Inleiding
Vulstoffen spelen al lang een belangrijke rol in de polymeerindustrie. Eerst werden ze toegevoegd om de prijs van materialen te verlagen, maar nu worden ze vooral gebruikt vanwege hun andere voordelen: Vulstoffen kunnen krimp verminderen, stijfheid verhogen en soms het uiterlijk verbeteren. Ze worden toegevoegd om nieuwe materiaaleigenschappen te creëren die het matrixmateriaal niet heeft, zoals vlamvertraging, of om bestaande eigenschappen te verbeteren, zoals bij vezels het geval is.
Bij het meten van hoe een gevuld materiaal in lengte verandert wanneer het wordt verwarmd of afgekoeld, is een belangrijke eigenschap om rekening mee te houden de thermische uitzettingscoëfficiënt, α, of Lineaire thermische uitzettingscoëfficiënt (CLTE/CTE)De lineaire thermische uitzettingscoëfficiënt (CLTE) beschrijft de lengteverandering van een materiaal als functie van de temperatuur. CTE (thermische uitzettingscoëfficiënt). Kennis over het gedrag van een materiaal in dit opzicht is nodig om waarden te bepalen die cruciaal zijn voor het ontwerp, zoals krimp, om compatibiliteit tussen verbindingspartners in een eindproduct te garanderen.
De Lineaire thermische uitzettingscoëfficiënt (CLTE/CTE)De lineaire thermische uitzettingscoëfficiënt (CLTE) beschrijft de lengteverandering van een materiaal als functie van de temperatuur. CTE is echter gevoelig voor de oriëntatie van de vulstof in het spuitgietdeel. Deze oriëntatie hangt sterk af van het vloeiveld, dat beschrijft hoe het materiaal de matrijs vult. Daarom zijn er verschillende waarden voor de Lineaire thermische uitzettingscoëfficiënt (CLTE/CTE)De lineaire thermische uitzettingscoëfficiënt (CLTE) beschrijft de lengteverandering van een materiaal als functie van de temperatuur. CTE te verwachten in het spuitgietdeel. Dit artikel onderzoekt deze veronderstelling. Voor dit onderzoek werd een PEEK-hars met lage viscositeit en 40 vol% korte koolstofvezels gespuitgiet in een plaatmatrijs van 80 x 80 mm en 2 mm dikte bij Neue Materialien Bayreuth. Er werd een filmpoort gebruikt om een meer uniform vloeifront te verkrijgen en vezelbreuk te verminderen, die zou kunnen optreden door een dunnere poort. Het materiaal werd 3 uur gedroogd bij 150°C voordat het met een Smelttemperaturen en -getallenDe enthalpie van fusie van een stof, ook wel latente warmte genoemd, is een maat voor de energie-input, meestal warmte, die nodig is om een stof om te zetten van vaste naar vloeibare toestand. Het smeltpunt van een stof is de temperatuur waarbij de toestand verandert van vast (kristallijn) naar vloeibaar (isotroop smeltpunt). smelttemperatuur van 410°C in een matrijs van 175°C gespuitgiet werd.
Volgens het gegevensblad ligt het Smelttemperaturen en -getallenDe enthalpie van fusie van een stof, ook wel latente warmte genoemd, is een maat voor de energie-input, meestal warmte, die nodig is om een stof om te zetten van vaste naar vloeibare toestand. Het smeltpunt van een stof is de temperatuur waarbij de toestand verandert van vast (kristallijn) naar vloeibaar (isotroop smeltpunt).smeltpunt bij 343°C en de GlasovergangstemperatuurDe glasovergang is een van de belangrijkste eigenschappen van amorfe en semikristallijne materialen, zoals anorganisch glas, amorfe metalen, polymeren, farmaceutische producten en voedingsingrediënten, enz. en beschrijft het temperatuurgebied waar de mechanische eigenschappen van de materialen veranderen van hard en bros naar meer zacht, vervormbaar of rubberachtig.glasovergang, Tg, bij 143°C. De smeltviscositeit bij 400 °C is slechts 300 Pas. De thermische uitzettingscoëfficiënt, α, wordt gegeven in tabel 2. Typisch worden de metingen van het gegevensblad uitgevoerd op een dogbone-testmonster dat meestal ook gegoten is met een filmpoort. Het heeft een dikte van 4 mm en een totale lengte van 185 mm. Omdat de vulstoforiëntatie sterk afhankelijk is van het stromingsveld, is het waarschijnlijk dat de resulterende vulstoforiëntatie anders zal zijn in de matrijs van Neue Materialien Bayreuth dan in de matrijs die gebruikt is om de eigenschappen op het gegevensblad te bepalen. Zoals reeds vermeld is de thermische uitzettingscoëfficiënt gevoelig voor de vulstoforiëntatie, verschillende waarden voor de Lineaire thermische uitzettingscoëfficiënt (CLTE/CTE)De lineaire thermische uitzettingscoëfficiënt (CLTE) beschrijft de lengteverandering van een materiaal als functie van de temperatuur. CTE zijn te verwachten in de plaat en verder in verschillende gebieden van de plaat.
Hoe stroomt het gesmolten materiaal in de mal?
Figuur 2 toont een schematische weergave van de monsterplaat (a); verder is het snelheidsprofiel over de dikte van het deel te zien evenals de fonteinstroom aan het smeltfront (b) en de resulterende vezeloriëntatie (c). Door de snelheidsgradiënt werken verschillende krachten en momenten in op de vezels en dit leidt tot een karakteristieke vezeloriëntatie binnen het deel. In het midden van het deel zijn de vezels loodrecht op de stromingsrichting georiënteerd als gevolg van extensie- en dwarsstroming. Door de hoge afschuifsnelheden aan de wand of bevroren laag zijn de vezels parallel aan de stroming georiënteerd. De dikte van deze sterk georiënteerde laag hangt af van de dikte van de bevroren laag en het snelheidsprofiel.
