Как наполнители влияют на поведение порошков SLS при кристаллизации

Одним из требований может быть повышенная пластичность (например, PA11), другим - лучшая стабильность размеров (например, добавление стеклянных шариков), повышенная электро- или теплопроводность (например, наполнители, такие как алюминий или медь) или повышенная жесткость и прочность (например, добавление стеклянных или углеродных волокон).

Наполнители выступают в качестве мест зарождения

Добавление любого наполнителя в порошок SLS обычно влияет на поведение кристаллизации, поскольку поверхности наполнителей выступают в качестве гетерогенных мест зарождения. Проводящие наполнители также могут влиять на температуру материала и, следовательно, дополнительно изменять его поведение.измерения методом динамической дифференциальной сканирующей калориметрии (ДСК) могут дать первые признаки изменения поведения, которые затем могут быть дополнительно проанализированы с помощью изотермических измерений при температуре или близкой к температуре изготовления.

Добавление проводящих медных наполнителей

Чтобы понять влияние проводящих наполнителей, исследователиarcиз Института полимерных технологий (LKT) при Университете Эрлангена-Нюрнбурга провели эксперимент с медными наполнителями [1]. Они использовали различные смеси медных сфер и хлопьев (рис. 1) в разном содержании и проанализировали поведение при обработке, а также полученные проводящие свойства с целью создания сложных компонентов для терморегулирования. Различные образцы были приготовлены путем добавления медных сфер в количестве 5 и 10 об% и медных хлопьев в количестве 5 об% к порошку PA12. Плотность энергии 0,043 ^Дж/мм2 оставалась постоянной для всех материалов, чтобы выявить любые изменения в поведении процесса под воздействием наполнителей.

Определение технологического окна и поведения кристаллизации порошка PA12 с частицами меди

На сайте NETZSCH Analyzing & Testing был использован прибор DSC 214 Polyma для анализа технологического окна и поведения кристаллизации различных смесей порошка PA12 с частицами меди по сравнению с чистым материалом PA12.

Для каждого измерения образец массой 5 мг нарезался и помещался в алюминиевую кастрюлю с вогнутым дном (Concavus^®al) и закрытой крышкой. Образец охлаждался от комнатной температуры до начала измерений при -20°C. Затем его нагревали до 200°C при скорости нагрева 10 К/мин и охлаждали при той же скорости охлаждения 10 К/мин до -20°C.

Условия измерений приведены в следующей таблице.

Таблица 1: Условия измерения

Результаты для неочищенного PA12 были подробно рассмотрены в предыдущем блоге!

Изменение поведения при кристаллизации

На рис. 2 представлены результаты^{первого} нагрева и охлаждения для всех 4 образцов. Как видно, пиковая температура плавления не зависит от добавления наполнителей (разница в площади связана с разным содержанием наполнителей и не нормировалась на этом графике).

Однако можно заметить, что пиковая температура кристаллизации, а также начало кристаллизации смещаются к более высоким температурам с увеличением содержания наполнителя.

Пик смещается с 145,8°C для чистого материала до 149,1°C для 5 об. % медных наполнителей и до 151,3°C для 10 об. %, соответственно.

Можно сделать вывод, что наполнители действуют как места зарождения и ускоряют кристаллизацию. selectЭто приводит к некоторому сокращению технологического окна и должно быть учтено при выборе условий обработки.

Аналогичный эффект был отмечен компанией WILO SE, поставщиком насосов и насосных систем премиум-класса для производства стеклянных и углеродных волокон. Ознакомьтесь с примером из практики здесь!

Получение лучшего понимания поведения при кристаллизации

Дополнительные исследования поведения изотермической кристаллизации могут быть полезны для лучшего понимания этого поведения. Подробное описание процедуры измерения приведено здесь для ненаполненного порошка PA12.

Исследовательский центрarcкомпании LKT провел дополнительные изотермические исследования при температуре 165°C для образцов с медным наполнителем и обнаружил, что время полураспада кристаллизации уменьшается из-за добавления наполнителей, что еще раз подтверждает эффект нуклеации. Полностью с исследованием можно ознакомиться здесь [открытый доступ]!

Об Институте полимерных технологий (LKT)

arcИнститут полимерных технологий - это академический институт при Университете Фридриха-Александра в Эрлангене-Нюрнберге.arcИнститут является одним из лидеров в области аддитивного производства, в частности SLS.arcarcПомимо этих направлений, институт работает над такими междисциплинарными темами, как компаундирование наполнителей, моделирование процессов переработки и применения, радиационное сшивание термопластов, щадящая обработка и многое другое.

Источники

[1] Lanzl, L., Wudy, K., Greiner, S., Drummer D., Selective Laser Sintering of Copper Filled Polyamide 12: Characterization of Powder Properties and Process Behavior, Polymer Composites, pp. 1801-1809, 2019.