Introducere
Materiile de umplutură au jucat mult timp un rol important în industria producătoare de polimeri. Adăugate inițial pentru a reduce prețul materialelor, ele sunt acum utilizate în principal pentru celelalte avantaje pe care le oferă: Umpluturile pot reduce contracția, pot crește rigiditatea și uneori pot îmbunătăți aspectul. Ele sunt introduse fie cu scopul de a crea noi proprietăți ale materialului pe care matricea nu le posedă, cum ar fi rezistența la flacără, fie de a îmbunătăți proprietățile existente, cum este cazul fibrelor.
Atunci când se măsoară modul în care un material umplut își modifică lungimea atunci când este încălzit sau răcit, o proprietate importantă de luat în considerare este coeficientul de dilatare termică, α, sau Coeficient de dilatare termică liniară (CLTE/CTE)Coeficientul de dilatare termică liniară (CLTE) descrie modificarea în lungime a unui material în funcție de temperatură. CTE (coeficient de dilatare termică). Cunoașterea comportamentului unui material în această privință este necesară pentru a determina valori cruciale pentru proiectare, cum ar fi contracția, pentru a asigura compatibilitatea între partenerii de îmbinare într-un produs final.
Cu toate acestea, Coeficient de dilatare termică liniară (CLTE/CTE)Coeficientul de dilatare termică liniară (CLTE) descrie modificarea în lungime a unui material în funcție de temperatură. CTE este sensibil la orientarea materialului de umplutură în piesa turnată. Această orientare depinde foarte mult de câmpul de curgere, care descrie modul în care materialul umple matrița. Prin urmare, sunt de așteptat valori diferite pentru Coeficient de dilatare termică liniară (CLTE/CTE)Coeficientul de dilatare termică liniară (CLTE) descrie modificarea în lungime a unui material în funcție de temperatură. CTE în piesa turnată. Acest articol își propune să investigheze această presupunere. Pentru acest studiu, o rășină PEEK cu vâscozitate redusă cu 40 vol% fibre scurte de carbon a fost turnată prin injecție într-o matriță cu plăci de 80 x 80 mm și 2 mm grosime la Neue Materialien Bayreuth. A fost utilizată o poartă de film pentru a obține un front de curgere mai uniform și pentru a reduce ruperea fibrelor, care ar putea apărea printr-o poartă mai subțire. Materialul a fost uscat la 150 °C timp de 3 ore înainte de a fi turnat prin injecție cu o Temperaturile și entalpiile de topireEntalpia de fuziune a unei substanțe, cunoscută și sub denumirea de căldură latentă, este o măsură a aportului de energie, de obicei căldură, care este necesară pentru a transforma o substanță din stare solidă în stare lichidă. Punctul de topire al unei substanțe este temperatura la care aceasta își schimbă starea din solid (cristalin) în lichid (topitură izotropică). temperatură de topire de 410 °C într-o matriță la 175 °C.
Conform fișei tehnice, punctul de Temperaturile și entalpiile de topireEntalpia de fuziune a unei substanțe, cunoscută și sub denumirea de căldură latentă, este o măsură a aportului de energie, de obicei căldură, care este necesară pentru a transforma o substanță din stare solidă în stare lichidă. Punctul de topire al unei substanțe este temperatura la care aceasta își schimbă starea din solid (cristalin) în lichid (topitură izotropică). topire este la 343°C, iar tranziția vitroasă, Tg, la 143°C. Vâscozitatea topiturii la 400°C este de numai 300 Pas. Coeficientul de dilatare termică, α, este dat în tabelul 2. În mod obișnuit, măsurătorile din fișa tehnică sunt efectuate pe o probă de testare dogbone, care sunt de obicei turnate și cu o poartă de film. Acesta are o grosime de 4 mm și o lungime totală de 185 mm. Deoarece orientarea umpluturii depinde puternic de câmpul de curgere, este probabil ca orientarea umplerii rezultate să fie diferită în matrița de la Neue Materialien Bayreuth față de matrița utilizată pentru a determina proprietățile din fișa tehnică. După cum s-a menționat deja, coeficientul de dilatare termică este sensibil la orientarea materialului de umplutură, fiind de așteptat valori diferite pentru Coeficient de dilatare termică liniară (CLTE/CTE)Coeficientul de dilatare termică liniară (CLTE) descrie modificarea în lungime a unui material în funcție de temperatură. CTE în placă și, mai mult, în diferite regiuni ale plăcii.
