Введение
Наполнители уже давно играют важную роль в производстве полимеров. Сначала их добавляли для снижения цен на материалы, но теперь они используются в основном из-за других своих преимуществ: Наполнители могут уменьшать усадку, увеличивать жесткость и иногда улучшать внешний вид. Их вводят с целью либо создания новых свойств материала, которыми не обладает матрица, например, огнестойкости, либо усиления существующих свойств, как в случае с волокнами.
При измерении того, как наполненный материал изменяется по длине при нагревании или охлаждении, важным свойством является коэффициент теплового расширения α, или CTE (коэффициент теплового расширения). Знания о поведении материала в этом отношении необходимы для определения значений, имеющих решающее значение для проектирования, таких как усадка, чтобы обеспечить совместимость между партнерами по соединению в конечном продукте.
Однако CTE чувствителен к ориентации наполнителя в формованной детали. Эта ориентация сильно зависит от поля течения, которое описывает, как материал заполняет форму. Поэтому следует ожидать различных значений CTE в формованной детали. Цель данной статьи - исследовать это предположение. Для этого исследования низковязкая смола PEEK с 40 об. % коротких углеродных волокон была отлита под давлением в пластинчатую форму размером 80 x 80 мм и толщиной 2 мм в Neue Materialien Bayreuth. Для получения более равномерного фронта потока и уменьшения обрыва волокон, который мог бы произойти при использовании более тонкого затвора, использовался пленочный затвор. Материал был высушен при 150°C в течение 3 часов перед литьем под давлением с температурой расплава 410°C в пресс-форму при 175°C.
Согласно техническому паспорту, температура плавления составляет 343°C, а стеклования - 143°C. Вязкость расплава при 400°C составляет всего 300 Па. Коэффициент теплового расширения, α, приведен в таблице 2. Как правило, измерения, приведенные в таблице, проводятся на образце для испытаний в виде собачьей кости, который обычно формуется с пленочным затвором. Его толщина составляет 4 мм, а общая длина - 185 мм. Поскольку ориентация наполнителя сильно зависит от поля течения, вполне вероятно, что результирующая ориентация наполнителя в пресс-форме от Neue Materialien Bayreuth будет иной, чем в пресс-форме, использованной для определения свойств, приведенных в таблице данных. Как уже упоминалось, коэффициент теплового расширения чувствителен к ориентации наполнителя, поэтому следует ожидать различных значений CTE в пластине и далее в различных областях пластины.
Как расплавленный материал поступает в форму?
На рис. 2 показана схема образца пластины (a); далее показан профиль скорости по толщине детали, а также фонтанный поток на фронте расплава (b) и результирующая ориентация волокон (c). Из-за градиента скорости на волокна действуют различные силы и моменты, что приводит к характерной ориентации волокон в детали. В центре детали волокна ориентированы перпендикулярно направлению потока из-за растяжения и поперечного течения. Из-за высоких скоростей сдвига у стенки или замороженного слоя волокна ориентированы параллельно потоку. Толщина этого высокоориентированного слоя зависит от толщины замороженного слоя и профиля скорости.
Как были подготовленыи измерены образцы для эксперимента?
Для измерений TMA на сайте NETZSCH Analyzing & Testing образцы размером 25 x 5 мм были вырезаны из различных областей пластины в соответствии с рисунком 3(a) для изучения влияния ориентации волокон на коэффициент теплового расширения. Ожидаемая доминирующая ориентация волокон показана на образцах, представленных на рисунке 3(b). Образцы были измерены с помощью прибора TMA 402 F3 Hyperion® Polymer Edition (рис. 1). После начального охлаждения температура повышалась от -70 до 300°C при скорости нагрева 5 К/мин. Коэффициент теплового расширения рассчитывался с помощью среднего анализа CTE (m. CTE), который рассчитывает наклон между двумя точками данных. Все условия измерений приведены в таблице 1.
Таблица 1: Условия испытаний
| Держатель образца | Расширение, изготовленное из SiO2 |
| Нагрузка на образец | 50 мН |
| Атмосфера | N2 |
| Скорость потока газа | 50 мл/мин |
| Диапазон температур | -70 ... 300°C при скорости нагрева 5 K/мин |
Как тепловое расширение соотносится с полем течения ?
Результаты показаны на рисунке 4. Синяя линия - образец 2, красная линия - образец 1, зеленая линия - образец 3. Как и ожидалось, CTE выше Tg выше, чем ниже Tg; для этих образцов он примерно вдвое выше. Видно, что CTE образца 3 - самый низкий, а образца 2 - самый высокий. Образец 1 находится между ними. Та же тенденция между образцами прослеживается и в Tg. Образец 2, в котором по сравнению с другими образцами в большей степени преобладает поведение матрицы, имеет Tg 143°C, как указано в техническом описании (измерено с помощью ДСК). Образец 1, для которого влияние волокон на CTE больше, имеет более высокую Tg 152°C; это указывает на более высокую жесткость, вносимую волокнами. Это можно определить с помощью ТМА, поскольку он измеряет механическую реакцию. В образце 3 сильно преобладают волокна, поэтому Tg едва заметна и не анализировалась.
Сравнивая результаты измерений на трех образцах со значениями, указанными в техническом паспорте, можно увидеть, что разная толщина образцов и общая геометрия действительно приводят к разным значениям CTE. Показатель CTE в направлении потока во всех образцах выше, чем в техническом паспорте. Это означает, что очень важно получать значения CTE на образцах, форма и геометрия которых аналогичны образцам конечного продукта. В противном случае параметры, важные для проектирования, такие как усадка или совместимость между партнерами по соединению, будут завышены или занижены.
На основании измерений CTE, а также теории ориентации волокон в поле течения можно определить доминирующую ориентацию волокон в образцах; см. рисунок 3(b). Видно, что из-за тонкости образцов эффект замороженного слоя доминирует в образцах 2 и 3. Большинство волокон ориентировано в направлении потока x. Поэтому образец 3 имеет самые низкие значения CTE (измерение в направлении потока и в направлении волокон), а образец 2 - самые высокие (измерение перпендикулярно потоку и направлению волокон). Образец 1 занимает промежуточное положение, поскольку эффект фонтанного потока все еще largeв этой области из-за близости к воротам пленки и того факта, что ориентация волокна следует за круговым потоком на фронте расплава.
Сводные данные по полученным ТГпредставлены в таблице 2.
Таблица 2: Сводные данные по полученным ТГ
| Образец 1 (красный) | Образец 2 (синий) | Образец 3 (зеленый) | Технический паспорт производителя | |
|---|---|---|---|---|
| Tg [°C] | 152 | 143 | - | 143 |
Резюме
Исследование показало важность анализа коэффициента теплового расширения наполненных материалов в зависимости от ориентации наполнителя, на которую влияет поле течения при литье под давлением.
Благодарность
Мы благодарим компанию Neue Materialien Bayreuth GmbH за предоставленные образцы.
О компании Neue Materialien Bayreuth GmbH
arcNeue Materialien Bayreuth GmbH - это неакадемическая компания, занимающаяся разработкой различных новых материалов для легких конструкций, от полимеров и композитов, армированных волокном, до металлов, включая их обработку. Они предлагают ориентированные на применение решения, оптимизируя имеющиеся материалы и производственные процессы(https://www.nmbgmbh.de/en/).