Caracteristici ce descriu comportamentul termic şi reologic al materialelor termoplastice (determinare experimentală) (I)

Este foarte dificil şi costisitor de a predicţiona dependenţa dintre condiţiile de prelucrare şi calitatea pieselor doar prin experienţă. Iată de ce a apărut necesitatea simulării procesului de injectare, interesant fiind faptul că, dintre toate procedeele de prelucrare a polimerilor, în injectare, CAE a avut parte de cel mai mare succes.

Multe procedee de prelucrare a polimerilor sunt continue şi, cu toate că tehnologia procesului poate fi complexă, zonele active care configurează produsul finit atât din punct de vedere geometric cât şi dimensional sunt în general relativ simple şi nu necesită costuri foarte ridicate pentru fabricaţie. În plus, acestea au o flexibilitate considerabilă în modificarea parametrilor procesului de prelucrare. Prin comparaţie, la injectare, costurile de fabricaţie a matriţelor sunt ridicate, bineînţeles şi în funcţie de complexitatea reperelor fabricate iar asigurarea calităţii produselor este determinată în primul rând de modificări în construcţia matriţelor şi mai puţin de reglarea parametrilor de proces [9].

Modificările constructive ale matriţelor sunt laborioase şi costisitoare astfel încât simularea injectării oferă încă din faza de proiectare a produsului soluţii atât pentru geometria, dimensiunile şi materialul din care va fi fabricat acesta dar şi pentru proiectarea optimă a matritelor şi alegerea parametrilor de proces.

Deşi soft-urile pentru simularea injectării nu sunt ieftine, utilizarea lor conduce la obţinerea unor repere de calitate în condiţii de mare productivitate şi la costuri care justifică investiţia [14].

1.1.1. Determinarea experimentală a caracteristicilor care descriu comportamentul termic al materialelor analizate

Paradigma de lucru cu impact ştiinţific se referă la realizarea unei predicţii corecte a valorilor parametrilor de proces în cazul injectării succesive bi-component care să conducă la obţinerea unei adeziuni între cuplurile de materiale injectate suficient de mare astfel încât să poată fi înlocuiţi adezivii. Pentru realizarea acestui deziderat este imperios necesar să se realizeze calibrarea modelelor constitutive incluse în programul dedicat simulării numerice a injectării, softul MoldFlow Autodesk. Calibrarea modelelor constitutive, proces complex şi laborios, s-a realizat în urma determinărilor experimentale a parametrilor caracteristici care descriu comportamentul termic şi reologic al materialelor analizate. S-au determinat prin tehnici de scanare calorimetrică diferenţială (DSC) proprietăţile termice: căldura specifică, temperatura de tranziţie, (şi cea) de ejectare şi energia de activare. Testele au fost efectuate ţinând cont de indicaţiile programului de simulare a injectării Autodesk Moldflow Insight şi de specificaţiile standardelor ASTM D3418 şi ASTM E1269 [3].

Calorimetria diferenţială de baleiaj (DSC - Differential Scanning Calorimetry) este o tehnică pentru studiul termic al polimerilor, atunci când sunt încălziţi.

DSC este utilizat în general pentru studiul tranziţiilor termice ale polimerilor (schimbările care au loc în polimer la creşterea temperaturii). Se pot astfel determina:

- temperatura de tranziţie vitroasă (Tg);

- temperatura de topire/cristalizare, respectiv căldurile de topire/cristalizare.

DSC se mai utilizează pentru determinarea căldurii de reacţie şi de aici a gradului de avansare a unei reacţii (de exemplu la reticularea polimerilor termoreactivi se poate estima evoluţia gradului de reticulare).

De obicei, analizele sunt efectuate în atmosferă inertă (azot, argon) pentru a evita reacţiile ce ar putea avea loc între polimerul studiat şi atmosfera din cuptor (oxidări).

