Inledning
Fyllmedel har länge spelat en viktig roll i polymertillverkningsindustrin. Först tillsattes de för att sänka priserna på material, men nu används de främst för sina andra fördelar: Fyllmedel kan minska krympningen, öka styvheten och ibland förbättra utseendet. De introduceras antingen för att skapa nya materialegenskaper som matrismaterialet inte har, t.ex. flamskydd, eller för att förbättra befintliga egenskaper, som i fallet med fibrer.
När man mäter hur ett fyllt material ändrar längd vid uppvärmning eller nedkylning är värmeutvidgningskoefficienten, α, eller Koefficient för linjär termisk expansion (CLTE/CTE)Den linjära termiska expansionskoefficienten (CLTE) beskriver ett materials längdförändring som en funktion av temperaturen.CTE (coefficient of thermal expansion) en viktig egenskap att ta hänsyn till. Kunskap om ett materials beteende i detta avseende behövs för att bestämma värden som är avgörande för konstruktionen, t.ex. krympning, för att säkerställa kompatibilitet mellan fogningspartner i en slutprodukt.
Koefficient för linjär termisk expansion (CLTE/CTE)Den linjära termiska expansionskoefficienten (CLTE) beskriver ett materials längdförändring som en funktion av temperaturen.CTE är dock känsligt för fyllnadsmaterialets orientering i den gjutna delen. Denna orientering är starkt beroende av flödesfältet, som beskriver hur materialet fyller formen. Därför kan man förvänta sig olika värden för Koefficient för linjär termisk expansion (CLTE/CTE)Den linjära termiska expansionskoefficienten (CLTE) beskriver ett materials längdförändring som en funktion av temperaturen.CTE i den gjutna delen. Denna artikel syftar till att undersöka detta antagande. För denna studie formsprutades ett PEEK-harts med låg viskositet och 40 vol% korta kolfibrer i en plattform på 80 x 80 mm och 2 mm tjocklek hos Neue Materialien Bayreuth. En filmgrind användes för att få en mer enhetlig flödesfront och minska fiberbrott, vilket skulle kunna uppstå genom en tunnare grind. Materialet torkades vid 150°C i 3 timmar innan det formsprutades med en Smälttemperaturer och entalpierEtt ämnes smältningsenthalpi, även kallad latent värme, är ett mått på den energitillförsel, vanligtvis värme, som krävs för att omvandla ett ämne från fast till flytande tillstånd. Ett ämnes smältpunkt är den temperatur vid vilken det ändrar tillstånd från fast (kristallin) till flytande (isotropisk smälta).smälttemperatur på 410°C i en form vid 175°C.
Enligt databladet ligger smältpunkten vid 343°C och glasövergången, Tg, vid 143°C. Smältviskositeten vid 400°C är så låg som 300 Pas. Den termiska expansionskoefficienten, α, anges i tabell 2. Mätningarna från databladet utförs vanligtvis på ett dogbone-prov som också är gjutet med en filmgrind. Den har en tjocklek på 4 mm och en total längd på 185 mm. Eftersom fyllmedelsorienteringen är starkt beroende av flödesfältet är det troligt att den resulterande fyllmedelsorienteringen kommer att vara annorlunda i formen från Neue Materialien Bayreuth än i den form som används för att bestämma egenskaperna på databladet. Som redan nämnts är den termiska expansionskoefficienten känslig för fyllmedelsorienteringen, olika värden för Koefficient för linjär termisk expansion (CLTE/CTE)Den linjära termiska expansionskoefficienten (CLTE) beskriver ett materials längdförändring som en funktion av temperaturen.CTE kan förväntas i plattan och vidare i olika regioner av plattan.
Hur flödar det smälta materialet in i formen?
Figur 2 visar en schematisk bild av provplattan (a); vidare visas hastighetsprofilen över detaljens tjocklek samt fontänflödet vid smältfronten (b) och den resulterande fiberorienteringen (c). På grund av hastighetsgradienten verkar olika krafter och moment på fibrerna och leder till en karakteristisk fiberorientering inom delen. I mitten av detaljen är fibrerna orienterade vinkelrätt mot flödesriktningen på grund av extensionellt och transversellt flöde. På grund av de höga skjuvhastigheterna vid väggen eller det frusna skiktet är fibrerna orienterade parallellt med flödet. Tjockleken på detta starkt orienterade skikt beror på tjockleken på det frusna skiktet och hastighetsprofilen.
Hur förbereddesoch mättes proverna för experimentet?
