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关于注塑成型中填料方向的TMA测试

发布时间: 2020-11-09 16:17 来源: 圆派科学仪器(上海)有限公司

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关于注塑成型中填料方向的TMA测试

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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。

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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。

03.png


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:

表1 测试条件

样品支架

热膨胀,石英支架

样品负载力

50mN

气氛

N2

气体流速

50mL/min

温度区间

5K/min的升温速度从-70°C升高至300°C

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。

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图3:来自不同部位的短碳纤维填充PEEK的TMA测量结果;样品1(红色);样品2(蓝色);样品3(绿色)


表2 Tg结果的汇总


_

样品1 (红色)

样品2 (蓝色)

样品3 (绿色)

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


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。

关于Neue Materialien Bayreuth GmbH

Neue Materialien Bayreuth GmbH是一家非学术研究公司,致力于开发各种新型轻型建筑材料,从聚合物、纤维增强复合材料到金属,包括加工。他们通过优化可用材料和生产流程,面向应用提供解决方案。


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