Para los materiales de polipropileno (PP) utilizados en aplicaciones de automoción, el coeficiente de expansión lineal (CLTE) es una variable crucial. En general, el CLTE del material de PP es bastante grande, y durante el moldeo por inyección, el CLTE de la dirección de flujo de la masa fundida (MD) y la dirección de flujo vertical (TD) son significativamente diferentes. La dirección MD, que no puede satisfacer la demanda de piezas de automóvil, tiene una dirección TD aproximadamente dos o tres veces mayor. criterios de estabilidad dimensional. Es posible disminuir el desajuste y la brecha de ensamblaje con otros ensamblajes, así como mejorar el efecto de ensamblaje, reduciendo el CLTE del material PP y mejorando su estabilidad dimensional.
Describa los CLTE.
El término CLTE designa la relación entre la longitud inicial (L) y la longitud a la que cambia el material en un intervalo de cambio de temperatura unitario (T); CLTE=L/(LT). Tanto el ensamblaje de las piezas del material como la estabilidad dimensional tras el ensamblaje están influidos por el CLTE del material, que tiene una fuerte correlación con el tamaño del material. Para medir la CLTE se utiliza el análisis termomecánico estático (TMA). Utilizando una carga no vibratoria y un control de temperatura programable, la deformación y la temperatura de una sustancia se miden mediante TMA. La curva medida tiene la longitud de la muestra L o la deformación de la muestra L como ordenada y la temperatura T como abscisa.
Efectos de la resina PP
Las cadenas moleculares del PP, un polímero semicristalino con cierto grado de cristalinidad, se dirigirán a lo largo de la dirección de flujo de la masa fundida durante el proceso de moldeo por inyección. Los parámetros de expansión térmica de los segmentos amorfos del PP son mayores que los de los segmentos cristalinos debido a su mayor movilidad. Por lo tanto, mejorar la cristalinidad y la orientación de la cadena molecular del material de PP puede reducir la CLTE de la sustancia.
Impacto de los endurecedores de elastómeros
Aunque los materiales de PP para automóviles suelen tener buena tenacidad, el PP en sí tiene poca tenacidad, por lo que se necesitan endurecedores elastómeros para modificar la tenacidad. Los elastómeros endurecedores más utilizados son el monómero de etileno-propileno-dieno (EPDM), el elastómero de etileno-alfa olefina (POE) y los elastómeros termoplásticos a base de estireno.
01Efecto de la morfología del elastómero
La CLTE de los compuestos de PP se ve influida significativamente por la forma de la fase de caucho elastómero. La imagen siguiente ofrece una representación esquemática del comportamiento de expansión térmica de diversas morfologías de caucho en mezclas de plástico y caucho.
La relación de viscosidad de la matriz elastómero/PP influye considerablemente en la forma del elastómero. El elastómero tiene forma de varilla en las direcciones MD y TD cuando la relación de viscosidad elastómero/PP es baja, y el PP cristaliza en la dirección opuesta a la orientación del elastómero. Cuando la relación de viscosidad del elastómero/PP es media, el elastómero adquiere una forma de barra en la dirección MD y una forma esférica en la dirección TD. El PP se alinea perpendicularmente a la orientación del elastómero en la dirección MD. El PP perfora aleatoriamente el elastómero en la dirección TD. El cristal está orientado hacia abajo.
Cuando la relación de viscosidad elastómero/PP es alta, el PP penetra en el elastómero de forma aleatoria, la orientación cristalográfica disminuye aún más y el elastómero se vuelve circular en las direcciones MD y TD, lo que indica que es esférico. La CLTE aumenta en las direcciones MD y TD y disminuye en la dirección del espesor cuando aumenta la relación de viscosidad elastómero/PP.
02Efecto del contenido de elastómero
La composición del elastómero, además de su forma, afecta significativamente al CLTE del material de PP.
Cuando el componente EPR es inferior a 20%, la CLTE de la aleación PP/caucho de etileno-propileno (EPR) aumenta progresivamente, y después disminuye bruscamente. como resultado, la CLTE de la aleación PP/EPR aumenta rápidamente. El CLTE de la aleación PP/EPR es de 4,310-5°C-1 cuando el contenido de EPR elastómero es 60%, que es inferior al CLTE del relleno de talco 30% (5,010-5°C-1) y equivalente al del relleno de fibra de vidrio 30% (3,510-5°C-1). Como resultado, la CLTE del material puede disminuirse sin tener mucho relleno, lo que permite utilizarlo en productos de baja densidad.