Cum curge materialul topit în matriță?
Figura 2 prezintă o schemă a plăcii de probă (a); de asemenea, este prezentat profilul vitezei de-a lungul grosimii piesei, precum și fluxul de fântână la frontul de Temperaturile și entalpiile de topireEntalpia de fuziune a unei substanțe, cunoscută și sub denumirea de căldură latentă, este o măsură a aportului de energie, de obicei căldură, care este necesară pentru a transforma o substanță din stare solidă în stare lichidă. Punctul de topire al unei substanțe este temperatura la care aceasta își schimbă starea din solid (cristalin) în lichid (topitură izotropică). topire (b) și orientarea fibrelor rezultată (c). Datorită gradientului de viteză, diferite forțe și momente acționează asupra fibrelor și conduc la o orientare caracteristică a fibrelor în interiorul piesei. În centrul piesei, fibrele sunt orientate perpendicular pe direcția de curgere datorită curgerii extensionale și transversale. Datorită vitezelor mari de forfecare la nivelul peretelui sau al stratului înghețat, fibrele sunt orientate paralel cu fluxul. Grosimea acestui strat puternic orientat depinde de grosimea stratului înghețat și de profilul vitezei.
Cum au fost pregătite eșantioanele pentru experimentși măsurate?
Pentru măsurătorile TMA la NETZSCH Analyzing & Testing, au fost tăiate probe de 25 x 5 mm din diferite regiuni ale plăcii, conform figurii 3(a), pentru a studia efectul orientării fibrelor asupra coeficientului de dilatare termică. Orientarea dominantă așteptată a fibrelor este descrisă în probele prezentate în figura 3(b). Probele au fost măsurate cu TMA 402 F3 Hyperion® Polymer Edition (figura 1). După o etapă inițială de răcire, temperatura a fost crescută de la -70 la 300°C la o rată de încălzire de 5 K/min. Coeficientul de dilatare termică a fost calculat utilizând analiza Coeficient de dilatare termică liniară (CLTE/CTE)Coeficientul de dilatare termică liniară (CLTE) descrie modificarea în lungime a unui material în funcție de temperatură. CTE medie (m. Coeficient de dilatare termică liniară (CLTE/CTE)Coeficientul de dilatare termică liniară (CLTE) descrie modificarea în lungime a unui material în funcție de temperatură. CTE), care calculează panta dintre două puncte de date. Toate condițiile de măsurare sunt rezumate în tabelul 1.
Tabelul 1: Condiții de testare
| Suport de probă | Expansiune, realizat din SiO2 |
| Sarcina probei | 50 mN |
| Atmosferă | N2 |
| Debit de gaz | 50 ml/min |
| Interval de temperatură | -70 ... 300°C la o rată de încălzire de 5 K/min |
Cum se corelează expansiunea termică cu câmpul de curgere ?
