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系統識別號 U0002-2907202013391200
中文論文名稱 科盛公司實習技術報告與玻璃纖維氈增強熱塑性塑膠於壓縮成型製程中纖維基質分離對流變特性影響之研究
英文論文名稱 The Practical Training Report at CoreTech System (Moldex 3D) Co., Ltd., and Study on the Influence of Fiber Matrix Separation on Rheological Properties of Glass Fiber Reinforced Thermoplastic in Compression Molding Process
校院名稱 淡江大學
系所名稱(中) 化學工程與材料工程學系碩士班
系所名稱(英) Department of Chemical and Materials Engineering
學年度 108
學期 2
出版年 109
研究生中文姓名 陳令玨
研究生英文姓名 Ling-Jyue Chen
學號 606400314
學位類別 碩士
語文別 中文
口試日期 2020-06-30
論文頁數 136頁
口試委員 指導教授-黃招財
委員-王智偉
委員-林國賡
中文關鍵字 材料黏彈特性  玻璃纖維氈熱塑性塑膠  壓縮成型  高分子基材與纖維分離 
英文關鍵字 Viscoelasticity  Compression molding  Glass mat thermoplastic (GMT)  Fiber-polymer matrix separation 
學科別分類
中文摘要 本技術報告主要內容將會分為兩大部份,第一部份是針對本人於科盛科技股份有限公司實習一年內所進行常規工作彙整與執行之黏彈專案進行報告。此黏彈專案於規劃中選擇了19種常見的熱塑性材料(實際量測29隻材料),每一隻材料會量測固態黏彈(structure viscoelastic)與液態黏彈(flow viscoelastic)兩性質。固態黏彈是利用DMA(Dynamic Mechanical Analyzer)進行量測,得到材料軟化前的儲存模數(storage modulus)與損失模數(loss modulus);液態黏彈則是利用旋轉流變儀MCR502得到軟化後的儲存模數與損失模數。
第二部份則是針對從碩士一年級開始,進入研究室從事玻璃纖維氈增強熱塑性塑膠於壓縮成型製程中纖維基質分離對流變特性影響之研究。此部分研究我們主要透過含玻璃纖維氈增強熱塑性塑膠、含非連續纖維之熱塑性塑膠與一般之熱塑型純料三種不同纖維含量與形式之材料,在經歷壓縮過程中,其材料流變性是如何變化。期間,我們整合 Instron 機台設計一個壓縮成型系統,採用純料PA、GMT_PA1(玻璃纖維氈增強熱塑性塑膠)與GMT_PA2(非連續性玻纖熱塑性塑膠)三種不同材料,透過不同壓縮速度及不同溫度環境下,探討壓縮力量與壓縮距離之變化結果,進而推演出其材料流變參數,m(power law index)與k(flow consistency index);之後再將該材料之流變特性整合至Moldex3D 進行壓縮成型模擬分析,獲取壓縮力量與壓縮距離之關係,並與實驗結果比對。
英文摘要 The content of this technical report will be divided into two major parts. The first part is a report as I was an intern to handle the viscoelastic project at the CoreTech System (Moldex3D) Co., Ltd. for one year. In this viscoelastic project, 19 common thermoplastic materials were selected in the original plan. It was ended up with 29 materials to be measured. The solid viscoelastic property and liduid viscoelastic property for each selected material have been characterized. Specifically, solid viscoelasticity is measured using DMA (Dynamic Mechanical Analyzer) to obtain the storage modulus and loss modulus of the material before softening. Moreover, the liquid viscoelasticity is tested using the rotary rheometer MCR502 to gain storage modulus and loss modulus.