El etileno y los copolímeros se combinan para crear POE. La cantidad y el tipo de componentes del POE influirán en el CLTE de los materiales de PP. La separación de fases se produce cuando se combinan PP y elastómeros. La separación de fases se produce lentamente cuando el contenido de comonómeros es alto y rápidamente cuando la concentración de comonómeros es baja.
La separación de fase de las cadenas amorfas de PP del elastómero es lenta para POE con un alto contenido de comonómero (30%), lo que se ve impedido por la rápida cristalización del PP, dejando las cadenas amorfas de PP en el elastómero. Como resultado, el PP cristalino reduce la expansión térmica de los segmentos amorfos de PP y de los elastómeros, reduciendo el CLTE. La cadena amorfa de PP se difundirá en el cristal de PP en POE con un bajo contenido de comonómero (9%), y como la expansión térmica del elastómero y el segmento amorfo de PP está menos limitada, el CLTE será mayor. como resultado, cuando aumenta el contenido de comonómero de los elastómeros de POE, también lo hace el CLTE de los materiales de PP.
Además, el CLTE del PP se ve afectado significativamente por la fluidez de fusión del POE. Durante el proceso de dispersión por cizallamiento de los materiales mezclados, el POE se dispersa más fácilmente y forma un estado de fase microscópica de distribución continua cuando aumenta el índice de fluidez de fusión (MFR) del POE. La fase de caucho dispersa se une al PP en la estructura, lo que suprime el comportamiento de expansión térmica del material de PP en las direcciones MD y TD. Como resultado, el CLTE del material de PP disminuye gradualmente.
resultados del relleno
Los rellenos inorgánicos se emplean con frecuencia para modificar el refuerzo de los materiales de PP con el fin de aumentar su rigidez. Algunas de las cargas de refuerzo más utilizadas son el talco en escamas, la mica, los bigotes en forma de aguja, la wollastonita y las fibras de vidrio con una determinada relación longitud-diámetro. Otro relleno habitual es el carbonato cálcico esférico, del que el polvo de talco es el más común. El CLTE de los materiales poliméricos puede reducirse en gran medida añadiendo estas cargas inorgánicas debido a su extremadamente bajo CLTE.
Entre ellas, la reducción del tamaño de las partículas de polvo de talco y el aumento de la concentración de polvo de talco pueden disminuir la CLTE del PP en las direcciones MD y TD.
PP injertado con anhídrido maleico (PP-g-MAH) puede utilizarse como compatibilizador para hacer que las cadenas poliméricas se enreden entre sí, se interpenetren y se mezclen con el relleno al mismo tiempo, mejorando la fuerza de unión interfacial entre el relleno y el PP. La CLTE del material de PP disminuye debido a la supresión del movimiento térmico, y la disminución es mayor en la dirección perpendicular al flujo.
Efectos de los aditivos
Los agentes nucleantes se aplican con frecuencia a los materiales de PP modificados para aumentar la cristalinidad y rigidez del material. Las cadenas de polímero tienen menos libertad de movimiento y experimentan menos expansión térmica en las zonas cristalinas que en las amorfas. Como resultado, la CLTE del material de PP sin el agente nucleante es menor que la del material de PP con el agente nucleante.
Hay muchos factores que afectan a la CLTE, como la resina de PP, el elastómero, la carga y el agente nucleante. Resumiendo los enfoques mencionados, se puede llegar a las siguientes conclusiones:
El CLTE puede reducirse mejorando la cristalinidad y la orientación de la cadena molecular de la resina de PP.
La reducción del CLTE puede lograrse alterando la morfología del elastómero para formar una estructura de fase bicontinua con la matriz de PP, aumentando el contenido de comonómero del elastómero, reduciendo el grado de separación de fases, aumentando el MFR del elastómero, reduciendo su tamaño de partícula y aumentando su MFR.
El CLTE puede reducirse en gran medida añadiendo rellenos inorgánicos con diversas variaciones estructurales.
La cristalinidad del PP puede aumentarse al tiempo que se reduce el CLTE añadiendo un agente nucleante.
