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

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.
 

Cristalizarea

Odată cu trecerea deasupra punctului Tg, macromoleculele capătă mai multă mobilitate. Când polimerul ajunge la o anumită temperatură, macromoleculele au suficientă energie pentru a se aşeza într-o dispoziţie ordonată formând zone cristaline (cristalite, sferulite).
Odată cu trecerea (parţială) în fază cristalină, polimerul va degaja căldură (cristalizarea fiind un proces exoterm). În aceste condiţii, sistemul de încălzire a creuzetului cu polimer va furniza mai puţină căldură decât anterior, căldura degajată prin cristalizare fiind utilizată şi ea pentru creşterea constantă a temperaturii cu viteza impusă, ceea ce are drept rezultat apariţia pe grafic a unui pic exoterm [8].

Cel mai important fapt arătat de curba din figura 1.3 este că polimerul poate cristaliza. Dacă se analizează un polimer 100% amorf, cum este polistirenul atactic, nu se obţine acest pic, acest polimer nu cristalizează.
Temperatura punctului cel mai scăzut al curbei este considerată de obicei ca fiind temperatura de cristalizare a polimerului Tc.
Se poate de asemenea calcula suprafaţa picului, aceasta reprezentând căldura latentă de cristalizare a polimerului (în J - pentru întreaga cantitate de probă sau J/g).

Topirea

Aşa cum am văzut anterior, încălzirea polimerului poate permite macromoleculelor să se organizeze în zone cristaline (lamele şi sferulite), dar prea multă căldură poate duce la distrugerea acestora. Astfel, încălzirea în continuare a polimerului deasupra temperaturii T_c duce la topirea zonelor cristaline (macromoleculele nu mai sunt organizate şi se pot mişca liber).
Pentru ca zonele cristaline ale polimerului să se topească este nevoie de un aport de căldură din exterior (topirea fiind un proces endoterm). În aceste condiţii, sistemul de încălzire situat sub creuzetul cu probă va trebui să furnizeze mai multă căldură decât anterior, pe de o parte pentru topirea zonelor cristaline, pe de altă parte pentru a menţine creşterea de temperatură impusă, similar cu creuzetul de referinţă.

Acest aport suplimentar de căldură duce la apariţia unui pic endoterm pe curba DSC.  

Temperatura punctului cel mai înalt al curbei este considerată de obicei ca fiind temperatura de topire a polimerului T_t. Se poate de asemenea calcula suprafaţa picului, aceasta reprezentând căldura latent de topire a polimerului (în J - pentru întreaga cantitate de probă sau J/g). Aceste două picuri prezentate anterior (cristalizare şi topire) nu se regăsesc în cazul polimerilor amorfi [3].

Procentajul de cristalinitate

Am văzut mai sus că toţi polimerii conţin, într-o măsură mai mare sau mai mică, atât zone cristaline cât şi zone amorfe. Determinările DSC pot să ne dea informaţii privind conţinutul (procentajul) de zone cristaline şi amorfe, cunoscând căldura specifică de topire [11].
Folosind căldurile de topire H_t şi de cristalizare H_c determinate anterior (ariile, în J, pentru toată cantitatea de probă), se poate determina cantitatea de căldură H_i ce corespunde topirii zonelor cristaline existente iniţial în polimer (înainte de a trece de Tc)

H_i = H_t - H_c (J)        (1.3)
 

Cantitatea iniţială de zonă cristalină m_c  este dată de relaţia

m_c = H_i /h_t,              (1.4)

unde h_t este căldura specifică de topire (J/g polimer cristalin).

Procentajul de cristalinitate pentru polimerul considerat este dat de

cristalinitate (%) = m_c • 100/ m_p,      (1.5)

unde m_p reprezintă masa de polimer (masa probei) supuse determinării DSC.

