关于注塑成型中填料方向的TMA测试

关于注塑成型中填料方向的TMA测试

热膨胀系数是评价材料长度随温度变化的重要参数。了解材料性质对材料设计非常重要。本文介绍样品制备和流场如何影响样品性能和TMA 402 F3 Hyperion^® Polymer Edition测量方法。

填料在聚合物制造行业中发挥着重要作用，加入填料将会降低材料的价格。此外，填料还可以减少收缩，增加刚度以及改善外观。

热膨胀系数α或CTE（工程热膨胀系数）是衡量材料在加热或冷却时长度变化的重要参数。通过热膨胀测量数据，可以帮助设计材料，如最终产品收缩性，或者最终产品各连接部件之间的膨胀匹配性。

模具中填料的取向对CTE影响很大，而填料取向则取决于模具中的流场，即材料填入模具的方式。于是，注塑件中不同位置的CTE值可能不同。本文目的是研究这个现象。将包含40％（体积）短碳纤维的低粘度PEEK树脂注入80x80mm和2mm厚度的平板模具中成型。通过较薄的浇口获得更均匀的流动前沿并减少纤维断裂。

熔融材料如何流入模具中？

图1(a)为模具的示意图；(b)为整个模具沿厚度方向的速度分布曲线和熔体前端的喷泉式液流；(c)为最终的纤维方向。

图1 a) 样品板的坐标系；b) 聚合物的速度分布和喷泉式液流效应的示意图；c) 整个样品板厚度的最终填充方向

在速度梯度，不同的力和力矩作用下，模具内的纤维出现不同的取向。在模具中心，熔融材料的延伸和横向流动令纤维方向垂直于流动方向。在模具壁或静止层处，高剪切速率导致纤维方向与流动方向平行。静止层的厚度和速度分布决定了纤维取向层的厚度。

实验样品制备和测试

耐驰的TMA测量中根据图1(a)切割样品，研究纤维方向对热膨胀系数的影响。(b)为预期的主要纤维方向。

图2：a）样品选取位置，b）主要纤维方向

试样通过TMA 402 F3 Hyperion^® Polymer Edition进行测量，先将样品冷却至低温，然后以5K/min加热速率从-70°C升至300°C。使用平均CTE（m.CTE，也就是分析计算两个数据点之间的斜率）计算热膨胀系数。下表汇总了测量条件：

热膨胀与流场是怎样的关系？

从图3可看出，同预料情况一致，样品在高温区间（>Tg）的CTE大于低温区间（<Tg）的CTE，对于本例中样品而言大约是两倍。样品CTE大小顺序为样品2>样品1>样品3。样品Tg也可以观察到相同的趋势。相比而言，样品2膨胀行为由基体主导，其Tg为143°C，与数据表中所列的相同（用DSC测量）。相比样品2，样品1的CTE体现出更多来自纤维的影响，其Tg更高（152°C），这表明纤维使样品具有更大的刚度。样品3的热膨胀行为由纤维主导，因此Tg几乎不可见。

根据CTE测量和流场中纤维方向理论，可以推导出样品中主要的纤维方向，如图1(b)所示。可以看出，由于样品较薄，样品2和样品3中静止层的作用为主要的作用，其中大部分纤维的方向为x方向。因此，样品3的CTE值最低（流动和纤维方向上的测量），样品2的CTE值最高（垂直于流动和纤维方向的测量）。

研究表明基于填充方向分析填充材料热膨胀系数的重要性，以及流场在注射成型过程中对填充材料热膨胀系数的影响。