Hoe werden de monsters voor het experiment voorbereiden gemeten?
Voor de TMA-metingen op NETZSCH Analyzing & Testing werden monsters van 25 x 5 mm gesneden uit verschillende gebieden van de plaat volgens afbeelding 3(a) om het effect van vezeloriëntatie op de thermische uitzettingscoëfficiënt te bestuderen. De verwachte dominante vezeloriëntatie wordt weergegeven in de monsters getoond in 3(b). De monsters werden gemeten met de TMA 402 F3 Hyperion® Polymeer Editie (figuur 1). Na een eerste afkoelstap werd de temperatuur verhoogd van -70 tot 300°C met een verwarmingssnelheid van 5 K/min. De thermische uitzettingscoëfficiënt werd berekend met behulp van de gemiddelde Lineaire thermische uitzettingscoëfficiënt (CLTE/CTE)De lineaire thermische uitzettingscoëfficiënt (CLTE) beschrijft de lengteverandering van een materiaal als functie van de temperatuur. CTE-analyse (m. CTE), die de helling tussen twee gegevenspunten berekent. Alle meetomstandigheden zijn samengevat in tabel 1.
Tabel 1: Testomstandigheden
| Monsterhouder | Expansie, gemaakt van SiO2 |
| Monsterbelasting | 50 mN |
| Atmosfeer | N2 |
| Gasstroom | 50 ml/min |
| Temperatuurbereik | -70 ... 300 °C bij een verwarmingssnelheid van 5 K/min |
Hoe correleert de thermische uitzetting met het stromingsveld?
De resultaten worden getoond in Figuur 4. De blauwe lijn is proefstuk 2, de rode lijn proefstuk 1 en de groene lijn proefstuk 3. Zoals verwacht is de CTE boven de Tg hoger dan onder de Tg; voor deze monsters is het ongeveer het dubbele. Het is te zien dat de CTE van monster 3 het laagst is en die van monster 2 het hoogst. Monster 1 zit er tussenin. Dezelfde trend tussen de monsters is waarneembaar in de Tg. Monster 2 - dat meer gedomineerd wordt door het matrixgedrag in vergelijking met de andere monsters - heeft dezelfde Tg van 143°C als vermeld in de datasheet (gemeten met een DSC). Monster 1, waarbij het effect van de vezel op de CTE groter is, heeft een hogere Tg van 152°C; dit geeft de hogere stijfheid aan die door de vezels wordt geïntroduceerd. Dit kan worden gedetecteerd in een TMA, omdat deze een mechanische respons meet. Monster 3 wordt sterk gedomineerd door de vezels en daarom is de Tg nauwelijks zichtbaar en niet geanalyseerd.
Als we de metingen aan de drie monsters vergelijken met de waarden in de datasheet, dan zien we dat de verschillende monsterdiktes en algemene geometrieën inderdaad resulteren in verschillende CTE-waarden. De CTE in de vloeirichting is in alle proefstukken hoger dan in de datasheet. Dit betekent dat het heel belangrijk is om CTE-waarden te verkrijgen op proefstukken met een vorm en geometrie die vergelijkbaar zijn met die van het eindproduct. Anders zullen parameters die essentieel zijn voor het ontwerp, zoals krimp of compatibiliteit tussen verbindingspartners, over- of onderschat worden.
Uit de CTE-metingen en de theorie van vezeloriëntatie in het vloeiveld kan de dominante vezeloriëntatie in de proefstukken worden afgeleid; zie afbeelding 3(b). Het is te zien dat door de dunheid van de monsters, het effect van de bevroren laag dominant lijkt te zijn in monsters 2 en 3. De meeste vezels zijn georiënteerd in het stromingsveld. De meerderheid van de vezels zijn georiënteerd in de vloeirichting x. Daarom geeft proefstuk 3 de laagste CTE (meting in de vloei- en vezelrichting) en proefstuk 2 de hoogste waarden (meting loodrecht op de vloei- en vezelrichting). Monster 1 zit er tussenin, omdat het fonteinvloeiingseffect hier nog steeds het grootst is door de nabijheid van de filmpoort en het feit dat de vezeloriëntatie de cirkelvormige vloei aan het smeltfront volgt.
Tabel 2 geeft een overzicht van de resulterende Tgs.
Tabel 2: Samenvatting van de resulterende tgs
| Monster 1 (rood) | Monster 2 (blauw) | Monster 3 (groen) | Gegevensblad fabrikant | |
|---|---|---|---|---|
| Tg [°C] | 152 | 143 | - | 143 |
Samenvatting
Het onderzoek toonde het belang aan van het analyseren van de thermische uitzettingscoëfficiënt van gevulde materialen op basis van de vulmiddeloriëntatie, die wordt beïnvloed door het stromingsveld tijdens het spuitgieten.
Erkenning
We willen Neue Materialien Bayreuth GmbH bedanken voor het leveren van de monsters.
Over Neue Materialien Bayreuth GmbH
Neue Materialien Bayreuth GmbH is een niet-academisch onderzoeksbedrijf dat verschillende nieuwe materialen ontwikkelt voor lichtgewicht constructies, van polymeren en vezelversterkte composieten tot metalen, inclusief de verwerking ervan. Ze bieden toepassingsgerichte oplossingen door de beschikbare materialen en productieprocessen te optimaliseren(https://www.nmbgmbh.de/en/).