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关于注塑成型中填料方向的TMA测试方案
2020/11/09 17:10
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方案摘要：
产品配置单：
热重分析仪 TG 209 F1 Libra®
型号： TG 209 F1 Libra®
产地： 德国
品牌： 耐驰
¥10万 - 20万
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高温型差示扫描量热仪 DSC 404 F1 Pegasus®
型号： DSC 404 F1 Pegasus®
产地： 德国
品牌： 耐驰
¥50万 - 100万
参考报价
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方案详情：
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：
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。
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] | 热重 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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