07.10.2020 by Dr. Natalie Rudolph
Vad TMA-mätningar kan berätta om fyllmedelsorientering vid formsprutning
Fyllnadsmedel har länge spelat en viktig roll i polymertillverkningsindustrin. En viktig egenskap för att mäta hur det fyllda materialet ändrar längd när det värms upp eller kyls är den termiska expansionskoefficienten. Kunskap om detta materialbeteende krävs för att kunna bestämma viktiga konstruktionsvärden. Lär dig hur flödesfältet och provberedningen påverkar egenskapen och se hur mätningar med TMA 402 F3 Hyperion® Polymer Edition utförs.
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.
En viktig egenskap för att mäta hur det fyllda materialet ändrar längd när det värms upp eller kyls är den termiska expansionskoefficienten, α, eller Koefficient för linjär termisk expansion (CLTE/CTE)Den linjära termiska expansionskoefficienten (CLTE) beskriver ett materials längdförändring som en funktion av temperaturen.CTE (termisk expansionskoefficient). Kunskap om detta materialbeteende krävs för att kunna bestämma konstruktionsvärden som t.ex. krympning eller kompatibilitet mellan sammanfogningspartners i den slutliga produkten.
Koefficient för linjär termisk expansion (CLTE/CTE)Den linjära termiska expansionskoefficienten (CLTE) beskriver ett materials längdförändring som en funktion av temperaturen.CTE är emellertid känsligt för fyllmedlets 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.
Hur flödar det smälta materialet in i formen?
Figur 1 visar en schematisk bild av provplattan (a) samt hastighetsprofilen över detaljens tjocklek liksom 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 i detaljen. I mitten av delen 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 bereddes och mättes proverna för experimentet?
För TMA-mätningarna på NETZSCH Analyzing & Testing skars prover enligt figur 1 (a) för att studera fiberorienteringens effekt på värmeutvidgningskoefficienten. Den förväntade dominerande fiberorienteringen visas i proverna (b).
Proverna mättes med den nya TMA 402 F3 Hyperion®Polymer Edition. 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 följande tabell:
Tabell 1: Mätförhållanden
| 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 3. Som väntat är CTE över Tg högre än under Tg; för dessa prover är den ungefär dubbelt så hög. Man kan se att CTE för prov 3 är lägst och att prov 2 har de högsta värdena. Prov 1 ligger däremellan. Samma trend mellan proverna kan observeras i Tg. Prov 2, som domineras mest av matrisbeteendet jämfört med de andra proven, har samma Tg på 143°C som anges i databladet (uppmätt med DSC). Prov 1 som visar mer effekt av fibrerna i CTE har ett högre Tg på 152°C, vilket indikerar den högre styvhet som fibrerna ger. Detta kan detekteras i en TMA, eftersom den mäter ett mekaniskt svar. Prov 3 är starkt dominerat av fibrerna och därför är Tg knappt synligt och analyserades inte.
Tabell 2: Sammanfattning av resulterande Tg
| Prov 1 (röd) | Prov 2 (blå) | Prov 3 (grönt) | |
| 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 |
Från CTE-mätningarna samt teorin om fiberorientering i flödesfältet kan den dominerande fiberorienteringen i proverna härledas, figur 1 b. Det framgår att på grund av de tunna proverna verkar effekten av det frysta lagret 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).
Studien visade vikten av att analysera värmeutvidgningskoefficienten för fyllda material baserat på fyllmedelsorienteringen, som påverkas av flödesfältet under formsprutningen.
Den fullständiga applikationsnoten med en jämförelse mellan tillverkarens datablad och mätningarna med den nya TMA 402 F3 Hyperion® Polymer Edition finns tillgänglig här!
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 applikationsorienterade lösningar genom att optimera tillgängliga material och produktionsprocesser.
