Introdução
Há muito tempo, os enchimentos desempenham um papel importante no setor de fabricação de polímeros. Inicialmente adicionados para reduzir os preços dos materiais, eles agora são usados principalmente por suas outras vantagens: Os enchimentos podem diminuir o encolhimento, aumentar a rigidez e, às vezes, melhorar a aparência. Eles são introduzidos com o objetivo de criar novas propriedades de material não possuídas pelo material da matriz, como o retardamento de chamas, ou de aprimorar as propriedades existentes, como é o caso das fibras.
Ao medir como um material preenchido muda de comprimento ao ser aquecido ou resfriado, uma propriedade importante a ser considerada é o coeficiente de expansão térmica, α, ouCoeficiente de Expansão Térmica Linear (CLTE/CTE)O coeficiente de expansão térmica linear (CLTE) descreve a mudança de comprimento de um material como uma função da temperatura. CTE (coeficiente de expansão térmica). O conhecimento sobre o comportamento de um material nesse aspecto é necessário para determinar valores cruciais para o projeto, como o encolhimento, a fim de garantir a compatibilidade entre os parceiros de união em um produto final.
No entanto, oCoeficiente de Expansão Térmica Linear (CLTE/CTE)O coeficiente de expansão térmica linear (CLTE) descreve a mudança de comprimento de um material como uma função da temperatura. CTE é sensível à orientação do enchimento na peça moldada. Essa orientação depende muito do campo de fluxo, que descreve como o material preenche o molde. Portanto, é de se esperar que haja valores diferentes para oCoeficiente de Expansão Térmica Linear (CLTE/CTE)O coeficiente de expansão térmica linear (CLTE) descreve a mudança de comprimento de um material como uma função da temperatura. CTE na peça moldada. Este artigo tem o objetivo de investigar essa suposição. Para esse estudo, uma resina PEEK de baixa viscosidade com 40 vol% de fibras curtas de carbono foi moldada por injeção em um molde de placa de 80 x 80 mm e 2 mm de espessura na Neue Materialien Bayreuth. Uma porta de filme foi usada para obter uma frente de fluxo mais uniforme e reduzir a quebra de fibras, que poderia ocorrer por meio de uma porta mais fina. O material foi seco a 150°C por 3 h antes de ser moldado por injeção com umaTemperaturas e entalpias de fusãoA entalpia de fusão de uma substância, também conhecida como calor latente, é uma medida da entrada de energia, normalmente calor, necessária para converter uma substância do estado sólido para o líquido. O ponto de fusão de uma substância é a temperatura na qual ela muda de estado, passando do sólido (cristalino) para o líquido (fusão isotrópica). temperatura de fusão de 410°C em um molde a 175°C.
De acordo com a folha de dados, o Temperaturas e entalpias de fusãoA entalpia de fusão de uma substância, também conhecida como calor latente, é uma medida da entrada de energia, normalmente calor, necessária para converter uma substância do estado sólido para o líquido. O ponto de fusão de uma substância é a temperatura na qual ela muda de estado, passando do sólido (cristalino) para o líquido (fusão isotrópica).ponto de fusão é de 343°C e a Temperatura de transição do vidroA transição vítrea é uma das propriedades mais importantes dos materiais amorfos e semicristalinos, por exemplo, vidros inorgânicos, metais amorfos, polímeros, produtos farmacêuticos e ingredientes alimentícios etc., e descreve a região de temperatura em que as propriedades mecânicas dos materiais mudam de duras e quebradiças para mais macias, deformáveis ou emborrachadas.transição vítrea, Tg, é de 143°C. A viscosidade deTemperaturas e entalpias de fusãoA entalpia de fusão de uma substância, também conhecida como calor latente, é uma medida da entrada de energia, normalmente calor, necessária para converter uma substância do estado sólido para o líquido. O ponto de fusão de uma substância é a temperatura na qual ela muda de estado, passando do sólido (cristalino) para o líquido (fusão isotrópica). fusão a 400°C é tão baixa quanto 300 Pas. O coeficiente de expansão térmica, α, é fornecido na tabela 2. Normalmente, as medições da folha de dados são realizadas em uma amostra de teste de dogbone, que também é moldada com uma porta de filme. Ele tem uma espessura de 4 mm e um comprimento total de 185 mm. Como a orientação do material de enchimento depende muito do campo de fluxo, é provável que a orientação do material de enchimento resultante seja diferente no molde da Neue Materialien Bayreuth do que no molde usado para determinar as propriedades na folha de dados. Como já foi mencionado, o coeficiente de expansão térmica é sensível à orientação do material de enchimento, sendo esperados valores diferentes para oCoeficiente de Expansão Térmica Linear (CLTE/CTE)O coeficiente de expansão térmica linear (CLTE) descreve a mudança de comprimento de um material como uma função da temperatura. CTE na placa e também em diferentes regiões da placa.
Como o material fundido flui para o molde?
A Figura 2 mostra um esquema da placa de amostra (a); além disso, mostra o perfil de velocidade ao longo da espessura da peça, bem como o fluxo da fonte na frente deTemperaturas e entalpias de fusãoA entalpia de fusão de uma substância, também conhecida como calor latente, é uma medida da entrada de energia, normalmente calor, necessária para converter uma substância do estado sólido para o líquido. O ponto de fusão de uma substância é a temperatura na qual ela muda de estado, passando do sólido (cristalino) para o líquido (fusão isotrópica). fusão (b) e a orientação da fibra resultante (c). Devido ao gradiente de velocidade, diferentes forças e momentos atuam sobre as fibras e levam a uma orientação característica da fibra dentro da peça. No centro da peça, as fibras são orientadas perpendicularmente à direção do fluxo devido ao fluxo extensional e transversal. Devido às altas taxas de cisalhamento na parede ou na camada congelada, as fibras são alinhadas paralelamente ao fluxo. A espessura dessa camada altamente orientada depende da espessura da camada congelada e do perfil de velocidade.
