07.10.2020 by Dr. Natalie Rudolph
Co pomiary TMA mogą powiedzieć o orientacji wypełniacza w formowaniu wtryskowym?
Wypełniacze od dawna odgrywają ważną rolę w przemyśle produkcji polimerów. Ważną właściwością pozwalającą zmierzyć, jak wypełniony materiał zmienia swoją długość podczas ogrzewania lub chłodzenia, jest współczynnik rozszerzalności cieplnej. Wiedza na temat tego zachowania materiału jest niezbędna do określenia ważnych wartości projektowych. Dowiedz się, jak pole przepływu i przygotowanie próbki wpływa na tę właściwość i zobacz, jak przeprowadzane są pomiary za pomocą TMA 402 F3 Hyperion® Polymer Edition.
Wypełniacze od dawna odgrywają ważną rolę w przemyśle produkcji polimerów. Początkowo dodawane w celu obniżenia cen materiałów, obecnie wykorzystywane są głównie ze względu na inne zalety: Wypełniacze mogą zmniejszać skurcz, zwiększać sztywność, a czasami poprawiać wygląd.
Ważną właściwością mierzącą, jak wypełniony materiał zmienia swoją długość podczas ogrzewania lub chłodzenia, jest współczynnik rozszerzalności cieplnej α lubWspółczynnik liniowej rozszerzalności cieplnej (CLTE/CTE)Współczynnik liniowej rozszerzalności cieplnej (CLTE) opisuje zmianę długości materiału w funkcji temperatury. CTE (współczynnik rozszerzalności cieplnej). Wiedza na temat tego zachowania materiału jest wymagana, aby móc określić wartości projektowe, takie jak skurcz lub kompatybilność między partnerami łączącymi produkt końcowy.
WspółczynnikWspółczynnik liniowej rozszerzalności cieplnej (CLTE/CTE)Współczynnik liniowej rozszerzalności cieplnej (CLTE) opisuje zmianę długości materiału w funkcji temperatury. CTE jest jednak wrażliwy na orientację wypełniacza w formowanej części. Orientacja ta zależy w dużym stopniu od pola przepływu, które opisuje sposób, w jaki materiał wypełnia formę. W związku z tym należy spodziewać się różnych wartości współczynnikaWspółczynnik liniowej rozszerzalności cieplnej (CLTE/CTE)Współczynnik liniowej rozszerzalności cieplnej (CLTE) opisuje zmianę długości materiału w funkcji temperatury. CTE w formowanej części. Niniejszy artykuł ma na celu zbadanie tego założenia. Na potrzeby tego badania żywica PEEK o niskiej lepkości z 40-procentowym dodatkiem krótkich włókien węglowych została poddana formowaniu wtryskowemu w formie płytowej o wymiarach 80 x 80 mm i grubości 2 mm w Neue Materialien Bayreuth. W celu uzyskania bardziej jednolitego frontu przepływu i zmniejszenia pęknięć włókien, które mogłyby wystąpić przy cieńszej bramie, zastosowano bramę foliową.
W jaki sposób stopiony materiał wpływa do formy?
Rysunek 1 przedstawia schemat płytki próbki (a), a także profil prędkości na całej grubości części, jak również przepływ fontanny na czole stopu (b) i wynikową orientację włókien (c).
Ze względu na gradient prędkości, na włókna działają różne siły i momenty, co prowadzi do charakterystycznej orientacji włókien wewnątrz części. W środku części włókna są zorientowane prostopadle do kierunku przepływu z powodu przepływu rozciągającego i poprzecznego. Ze względu na wysokie szybkości ścinania przy ścianie lub warstwie zamrożonej, włókna są ułożone równolegle do przepływu. Grubość tej wysoce zorientowanej warstwy zależy od grubości warstwy zamrożonej i profilu prędkości.
W jaki sposób przygotowano i zmierzono próbki do eksperymentu?
Do pomiarów TMA na stronie NETZSCH Analyzing & Testing próbki zostały wycięte zgodnie z rysunkiem 1 (a) w celu zbadania wpływu orientacji włókien na współczynnik rozszerzalności cieplnej. Oczekiwana dominująca orientacja włókien jest przedstawiona na próbkach (b).