För TMA-mätningarna på NETZSCH Analyzing & Testing skars prover på 25 x 5 mm från olika delar av plattan enligt figur 3(a) för att studera fiberorienteringens effekt på värmeutvidgningskoefficienten. Den förväntade dominerande fiberorienteringen visas i de prover som visas i 3(b). Proverna mättes med TMA 402 F3 Hyperion® Polymer Edition (figur 1). Efter ett inledande kylsteg ökades temperaturen från -70 till 300°C med en uppvärmningshastighet på 5 K/min. Den termiska expansionskoefficienten beräknades med hjälp av medel-Koefficient för linjär termisk expansion (CLTE/CTE)Den linjära termiska expansionskoefficienten (CLTE) beskriver ett materials längdförändring som en funktion av temperaturen.CTE-analysen (m. Koefficient för linjär termisk expansion (CLTE/CTE)Den linjära termiska expansionskoefficienten (CLTE) beskriver ett materials längdförändring som en funktion av temperaturen.CTE), som beräknar lutningen mellan två datapunkter. Alla mätförhållanden sammanfattas i tabell 1.
Tabell 1: Testförhållanden
| Provhållare | Expansion, tillverkad av SiO2 |
| Belastning på provet | 50 mN |
| Atmosfär | N2 |
| Flödeshastighet för gas | 50 ml/min |
| Temperaturområde | -70 ... 300°C vid en uppvärmningshastighet på 5 K/min |
Hur korrelerar den termiska expansionen med flödesfältet ?
Resultaten visas i figur 4. Den blå linjen är prov 2, den röda linjen prov 1 och den gröna linjen prov 3. Som väntat är Koefficient för linjär termisk expansion (CLTE/CTE)Den linjära termiska expansionskoefficienten (CLTE) beskriver ett materials längdförändring som en funktion av temperaturen.CTE över Tg högre än under Tg; för dessa prover är den ungefär dubbelt så hög. Man kan se att Koefficient för linjär termisk expansion (CLTE/CTE)Den linjära termiska expansionskoefficienten (CLTE) beskriver ett materials längdförändring som en funktion av temperaturen.CTE för prov 3 är lägst och att prov 2 har de högsta värdena. Prov 1 ligger däremellan. Samma trend bland proverna kan observeras i Tg. Prov 2 - som domineras mer av matrisbeteendet jämfört med de andra proverna - har samma Tg på 143°C som anges i databladet (uppmätt med en DSC). Prov 1, där fiberns effekt på Koefficient för linjär termisk expansion (CLTE/CTE)Den linjära termiska expansionskoefficienten (CLTE) beskriver ett materials längdförändring som en funktion av temperaturen.CTE är större, har ett högre Tg på 152°C; detta indikerar den högre styvhet som fibrerna ger. Detta kan upptäckas i en TMA, eftersom den mäter ett mekaniskt svar. Prov 3 domineras starkt av fibrerna och därför är Tg knappt synligt och analyserades inte.
Om man jämför mätningarna på de tre proverna med värdena i databladet kan man se att de olika provtjocklekarna och övergripande geometrierna verkligen resulterar i olika Koefficient för linjär termisk expansion (CLTE/CTE)Den linjära termiska expansionskoefficienten (CLTE) beskriver ett materials längdförändring som en funktion av temperaturen.CTE-värden. CTE i flödesriktningen är i alla prover högre än i databladet. Detta innebär att det är mycket viktigt att få fram CTE-värden på provkroppar med liknande form och geometri som slutprodukten. Annars kommer parametrar som är viktiga för konstruktionen, t.ex. krympning eller kompatibilitet mellan sammanfogningspartners, att över- eller underskattas.
Från CTE-mätningarna samt teorin om fiberorientering i flödesfältet kan den dominerande fiberorienteringen i proverna härledas; se figur 3(b). Man kan se att på grund av provernas tunnhet verkar effekten av det frysta skiktet vara dominerande i prov 2 och 3. Majoriteten av fibrerna är orienterade i flödesriktningen x. Därför ger prov 3 det lägsta CTE-värdet (mätning i flödet och i fiberriktningen) och prov 2 de högsta värdena (mätning vinkelrätt mot flödet och fiberriktningen). Prov 1 ligger mellan de två, eftersom fontänflödeseffekten fortfarande är störst i detta område på grund av dess närhet till filmporten och det faktum att fiberorienteringen följer det cirkulära flödet vid smältfronten.
En sammanfattning av de resulterande Tgspresenteras i tabell 2.
Tabell 2: Sammanfattning av de resulterande Tgs
| Prov 1 (rött) | Prov 2 (blå) | Prov 3 (grönt) | Tillverkarens datablad | |
|---|---|---|---|---|
| Tg [°C] | 152 | 143 | - | 143 |
Sammanfattning
Studien visade att det är viktigt att analysera värmeutvidgningskoefficienten för fyllda material baserat på fyllmedelsorienteringen, som påverkas av flödesfältet under formsprutningen.
Bekräftelse
Vi vill tacka Neue Materialien Bayreuth GmbH för att de tillhandahöll proverna.
Om Neue Materialien Bayreuth GmbH
Neue Materialien Bayreuth GmbH är ett icke-akademiskt forskningsföretag som utvecklar olika nya material för lättviktskonstruktioner, från polymerer och fiberförstärkta kompositer till metaller, inklusive bearbetning. De tillhandahåller tillämpningsorienterade lösningar genom att optimera tillgängliga material och produktionsprocesser(https://www.nmbgmbh.de/en/).