The second part focuses on the influence of the fiber-polymer matrix separation during the compression molding process for the glass fiber mat-reinforced thermoplastic as a postgraduate. Three different types of fiber content and polymer matrix materials such as glass fiber felt reinforced thermoplastic, non-continuous fibers and general neat thermoplastic materials are applied in the compression process. The changes on material fluid are observed. To discuss the compression force and compression distance, we integrated the Instron machine to design a compression molding system, using neat materials PA, GMT_PA1 (glass fiber felt reinforced thermoplastic) and GMT_PA2 (discontinuous glass fiber thermoplastic), through different compression speeds. Then, the performance of its material rheological parameters- m(power law index)and k(flow consistency index)is figured out. The rheological properties of the material are then integrated into Moldex3D for compression molding simulation analysis to get the relationship between compression force and compression distance. Results showed that the loading force is increased exponentially against displacement by various compression speeds. The trend of the loading force variation is consistent for both numerical simulation and experiments. Moreover, there are some significant deviations presented as follows. Due to no fiber-polymer matrix interaction in the pure polymer PA system, the power-law index and curve-fitting rheological parameter are almost constant. Therefore, the mechanism to cause the deviation is validated.
論文目次 目錄
致謝 I
中文摘要 II
英文摘要 III
目錄 V
圖目錄 VIII
表目錄 XIII
符號說明(第一章) XV
符號說明(第二章) XVI
第一章 、科盛科技實習報告 1
1.1 科盛科技股份有限公司介紹 1
1.2 實習部門簡介-材料科學研究中心 2
1.2.1 材料量測-儀器介紹 3
(a) 旋轉流變儀(cone and plate rheometer)-MCR502、Discovery HR-3 3
(b) 毛細管流變儀(Capillary Rheometer) 5
(c) 萬用拉力試驗機(Universal testing machine) 8
(d) 示差掃描量熱儀(Differential Scanning Calorimeters, DSC) 10
(e) 熱機械分析儀(Thermomechanical Analyzer, TMA) 11
