Characterisation and prediction of mechanical properties of injection moulded polypropylene

Abstract

The characterisation of an automotive grade polypropylene, using a Taguchi L8 orthogonal array, was carried out in order to evaluate and quantify the differences in morphological features such as: skin ratio (Sa), bulk and skin crystallinity (χbulk and χskin), molecular orientation (Ωs) and β-phase content (k-value), and tensile properties: yield stress (σy), elastic modulus (E) and strain at break (εb) induced by different processing conditions. The morphological features were assessed by polarised light microscopy, differential scanning calorimetry and wide angle x-ray diffraction, respectively. The mechanical properties by quasi-static (20 mm/min) and high speed tensile (1 and 3 m/s) tests. Afterwards, Autodesk Moldflow Insight 2012 was used to calculate thermomechanical variables using a dual domain mesh model to later apply the thermomechanical indices methodology. It was used to describe the variation of both morphological and mechanical properties and to subsequently establish mathematical equations to describe straightforward relationships between the TMI and these properties. Such regression equations allow the prediction of mechanical properties as a function of the injection moulding conditions. Finally, an industrial-like case-study was carried out (using samples supplied by an industrial company) in order to identify the processing conditions that display the highest values of peak force and puncture energy measured in a falling weight impact test and subsequently establish the TMI methodology to predict the impact responses of the used material. Analysis of Variance was used to quantify the effect of the processing conditions on all morphological and tensile properties. Globally it was found a strong influence of the injection velocity (vi) and injection temperature (Ti) on the morphological parameters. A decrease of Ti seems to increase the majority of the morphological features, whereas a contrary effect was observed for vi. Sa increased for low values of vi and all other morphological properties increased with the increase of the injection velocity. Regarding the mechanical properties, the mould temperature (Tw) and holding pressure (Ph) were the most significant processing conditions. A low value of Tw resulted in the increase of the majority of tensile properties. On the other hand, an opposing effect was observed for the holding pressure. σy and E presented a low variation within each microstructure which can be due to the coupled effect of opposing effects on these properties (Ωs and k- value) promoted by the same processing variables and the fact that the bulk crystallinity showed virtually no variation. In the case-study, a lack of variation on the impact properties was also observed which in due turn compromised the use of the full extent of the TMI. This methodology is still under development but shows a great potential to predict both morphological and mechanical responses as a function of the existent thermomechanical environment.

A caracterização de um polipropileno de grau automóvel, utilizando uma matriz ortogonal Taguchi L8, foi realizada a fim de avaliar e quantificar diferenças produzidas por diferentes condições de processamento em propriedades morfológicas, tais como: rácio casca- núcleo (Sa), cristalinidade média (χbulk) e da casca (χskin), orientação molecular (Ωs) e população de esferulites na fase β (k- value), e em propriedades mecânicas medidas à tração: tensão de cedência (σy), módulo de elasticidade (E) e deformação à rutura (εb). As características morfológicas foram avaliadas, respetivamente, através de microscopia de luz polarizada, calorimetria diferencial de varrimento e difração de raio-X. As propriedades mecânicas por ensaios de tração realizados a velocidades quase-estáticas (20 mm/min) e a alta velocidade (1 e 3 m/s). Posteriormente, o software Autodesk Moldflow Insight 2012 foi utilizado para calcular variáveis termomecânicas utilizando um modelo com malha dual domain de forma a aplicar a metodologia dos índices termomecânicos (TMI). Esta foi utilizada para descrever a variação nos parâmetros morfológicos e mecânicos e subsequentemente estabelecer relações matemáticas diretas entre os TMI e as propriedades avaliadas. Por fim, um caso de estudo foi realizado (utilizando amostras fornecidas por uma empresa) de forma a identificar as condições de processamento que apresentam maiores valores de força de pico e energia à rutura medidas num ensaio de queda de dardo e, posteriormente, aplicar a metodologia dos TMI para prever as respostas de impacto deste material. Análise de variância foi utilizada para quantificar a influência das condições de processamento nas propriedades morfológicas e mecânicas medidas à tração. Verificou-se que a temperatura (Ti) e velocidade de injeção (vi) são as variáveis operatórias que mais influenciam as propriedades morfológicas. Uma diminuição de Ti levou ao aumento da generalidade dos parâmetros avaliados ao passo que vi apresentou um efeito contraditório. Sa aumentou para baixos valores de vi e os restantes parâmetros morfológicos para um aumento da velocidade de injeção. Em relação às propriedades mecânicas, a temperatura do molde (Tw) e a pressão de manutenção (Ph) foram as variáveis mais importantes. Uma redução de Tw conduziu a um aumento da generalidade das propriedades à tração, por outro lado um efeito contraditório foi observado por parte de Ph. A tensão de cedência e módulo de elasticidade dentro das diferentes microestruturas apresentaram uma baixa variação. Tal pode ser devido a um efeito sinergético provocado por efeitos antagónicos (Ωs e k-value) que são promovidos pelas mesmas variáveis operatórias e ao facto de a cristalinidade média se apresentar praticamente constante nas diferentes microestruturas. No caso de estudo, uma falta de variação nas propriedades ao impacto também foi observado comprometendo a utilização dos TMI. Esta metodologia ainda se encontra em desenvolvimento mas mostra grande potencial para prever propriedades mecânicas e morfológicas em função do ambiente termomecânico existente no processo de injeção.