Figura 1.3 Cristalizarea polimerului

Figura 1.4 Determinarea temperaturii de topire
 

Determinări experimentale

Pentru efectuarea determinărilor experimentale s-a folosit instrumentul DSC1 de la METTLER TOLEDO, fără fluid de răcire. Softul folosit pentru prelucrarea rezultatelor şi extragerea acestora a fost STAR SW9.10. Temperatura de tranziţie şi cea de ejectare au fost extrase de pe curba de răcire, în timp ce de pe curba de încălzire s-a extras căldura specifică.

S-au supus testelor un număr de şase materiale termoplastice, şi anume:

• Polipropilena (PP);
• Polietilena de joasă densitate (LDPE);
• Polietilena de înaltă densitate (HDPE);
• Acrilonitril-butadien-stiren (ABS);
• Polietilentereftalat (PET);
• Polimetil metacrilat (PMMA).

Programul de testare a fost următorul: probele au fost menţinute timp de 4 minute la temperatura de 25⁰C pentru stabilizare, apoi au fost încălzite cu o viteză de 10⁰C/min până la o temperatură maximă (care diferă de la material la material, conform standardului folosit), menţinute apoi la această temperatură timp de 5 minute, apoi au fost răcite cu o viteză egală cu cea de încălzire.
Conform Moldflow, temperatura de tranziţie corespunde temperaturii de tranziţie sticloasă (T_g) pentru materiale amorfe, şi temperaturii de cristalizare (T_c), pentru polimerii semicristalini.

Temperatura de ejectare este temperatura la care un material este destul de rigid încât să reziste ejectării ei fără deformaţii permanente sau semne datorate tijelor eliminatoare. Astfel, această temperatură s-a extras de pe curba de răcire DSC, fiind temperatura de sfârşit de cristalizare (T_c endpoint) sau de tranziţie (T_g endpoint).

Temperatura de tranziţie este temperatura de solidificare a polimerului. Această temperatură s-a extras tot de pe curba de răcire, cu deosebirea că aceasta s-a considerat ca fiind temperatura de început de cristalizare (T_c onset) pentru polimerii semicristalini, şi central temperaturii de tranziţie sticloasă (T_g midpoint), pentru materialele amorfe.

Tabelul 1.1.Temperatura de tranziţie şi cea de ejectare obţinute prin analize DSC

În tabelul 1.1 şi figurile 1.5 - 1.10 sunt prezentate valorile temperaturilor de tranziţie şi de ejectare şi respectiv graficele din care au fost extrase acestea pentru materialele analizate [6].

Figura 1.5.Temperatura de tranziţie şi cea de ejectare pentru ABS

Figura 1.6.Temperatura de tranziţie şi cea de ejectare pentru HDPE

Figura 1.7.Temperatura de tranziţie şi cea de ejectare pentru LDPE

Figura 1.8.Temperatura de tranziţie şi cea de ejectare pentru PMMA

Figura 1.9.Temperatura de tranziţie şi cea de ejectare pentru PET

Figura 1.10.Temperatura de tranziţie şi cea de ejectare pentru PP

Căldura specifică a fost determinată pentru tot intervalul pe care au fost încălzite probele, fiind extrase zece valori situate la distante egale. În tabelul 1.2 şi figurile 1.11-1.16 sunt prezentate valorile căldurilor specifice şi respectiv graficele din care au fost extrase acestea pentru materialele analizate.

Figura 1.11.Căldura specifică a materialului ABS

Figura 1.12.Căldura specificăa materialului HDPE

Figura 1.13.Căldura specifică a materialului LDPE

Figura 1.14.Căldura specifică a materialului PET

Figura 1.15.Căldura specificăa materialului PMMA

Figura 1.16.Căldura specificăa materialului PP

Tabelul 1.2.Căldura specifică pentru materialele analizate

În tabelul 1.2 sunt prezentate valorile căldurii specifice pentru zece măsurători din fiecare material analizat.

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.OxfordUniversityPress, ISBN: 978-0-19-518783-0.
[3] Chang Dae Han, 2007, Rheology and Processing of Polymeric Materials, Volume 1, Polymer Rheology, Ed. Oxford University Press, 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 prezentatăoral şiacceptatăpentru publicare înAMERICAN 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.