(f) 動態機械分析儀(Dynamic Mechanical Analyzer, DMA) 12
(g) EASYPERM 14
(h) FOAMAT 15
1.2.2 實習期間日常工作彙整-材料量測與材料檔轉檔專案 16
1.2.3 黏彈量測專案 18
(a) 專案目的與實驗流程設計 18
(b) 實驗結果-回火時間效應與尺寸變化 22
(c) 黏彈實驗數據處理 31
(d) 黏彈專案總結 42
1.3 實習心得 43
第二章 、玻璃纖維氈增強熱塑性塑膠於壓縮成型製程中纖維基質分離對流變特性影響之研究 44
2.1 摘要 44
2.2 前言 46
2.3 文獻回顧 48
2.4 材料簡介 54
2.4.1 GMT(Glass Mat reinforced Thermoplastic)材料性質與製程介紹 54
2.4.2 實驗材料 56
2.5 研究方法 59
2.5.1 研究動機及流程 59
2.5.2 實驗研究 61
(a) 壓縮流動實驗儀器介紹-萬能拉力試驗機 61
(b) 壓縮流動實驗儀器介紹-熱重分析儀 (Thermogravimetric analysis, TGA) 63
(c) 壓縮流動實驗-實驗設定 64
2.5.3 實驗結果分析-流變數學理論與模型 66
(a) 黏度模型-假塑性流體(pseudoplastic) 66
(b) 黏度模型-牛頓流體(Newtonian fluid) 67
(c) 黏度模型-冪次定律流體(Power law fluid) 67
(d) 定速壓縮法 68
2.5.4 數值模擬分析 70
(a) 模流軟體-Moldex 3D主控方程式 70
(b) 模擬幾何設計與參數設定 71
2.6 結果與討論 74
2.6.1 PA研究結果 74
(a) 壓縮流動實驗結果 74
(b) 實驗數據擬合-Scott’s equation 76
(c) 數值模擬分析結果 82
(d) 實驗結果與數值模擬分析比較 86
2.6.2 GMT_PA1研究結果 90
(a) 壓縮實驗結果 90
(b) 實驗數據擬合-Scott’s equation 92
(c) 數值模擬分析結果 100
(d) 實驗研究與數值模擬分析比對 103
(e) 纖維含量分析 109
2.6.3 GMT_PA2研究結果 113
(a) 壓縮流動實驗結果 113
(b) 實驗數據擬合-Scott’s equation 115
(c) 數值模擬分析結果 121
(d) 實驗研究與數值模擬分析比對 123
2.7 結論 130
2.8 未來研究方向 132
2.9 參考文獻 133
作者簡介 136


圖目錄
圖 1.2.1 MCR 502及Discovery HR-3機台 4
圖 1.2.2 HIPS(PH-60) 180℃ 動態頻率振盪實驗數據儲存模數(G’)以及損失模數(G”) 4
圖 1.2.3 Göttfert 毛細管流變儀 6
圖 1.2.4毛細管流變儀量測柱塞: (左).熱傳導, (右).黏度 6
圖 1.2.5毛細管壓力效應量測:PC 7
圖 1.2.6毛細管壓力效應量測:PA 7
圖 1.2.7萬用拉力試驗機-INSTRON 8
圖 1.2.8 HIPS拉伸實驗:拉伸速率5 mm/min 9
圖 1.2.9 DSC儀器 10
圖 1.2.10 PerkinElmer TMA 4000 11
圖 1.2.11 DMA設備圖 12
圖 1.2.12夾具類型:(左)三點彎曲,(中)壓縮夾具,(右)拉伸夾具 12
圖 1.2.13夾具類型:(左)剪切夾具,(右)單/雙懸臂 13
圖 1.2.14 EASYPERM機台示意圖 14
圖 1.2.15 FOAMAT機台示意圖 15
圖 1.2.16 HIPS(PH-60):(左)DMA試片, (右)旋轉流變儀試片 21
圖 1.2.17 HIPS(PH-60):(上)大平板,(下)拉伸試片 21
圖 1.2.18固態黏彈:回火時間效應實驗(未回火) 23
圖 1.2.19固態黏彈:回火時間效應實驗(回火16 hr) 23
圖 1.2.20固態黏彈:回火時間效應實驗(回火32 hr) 24
圖 1.2.21固態黏彈:回火時間效應實驗_儲存模數E’ (未回火vs.回火) 24
圖 1.2.22固態黏彈:回火時間效應實驗_儲存模數E” (未回火vs.回火) 25
圖 1.2.23固態黏彈:比較不同回火時間 25
圖 1.2.24固態黏彈:利用單懸臂試片檢視不同回火時間效應實驗 27
圖 1.2.25固態黏彈:_利用三點彎曲夾具測試不同試片尺寸之效應 28
圖 1.2.26固態黏彈:利用單懸臂夾具測試不同試片尺寸之效應 29