Como as amostras do experimento foram preparadase medidas?
Para as medições de TMA no site NETZSCH Analyzing & Testing, foram cortadas amostras de 25 x 5 mm de diferentes regiões da placa, de acordo com a Figura 3(a), para estudar o efeito da orientação da fibra no coeficiente de expansão térmica. A orientação dominante esperada da fibra está representada nas amostras mostradas em 3(b). As amostras foram medidas com o TMA 402 F3 Hyperion® Polymer Edition (Figura 1). Após uma etapa inicial de resfriamento, a temperatura foi aumentada de -70 a 300°C a uma taxa de aquecimento de 5 K/min. O coeficiente de expansão térmica foi calculado usando a análiseCoeficiente de Expansão Térmica Linear (CLTE/CTE)O coeficiente de expansão térmica linear (CLTE) descreve a mudança de comprimento de um material como uma função da temperatura. CTE média (m. CTE), que calcula a inclinação entre dois pontos de dados. Todas as condições de medição estão resumidas na tabela 1.
Tabela 1: Condições de teste
| Suporte da amostra | Expansão, feito de SiO2 |
| Carga da amostra | 50 mN |
| Atmosfera | N2 |
| Taxa de fluxo de gás | 50 ml/min |
| Faixa de temperatura | -70 ... 300°C a uma taxa de aquecimento de 5 K/min |
Como a expansão térmica se correlaciona com o campo de fluxo ?
Os resultados são mostrados na Figura 4. A linha azul é a amostra 2, a linha vermelha é a amostra 1 e a linha verde é a amostra 3. Como esperado, o CTE acima da Tg é maior do que abaixo da Tg; para essas amostras, é aproximadamente o dobro. É possível observar que as CTEs da amostra 3 são as mais baixas e a amostra 2 tem os valores mais altos. A amostra 1 está no meio. A mesma tendência entre as amostras pode ser observada na Tg. A amostra 2 - que é mais dominada pelo comportamento da matriz em comparação com as outras amostras - tem a mesma Tg de 143°C listada na folha de dados (medida com um DSC). A amostra 1, para a qual o efeito da fibra no CTE é maior, tem uma Tg mais alta de 152°C; isso indica a maior rigidez introduzida pelas fibras. Isso pode ser detectado em um TMA, pois ele mede uma resposta mecânica. A amostra 3 é fortemente dominada pelas fibras e, portanto, a Tg é pouco visível e não foi analisada.
Comparando as medições nas três amostras com os valores da folha de dados, pode-se observar que as diferentes espessuras de amostra e geometrias gerais de fato resultam em diferentes valores de CTE. O CTE na direção do fluxo é, em todas as amostras, mais alto do que na planilha de dados. Isso significa que é muito importante obter valores de CTE em amostras de formato e geometria semelhantes aos do produto final. Caso contrário, os parâmetros essenciais para o projeto, como encolhimento ou compatibilidade entre os parceiros de união, serão superestimados ou subestimados.
A partir das medições de CTE, bem como da teoria da orientação da fibra no campo de fluxo, a orientação dominante da fibra nas amostras pode ser deduzida; veja a Figura 3(b). É possível observar que, devido à espessura das amostras, o efeito da camada congelada parece ser dominante nas amostras 2 e 3. A maioria das fibras está orientada na direção do fluxo x. Portanto, a amostra 3 produz o CTE mais baixo (medição no fluxo e na direção da fibra) e a amostra 2 os valores mais altos (medição perpendicular ao fluxo e à direção da fibra). A amostra 1 está entre as duas, porque o efeito do fluxo da fonte ainda é o largest nessa área devido à sua proximidade com a porta do filme e ao fato de que a orientação da fibra segue o fluxo circular na frente daTemperaturas e entalpias de fusãoA entalpia de fusão de uma substância, também conhecida como calor latente, é uma medida da entrada de energia, normalmente calor, necessária para converter uma substância do estado sólido para o líquido. O ponto de fusão de uma substância é a temperatura na qual ela muda de estado, passando do sólido (cristalino) para o líquido (fusão isotrópica). fusão.
Um resumo dos Tgsresultantes é apresentado na tabela 2.
Tabela 2: Resumo das Tgsresultantes
| Amostra 1 (vermelho) | Amostra 2 (azul) | Amostra 3 (verde) | Folha de dados do fabricante | |
|---|---|---|---|---|
| Tg [°C] | 152 | 143 | - | 143 |
Resumo
O estudo mostrou a importância de analisar o coeficiente de expansão térmica de materiais com enchimento com base na orientação do enchimento, que é influenciada pelo campo de fluxo durante a moldagem por injeção.
Reconhecimento
Gostaríamos de agradecer à Neue Materialien Bayreuth GmbH pelo fornecimento das amostras.
Sobre a Neue Materialien Bayreuth GmbH
arcA Neue Materialien Bayreuth GmbH é uma empresa não acadêmica que desenvolve vários materiais novos para construções leves, desde polímeros e compostos reforçados com fibras até metais, incluindo também o processamento. A empresa oferece soluções orientadas para aplicações, otimizando os materiais disponíveis e os processos de produção(https://www.nmbgmbh.de/en/).