Próbki zostały zmierzone za pomocą nowego urządzenia TMA 402 F3 Hyperion®Polymer Edition. Po początkowym etapie chłodzenia, temperatura została zwiększona z -70 do 300°C przy szybkości ogrzewania 5 K/min. Współczynnik rozszerzalności cieplnej został obliczony przy użyciu średniej analizyWspółczynnik liniowej rozszerzalności cieplnej (CLTE/CTE)Współczynnik liniowej rozszerzalności cieplnej (CLTE) opisuje zmianę długości materiału w funkcji temperatury. CTE (m. CTE), która oblicza nachylenie między dwoma punktami danych. Wszystkie warunki pomiarowe zostały podsumowane w poniższej tabeli:
Tabela 1: Warunki pomiaru
| Uchwyt próbki | Rozszerzalność, wykonany z SiO2 |
| Obciążenie próbki | 50 mN |
| Atmosfera | N2 |
| Natężenie przepływu gazu | 50 ml/min |
| Zakres temperatur | -70...300°C przy szybkości ogrzewania 5 K/min |
W jaki sposób rozszerzalność cieplna koreluje z polem przepływu?
Wyniki przedstawiono na rysunku 3. Zgodnie z oczekiwaniami, współczynnikWspółczynnik liniowej rozszerzalności cieplnej (CLTE/CTE)Współczynnik liniowej rozszerzalności cieplnej (CLTE) opisuje zmianę długości materiału w funkcji temperatury. CTE powyżej Tg jest wyższy niż poniżej Tg; dla tych próbek jest on około dwukrotnie wyższy. Można zauważyć, że współczynniki CTE próbki 3 są najniższe, a próbka 2 ma najwyższe wartości. Próbka 1 znajduje się pomiędzy nimi. Ten sam trend między próbkami można zaobserwować w Tg. Próbka 2, która jest najbardziej zdominowana przez zachowanie matrycy w porównaniu do innych próbek, ma taką samą Tg 143°C, jak podano w arkuszu danych (zmierzoną za pomocą DSC). Próbka 1, która wykazuje większy wpływ włókien na CTE, ma wyższą Tg wynoszącą 152°C, co wskazuje na wyższą sztywność wprowadzoną przez włókna. Można to wykryć w TMA, ponieważ mierzy on odpowiedź mechaniczną. Próbka 3 jest silnie zdominowana przez włókna, dlatego Tg jest ledwo widoczna i nie została przeanalizowana.
Tabela 2: Podsumowanie uzyskanych wartości Tg
| Próbka 1 (czerwona) | Próbka 2 (niebieska) | Próbka 3 (zielona) | |
| 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 |
Na podstawie pomiarów CTE, jak również teorii orientacji włókien w polu przepływu, można wywnioskować dominującą orientację włókien w próbkach, rysunek 1 b. Można zauważyć, że ze względu na cienkie próbki, efekt zamrożonej warstwy wydaje się być dominujący w próbkach 2 i 3. Większość włókien jest zorientowana w kierunku przepływu x. Dlatego próbka 3 daje najniższe wartości CTE (pomiar w kierunku przepływu i w kierunku włókien), a próbka 2 najwyższe wartości (pomiar prostopadły do kierunku przepływu i włókien).
Badanie wykazało znaczenie analizy współczynnika rozszerzalności cieplnej wypełnionych materiałów w oparciu o orientację wypełniacza, na którą wpływa pole przepływu podczas formowania wtryskowego.
Pełna nota aplikacyjna z porównaniem arkusza danych producenta i pomiarów z nowym TMA 402 F3 Hyperion® Polymer Edition jest dostępna tutaj!
Informacje o Neue Materialien Bayreuth GmbH
Neue Materialien Bayreuth GmbH to nieakademicka firma badawczaarch zajmująca się opracowywaniem różnych nowych materiałów do lekkich konstrukcji, od polimerów i kompozytów wzmacnianych włóknami po metale, w tym także ich przetwarzaniem. Zapewnia rozwiązania zorientowane na zastosowania poprzez optymalizację dostępnych materiałów i procesów produkcyjnych.