圖 1.2.27固態黏彈:利用雙懸臂夾具測試不同試片尺寸之效應 29
圖 1.2.28固態黏彈:利用不同夾具測試不同試片尺寸之效應實驗總彙整 30
圖 1.2.29固態黏彈:新舊DMA機台效能比較 30
圖 1.2.30黏彈實驗數據平移: PMMA 之儲存模數(E’) 33
圖 1.2.31黏彈實驗數據平移:PMMA 之損失模數(E’’) 33
圖 1.2.32 Master curve fitting:PMMA 之儲存模數(E’) 34
圖 1.2.33 Master curve fitting:PMMA 之損失模數(E’’) 34
圖 1.2.34黏彈實驗數據平移:PC之儲存模數(E’) 36
圖 1.2.35黏彈實驗數據平移: PC之損失模數(E’’) 36
圖 1.2.36 Master curve fitting: PC之儲存模數(E’) 37
圖 1.2.37 Master curve fitting: PC之損失模數(E’’) 37
圖 1.2.38黏彈實驗數據平移: COC之儲存模數(E’) 39
圖 1.2.39黏彈實驗數據平移: COC之損失模數(E’’) 39
圖 1.2.40 Master curve fitting: COC之儲存模數(E’) 40
圖 1.2.41 Master curve fitting: COC之損失模數(E’’) 40
圖 2.3.1固定面積壓縮流動系統示意圖 51
圖 2.3.2固定體積壓縮流動系統示意圖 51
圖 2.3.3壓縮流動系統與旋轉流變儀系統黏度整合[15] 52
圖 2.3.4完全滑動與無滑動之各方向速率流動分布圖[9] 52
圖 2.3.5試片壓縮前舉壓縮後圓形記號的影像圖[18] 53
圖 2.3.6 LFT壓縮成型產品的CT scan影像[24] 53
圖 2.4.1層積法製程示意圖[28] 55
圖 2.4.2纖維分散法(濕式)製程示意圖[28] 55
圖 2.4.3纖維分散法(乾式)製程示意圖[28] 55
圖 2.4.4針刺法製程示意圖[28] 55
圖 2.4.5 GMT材料(a)板材;(b)實驗試片 57
圖 2.4.6 GMT_TGA掃描結果 58
圖 2.4.7 GMT_高溫爐燒結示意圖(a)俯視圖;(b)側視圖 58
圖 2.5.1研究流程圖 60
圖 2.5.2萬用拉力試驗機-壓縮流動系統裝置圖 61
圖 2.5.3萬用拉力試驗機-壓縮系統之壓縮柱示意圖 62
圖 2.5.4萬用拉力試驗機-環境烘箱內部結構 62
圖 2.5.5熱重分析儀 (Thermogravimetric analysis, TGA) 63
圖 2.5.6環境烘箱設定溫度與實際溫度差異情形 65
圖 2.5.7剪切稀化流體示意圖 66
圖 2.5.8 Winther研究Silicone elastomer ES-30運用Stefan’s equation計算黏度對照椎板流變儀實驗數據結果圖,虛線為流變儀數據,實線為壓縮系統黏度數據[33] 68
圖 2.5.9 Gibson 不同壓縮比對荷重與壓縮速率取對數後之結果比較圖[26] 69
圖 2.5.10模擬建模幾何設計圖 72
圖 2.6.1 PA,280 ℃壓縮位移對荷重作圖比較不同壓縮速率結果 74
圖 2.6.2 PA,290 ℃壓縮位移對荷重作圖比較不同壓縮速率結果 75
圖 2.6.3 PA,300 ℃壓縮位移對荷重作圖比較不同壓縮速率結果 75
圖 2.6.4 Scott’s equation線性迴歸結果: PA_280 ℃ 77
圖 2.6.5 Scott’s equation線性迴歸結果: PA_290 ℃ 77
圖 2.6.6 Scott’s equation線性迴歸結果: PA_300 ℃ 78
圖 2.6.7不同壓縮高度 Power law參數m及k趨勢圖: PA_280 ℃ 79
圖 2.6.8不同壓縮高度 Power law參數m及k趨勢圖: PA_290 ℃ 80
圖 2.6.9不同壓縮高度 Power law參數m及k趨勢圖: PA_300 ℃ 80
圖 2.6.10純料PA實驗結果擬合 81
圖 2.6.11不同壓縮速率下數值模擬分析結果:PA_280 ℃ 83
圖 2.6.12不同壓縮速率下數值模擬分析結果:PA_290 ℃ 83
圖 2.6.13不同壓縮速率下數值模擬分析結果:PA_300 ℃ 84
圖 2.6.14壓縮速率0.05 mm/s各溫度之PA模擬分析結果 84
圖 2.6.15壓縮速率0.1 mm/s各溫度之PA模擬分析結果 85
圖 2.6.16壓縮速率0.5 mm/s各溫度之PA模擬分析結果 85
