07.10.2020 by Dr. Natalie Rudolph
Ce pot spune măsurătorile TMA despre orientarea umpluturii în turnarea prin injecție
Materiile de umplutură au jucat mult timp un rol important în industria producătoare de polimeri. O proprietate importantă pentru măsurarea modului în care materialul umplut își modifică lungimea atunci când este încălzit sau răcit este coeficientul de dilatare termică. Cunoașterea acestui comportament al materialului este necesară pentru a putea determina valori de proiectare importante. Aflați cum câmpul de curgere și pregătirea probei influențează proprietatea și vedeți cum se efectuează măsurătorile cu TMA 402 F3 Hyperion® Polymer Edition.
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.
O proprietate importantă pentru măsurarea modului în care materialul umplut își modifică lungimea atunci când este încălzit sau răcit 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 acestui comportament al materialului este necesară pentru a putea determina valorile de proiectare, cum ar fi contracția sau compatibilitatea între partenerii de îmbinare ai produsului 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 umpluturii 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.
Cum curge materialul topit în matriță?
Figura 1 prezintă o schemă a plăcii de probă (a), precum și profilul vitezei de-a lungul grosimii piesei, precum și fluxul fântânii 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 rezultate (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 și măsurate probele pentru experiment?
Pentru măsurătorile TMA la NETZSCH Analyzing & Testing, probele au fost tăiate în conformitate cu figura 1 (a) pentru a studia efectul orientării fibrelor asupra coeficientului de dilatare termică. Orientarea dominantă așteptată a fibrelor este reprezentată în probe (b).
Probele au fost măsurate cu noul TMA 402 F3 Hyperion®Polymer Edition. 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 următor:
Tabelul 1: Condiții de măsurare
| 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 3. După cum era de așteptat, CTE peste Tg este mai mare decât sub Tg; pentru aceste probe este aproximativ dublu. Se poate observa că 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. Proba 2, care este dominată cel mai mult de comportamentul matricei în comparație cu celelalte probe, are același Tg de 143°C, așa cum este menționat în fișa tehnică (măsurat cu un DSC). Proba 1, care prezintă un efect mai mare al fibrelor în CTE, are un Tg mai mare de 152°C, ceea ce 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.
Tabelul 2: Rezumatul rezultatelor Tg
| Proba 1 (roșu) | Proba 2 (albastru) | Proba 3 (verde) | |
| 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 |
Din măsurătorile CTE, precum și din teoria orientării fibrelor în câmpul de curgere, se poate deduce orientarea dominantă a fibrelor în probe, figura 1 b. Se poate observa că, datorită probelor subțiri, efectul stratului înghețat pare a fi dominant în probele 2 și 3. Majoritatea fibrelor sunt orientate în direcția de curgere. 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 a fibrelor).
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.
Nota de aplicare completă cu o comparație între fișa tehnică a producătorului și măsurătorile cu noul TMA 402 F3 Hyperion® Polymer Edition este disponibilă aici!
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.