DSC studiază efectele termice asociate tranziţiilor de fază şi reacţiilor chimice în funcţie de temperatură. Rezultatul dat de DSC este diferenţa dintre fluxurile de căldură între eşantion şi referinţă, în funcţie de temperatură. Referinţa este de obicei un creuzet (capsulă) gol, de acelaşi tip cu cel în care se află proba (formă, dimensiuni, material). Există şi posibilitatea de a utiliza ca referinţă un material inert (de exemplu alumina). Ambele creuzete (cu probă şi referinţă) sunt încălzite cu aceeaşi viteză.

Cum presiunea este constantă în interiorul DSC, fluxul de căldură este echivalent cu variaţia entalpiei [15]

Diferenţa dintre eşantion şi referinţă este dată de relaţia

şi poate fi pozitivă sau negativă.

În procesele endotermice (ex. topirea) se absoarbe căldura, fluxul de căldură pentru probă este mai mare decât pentru referinţă, deci ΔdH/dt > 0.

În procesele exoterme (cristalizarea, reacţii de reticulare, de oxidare) se degajă căldura, ΔdH/dt < 0.

Calorimetrul constă într-un cuptor, în care se găsesc doi suporţi pe care se poziţionează cele două creuzete (referinţa şi cel cu probă) aşa cum se prezintă schematizat în figura 1.1 [2]. Sub fiecare suport se găseşte o rezistenţă pentru încălzire şi un senzor de temperatură. Se aplică un curent electric pe rezistenţe, pentru încălzirea probei cu viteza (dT/dt) stabilită (uzual 10  grd/min).

PC-ul ce controlează aparatul trebuie să asigure o viteză de încălzire constantă la ambele creuzete (referinţă şi probă). Datorită prezenţei polimerului, creuzetul cu probă va trebui să primească mai multă căldură pentru a avea aceeaşi creştere în temperatură precum referinţa (creuzetul gol). Această cantitate de căldură suplimentară este măsurată în timpul unui experiment DSC. Odată cu creşterea temperaturii, cantitatea de căldură suplimentară necesitată de probă diferă, în funcţie de procesele/transformările ce au loc.

Cum încalzirea se face electric prin intermediul rezistenţei, aparatul măsoară de fapt diferenţa de potenţial (µV) între cele două circuite electrice de încălzire. Transformarea acestui semnal (µV) în căldură (mW) se face prin calibrare periodică [16].

Curba finală dată de aparat are pe abscisa timp sau temperatură (dependenţa lor fiind liniară), iar pe ordonată diferenţa între căldura furnizată probei şi cea furnizată referinţei la temperatura dată. În timpul încălzirii polimerului, de exemplu de la temperatura camerei la temperatura de descompunere, pot fi înregistrate variaţii ale diferenţei de flux de căldură sau picuri (peak) pozitive sau negative, fiecare pic fiind asociat unui proces specific (topire, cristalizare). Din această curbă pot rezulta mai multe informaţii privind polimerul.

Prima şi cea mai rapidă informaţie este determinarea temperaturii la care un proces are loc, de exemplu temperatura de topire a unui polimer, sau temperatura la care o reacţie începe să aibă loc (reticulare, descompunere). Temperatura vârfului picului este asociată cu temperatura la care viteza de reacţie este maximă.

Determinarea temperaturii de tranziţie vitroasă

Începând de la o anumită temperatură, curba îşi va schimba rapid aliura (proba va avea nevoie de ceva mai multă căldură pentru a-şi creşte temperatura cu viteza impusă). Aceasta semnifică faptul că a crescut capacitatea calorică a polimerului (polimerul tocmai a trecut de temperatura de tranziţie vitroasă).

Se remarcă faptul că nu este asociată nicio entalpie cu această tranziţie (din acest motiv, această tranziţie se mai numeşte tranziţie de ordinul 2).

Efectul tranziţiei vitroase a polimerului pe curba DSC (saltul) este destul de slab şi este observabil la aparatele cu o sensibilitate suficient de mare. În curba din figura 1.2, acest salt este reprezentat principial şi în mod voit mult mai mare decât se observă în realitate.

Se poate remarca faptul că această tranzitie nu are loc instantaneu, ci pe o plajă de temperatură (câteva grade).

