(c)을 보여줍니다.

그림 1: a) 부품에 사용된 좌표계, b) 폴리머의 속도 프로파일 및 분수 흐름 효과의 모식도, c) 부품 두께에 따른 필러 방향 결과

속도 구배로 인해 다양한 힘과 모멘트가 섬유에 작용하여 부품 내에서 특징적인 섬유 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.

실험을 위한 샘플은 어떻게 준비하고 측정했나요?

NETZSCH 분석 및 테스트에서 TMA 측정의 경우, 섬유 방향이 열팽창 계수에 미치는 영향을 연구하기 위해 그림 1(a)에 따라 샘플을 절단했습니다. 예상되는 우세한 섬유 방향이 샘플 (b)에 표시되어 있습니다.

그림 2: a) 샘플 추출 위치, b) 주요 광케이블 방향

샘플은 새로운 TMA 402 F3 Hyperion®폴리머 에디션으로 측정했습니다. 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 다음 표에 요약되어 있습니다:

표 1: 측정 조건

샘플 홀더팽창, SiO2로 만든
샘플 부하50mN
대기N2
가스 유량50 ml/min
온도 범위-70...300°C(5K/min의 가열 속도)

열팽창은 유동장과 어떤 상관관계가 있나요?

결과는 그림 3에 나와 있습니다. 예상대로 Tg 위쪽의 CTE가 Tg 아래쪽보다 높으며, 이 샘플의 경우 약 두 배입니다. 샘플 3의 CTE가 가장 낮고 샘플 2의 값이 가장 높다는 것을 알 수 있습니다. 샘플 1은 그 사이에 있습니다. 샘플 간 동일한 추세가 Tg에서도 관찰됩니다. 다른 샘플에 비해 매트릭스 거동의 영향을 가장 많이 받는 샘플 2는 데이터시트에 기재된 것과 동일한 143°C의 Tg를 가집니다(DSC로 측정). CTE에서 섬유의 영향이 더 많이 나타나는 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.

그림 3: 다양한 부품 위치에서 짧은 탄소 섬유를 사용한 PEEK의 TMA 측정 결과; 샘플 1 = 빨간색; 샘플 2 = 파란색; 샘플 3 = 녹색

표 2: 결과 Tg 요약

샘플 1(빨간색)샘플 2(파란색)샘플 3(녹색)
Tg [°C]152143-
CTE < Tg [10-6 K-1]8.0513.472.79
CTE > Tg [10-6 K-1]19.9229.564.65

유동장에서의 섬유 배향 이론뿐만 아니라 CTE 측정으로부터 샘플에서 지배적인 섬유 배향을 추론할 수 있습니다(그림 1 b). 얇은 샘플로 인해 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.

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

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노이에 머티리얼리엔 바이로이트 GmbH 소개

노이에머티리얼리엔 바이로이트 GmbH는 폴리머와 섬유 강화 복합재부터 금속에 이르기까지 경량 건축을 위한 다양한 신소재를 개발하고 가공까지 담당하는 비학술 연구 회사입니다. 이 회사는 사용 가능한 재료와 생산 공정을 최적화하여 애플리케이션 중심의 솔루션을 제공합니다.