應用案例 | 關于注塑成型中填料方向的TMA測試

熱膨脹系數是評價材料長度隨溫度變化的重要參數。了解材料性質對材料設計非常重要。本文介紹樣品制備和流場如何影響樣品性能和TMA 402 F3 Hyperion^® Polymer Edition測量方法。

填料在聚合物制造行業中發揮著重要作用，加入填料將會降低材料的價格。此外，填料還可以減少收縮，增加剛度以及改善外觀。

熱膨脹系數α或CTE（工程熱膨脹系數）是衡量材料在加熱或冷卻時長度變化的重要參數。通過熱膨脹測量數據，可以幫助設計材料，如終產品收縮性，或者終產品各連接部件之間的膨脹匹配性。

模具中填料的取向對CTE影響很大，而填料取向則取決于模具中的流場，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。本文目的是研究這個現象。將包含40％（體積）短碳纖維的低粘度PEEK樹脂注入80x80mm和2mm厚度的平板模具中成型。通過較薄的澆口獲得更均勻的流動前沿并減少纖維斷裂。

熔融材料如何流入模具中？

圖1(a)為模具的示意圖；(b)為整個模具沿厚度方向的速度分布曲線和熔體前端的噴泉式液流；(c)為終的纖維方向。

圖1 a) 樣品板的坐標系；b) 聚合物的速度分布和噴泉式液流效應的示意圖；c) 整個樣品板厚度的終填充方向

在速度梯度，不同的力和力矩作用下，模具內的纖維出現不同的取向。在模具中心，熔融材料的延伸和橫向流動令纖維方向垂直于流動方向。在模具壁或靜止層處，高剪切速率導致纖維方向與流動方向平行。靜止層的厚度和速度分布決定了纖維取向層的厚度。

實驗樣品制備和測試

耐馳的TMA測量中根據圖1(a)切割樣品，研究纖維方向對熱膨脹系數的影響。(b)為預期的主要纖維方向。

圖2：a）樣品選取位置，b）主要纖維方向

試樣通過TMA 402 F3 Hyperion^® Polymer Edition進行測量，先將樣品冷卻至低溫，然后以5K/min加熱速率從-70°C升至300°C。使用平均CTE（m.CTE，也就是分析計算兩個數據點之間的斜率）計算熱膨脹系數。 下表匯總了測量條件：

熱膨脹與流場是怎樣的關系？

從圖3可看出，同預料情況一致，樣品在高溫區間（>Tg）的CTE大于低溫區間（

根據CTE測量和流場中纖維方向理論，可以推導出樣品中主要的纖維方向，如圖1(b)所示。可以看出，由于樣品較薄，樣品2和樣品3中靜止層的作用為主要的作用，其中大部分纖維的方向為x方向。因此，樣品3的CTE值低（流動和纖維方向上的測量），樣品2的CTE值高（垂直于流動和纖維方向的測量）。

研究表明基于填充方向分析填充材料熱膨脹系數的重要性，以及流場在注射成型過程中對填充材料熱膨脹系數的影響。