Rezultatele sunt prezentate în figura 4. Linia albastră reprezintă proba 2, linia roșie proba 1 și linia verde proba 3. După cum era de așteptat, Coeficient de dilatare termică liniară (CLTE/CTE)Coeficientul de dilatare termică liniară (CLTE) descrie modificarea în lungime a unui material în funcție de temperatură. CTE peste Tg este mai mare decât sub Tg; pentru aceste probe este aproximativ dublu. Se poate observa că Coeficient de dilatare termică liniară (CLTE/CTE)Coeficientul de dilatare termică liniară (CLTE) descrie modificarea în lungime a unui material în funcție de temperatură. CTE ale probei 3 sunt cele mai mici, iar proba 2 are cele mai mari valori. Proba 1 se situează la mijloc. Aceeași tendință între probe este observabilă și în cazul Tg. Eșantionul 2 - care este dominat mai mult de comportamentul matricei în comparație cu celelalte eșantioane - are același Tg de 143°C ca cel indicat în fișa tehnică (măsurat cu un DSC). Proba 1, pentru care efectul fibrelor în Coeficient de dilatare termică liniară (CLTE/CTE)Coeficientul de dilatare termică liniară (CLTE) descrie modificarea în lungime a unui material în funcție de temperatură. CTE este mai mare, are un Tg mai mare de 152°C; acest lucru indică rigiditatea mai mare introdusă de fibre. Acest lucru poate fi detectat într-un TMA, deoarece acesta măsoară un răspuns mecanic. Proba 3 este puternic dominată de fibre și, prin urmare, Tg este greu vizibilă și nu a fost analizată.
Comparând măsurătorile efectuate pe cele trei eșantioane cu valorile din fișa tehnică, se poate observa că grosimile diferite ale eșantioanelor și geometriile generale determină într-adevăr valori diferite ale Coeficient de dilatare termică liniară (CLTE/CTE)Coeficientul de dilatare termică liniară (CLTE) descrie modificarea în lungime a unui material în funcție de temperatură. CTE. CTE în direcția de curgere este în toate probele mai mare decât în fișa tehnică. Acest lucru înseamnă că este foarte important să se obțină valorile CTE pe eșantioane de formă și geometrie similare cu cele ale produsului final. În caz contrar, parametrii care sunt esențiali pentru proiectare, cum ar fi contracția sau compatibilitatea între partenerii de îmbinare, vor fi supra- sau subprevăzuți.
Din măsurătorile CTE, precum și din teoria orientării fibrelor în câmpul de curgere, se poate deduce orientarea dominantă a fibrelor în probe; a se vedea figura 3(b). Se poate observa că, datorită subțimii probelor, efectul stratului înghețat pare să fie dominant în probele 2 și 3. Majoritatea fibrelor sunt orientate în direcția de curgere x. Prin urmare, proba 3 produce cele mai scăzute CTE (măsurare în direcția de curgere și în direcția fibrelor), iar proba 2 cele mai ridicate valori (măsurare perpendiculară pe direcția de curgere și pe direcția fibrelor). Eșantionul 1 se situează între cele două, deoarece efectul fluxului de fântână este încă cel mai mare în această zonă datorită apropierii sale de poarta filmului și a faptului că orientarea fibrelor urmează fluxul circular de la frontul de Temperaturile și entalpiile de topireEntalpia de fuziune a unei substanțe, cunoscută și sub denumirea de căldură latentă, este o măsură a aportului de energie, de obicei căldură, care este necesară pentru a transforma o substanță din stare solidă în stare lichidă. Punctul de topire al unei substanțe este temperatura la care aceasta își schimbă starea din solid (cristalin) în lichid (topitură izotropică). topire.
Un rezumat al Tgsrezultate este prezentat în tabelul 2.
Tabelul 2: Rezumatul rezultatelor Tgs
| Proba 1 (roșu) | Proba 2 (albastru) | Proba 3 (verde) | Fișa tehnică a producătorului | |
|---|---|---|---|---|
| Tg [°C] | 152 | 143 | - | 143 |
Rezumat
Studiul a arătat importanța analizei coeficientului de dilatare termică a materialelor umplute pe baza orientării umpluturii, care este influențată de câmpul de curgere în timpul turnării prin injecție.
Recunoaștere
Dorim să mulțumim Neue Materialien Bayreuth GmbH pentru furnizarea probelor.
Despre Neue Materialien Bayreuth GmbH
Neue Materialien Bayreuth GmbH este o companie de cercetare neacademică care dezvoltă diverse materiale noi pentru construcții ușoare, de la polimeri și materiale compozite ranforsate cu fibre până la metale, inclusiv prelucrarea. Aceștia oferă soluții orientate spre aplicații prin optimizarea materialelor disponibile și a proceselor de producție(https://www.nmbgmbh.de/en/).