Trasându-se liniile de baza înainte şi după tranziţia vitroasă (prin extrapolare, linie punctată), se consideră temperatura de tranziţie vitroasă, Tg, valoarea de temperatură corespunzătoare punctului de pe curbă situat la mijlocul distanţei dintre cele două linii de bază.

Stan Felicia, Fetecău Cătălin, Daniel Dobrea, Bîrsan Dan Cătălin - Universitatea ,,Dunarea de Jos” Galati

Bibliografie

[1] Birsan, D., C., Corelaţia dintre câmpul termic 3d şi proprietăţile îmbinărilor sudate, Teză de doctorat, Galaţi, 2008.

[2] Chang Dae Han, 2007, Rheology and Processing of Polymeric Materials, Volume 2, Polymer Processing, Ed. Oxford University Press, ISBN: 978-0-19-518783-0.

[3] Chang Dae Han, 2007, Rheology and Processing of Polymeric Materials, Volume 1, Polymer Rheology, Ed. Oxford University Pess, ISBN: 978-0-19-518782-3.

[4] Chhabra, R.P., 1999, Non-newtonian flow in the process industries, Fundamentals and Engineering Applications, Ed. Butterworth-Heinemann, ISBN 0 7506 3770 6, pp. 1-28. 1.

[5] Fetecau, C., Stan, F., Dobrea, D., 2010, Journal of Materials Processing Technology, ISSN 0924-0136, lucrare trimisa spre recenzie pe 26.11.2010.

[6] Fetecau, C., Stan, F., Dobrea, D., 2010, Investigation of the adhesion interface obtained through two-component injection molding, International Conference “Advances in Materials and Processing Technologies" (AMPT 2010), 23-27 October, 2010, Paris, France, lucrare prezentată oral şi acceptată pentru publicare în AMERICAN INSTITUTE OF PHYSICS (AIP) Conference Proceedings (ISI).

[7] Fetecau, C., Dobrea, D., Postolache, I., 2010, Overmolding Injection Molding Simulation Of Tensile Test Specimen. International Journal of Modern Manufacturing Technologies, Vol. II, No. 2/2010, ISSN 2067-3604, pag. 45- 50, Revista BDI.

[8] Howard A. Barnes, 2000, Handbook of elementary rheology, Cambrian Printers,.ISBN 0-9538032-0-1, pp. 55-65. 3.

[9] Ivascu, N., Fetecau, C., Stan., F., Postolache, I., 2010, Optimization of the Injection Molding Process Simulation Using Taguchi Method. . În: Revista Materiale Plastice, Bucureşti, ISSN 0025-5289, vol.47 nr.4, în curs de publicare. Revista ISI.

[10] Ivascu, N., Fetecau, C.,, 2010, Dynamic Temperature Control In Injection Molding With New Conformal Heating/Cooling System. In: Analele Universităţii “Dunărea de Jos” din Galaţi, Fascicula V, Anul XXIII (XXVIII), , ISSN 1221-4566, pag. 3-8, Revista BDI, BDI.

[11] Kreith, F., Berger, S.A., et. al., 1999, “Fluid Mechanics”, Mechanical Engineering Handbook, Ed. Frank Kreith, pp. 114-118.

[12] Len k, R. S., 1968, Plastics rheology, Ed. Maclaren and Sons.

[13] Moldflow Plastics Insight v.6.2. 4.

[14]Nedelcu, D., Mindru, D., Fetecău, C., Cohal, V., Cretu, Gh., 2010, Some Aspects Regarding the Simulation of Two-Componet Injection Parts. În: Revista Materiale Plastice (revistă cotată ISI indice de impact pe anul 2008-0,873), Bucureşti, ISSN 0025-5289, vol.47 nr.2, 2010, pag. 225-230, Revista ISI.

[15] Shenoy, A.V., Saini, D.R., 1996, Thermoplastic Melt Rheology and Processing, Ed. Marcel Dekker, ISBN 0-8247-9723-X, pp. 64-82.

[16] Zehev Tadmor, Costas G. Gogos, 2006, Principles of polymer processing, Ed. Wiley Interscience, ISBN 0-471-38770-3, pp 108-113.