圖 2.6.17模擬與實驗結果之比較:PA_290 ℃_0.05 mm/s 86
圖 2.6.18模擬與實驗結果之比較:PA_290 ℃_0.1 mm/s 87
圖 2.6.19模擬與實驗結果之比較:PA_290 ℃_0.5 mm/s 87
圖 2.6.20模擬與實驗結果之比較:PA_290 ℃ 88
圖 2.6.21模擬與實驗結果之比較:PA_280 ℃ 88
圖 2.6.22模擬與實驗結果之比較:PA_300 ℃ 89
圖 2.6.23 GMT_PA1,290 ℃壓縮位移對荷重作圖比較不同壓縮速率結果 91
圖 2.6.24 GMT_PA1,295 ℃壓縮位移對荷重作圖比較不同壓縮速率結果 91
圖 2.6.25 GMT_PA1,300 ℃壓縮位移對荷重作圖比較不同壓縮速率結果 92
圖 2.6.26 Scott’s equation線性迴歸結果: GMT_PA1_290 ℃ 94
圖 2.6.27 Scott’s equation線性迴歸結果: GMT_PA1_295 ℃ 94
圖 2.6.28 Scott’s equation線性迴歸結果: GMT_PA1_300 ℃ 95
圖 2.6.29不同壓縮高度 Power law參數m及k趨勢圖: GMT_PA1_290 ℃ 97
圖 2.6.30不同壓縮高度 Power law參數m及k趨勢圖: GMT_PA1_295 ℃ 97
圖 2.6.31不同壓縮高度 Power law參數m及k趨勢圖: GMT_PA1_300 ℃ 98
圖 2.6.32 Scott’s equation回歸分析所得之黏度: GMT_PA1_290 ℃ 98
圖 2.6.33 Scott’s equation回歸分析所得之黏度: GMT_PA1_295 ℃ 99
圖 2.6.34 Scott’s equation回歸分析所得之黏度: GMT_PA1_300 ℃ 99
圖 2.6.35不同壓縮速率下數值模擬分析結果:GMT_PA1_290 ℃ 101
圖 2.6.36不同壓縮速率下數值模擬分析結果:GMT_PA1_295 ℃ 101
圖 2.6.37不同壓縮速率下數值模擬分析結果:GMT_PA1_300 ℃ 102
圖 2.6.38模擬與實驗結果之比較:GMT_PA1_290 ℃_0.1 mm/min 104
圖 2.6.39模擬與實驗結果之比較:GMT_PA1_290 ℃_0.5 mm/min 104
圖 2.6.40模擬與實驗結果之比較:GMT_PA1_290 ℃_1.0 mm/min 105
圖 2.6.41模擬起始點位移後結果與實驗結果之比較:GMT_PA1_290 ℃ 105
圖 2.6.42模擬與實驗結果之比較:GMT_PA1_295 ℃_0.1 mm/min 106
圖 2.6.43模擬與實驗結果之比較:GMT_PA1_295 ℃_0.5 mm/min 106
圖 2.6.44模擬與實驗結果之比較:GMT_PA1_295 ℃_1.0 mm/min 107
圖 2.6.45模擬與實驗結果之比較:GMT_PA1_300 ℃_0.1 mm/min 107
圖 2.6.46模擬與實驗結果之比較:GMT_PA1_300 ℃_0.5 mm/min 108
圖 2.6.47模擬與實驗結果之比較:GMT_PA1_300 ℃_1.0 mm/min 108
圖 2.6.48壓縮流動實驗試片: (a)壓縮前;(b)壓縮後(纖維與基材分離) 110
圖 2.6.49 TGA分析試片取樣的位置 110
圖 2.6.50 295 ℃不同壓縮速率壓縮後試片纖維濃度 111
圖 2.6.51壓縮後試片之TGA實驗結果與流變參數作圖 112
圖 2.6.52 GMT_PA2,290 ℃壓縮位移對荷重作圖比較不同壓縮速率結果 113
圖 2.6.53 GMT_PA2,300 ℃壓縮位移對荷重作圖比較不同壓縮速率結果 114
圖 2.6.54 GMT_PA2,310 ℃壓縮位移對荷重作圖比較不同壓縮速率結果 114
圖 2.6.55 Scott’s equation線性迴歸結果: GMT_PA2_290 ℃ 116
圖 2.6.56 Scott’s equation線性迴歸結果: GMT_PA2_300 ℃ 116
圖 2.6.57 Scott’s equation線性迴歸結果: GMT_PA2_310 ℃ 117
圖 2.6.58不同壓縮高度 Power law參數m及k趨勢圖: GMT_PA2_290 ℃ 118
圖 2.6.59不同壓縮高度 Power law參數m及k趨勢圖: GMT_PA2_300 ℃ 118
圖 2.6.60不同壓縮高度 Power law參數m及k趨勢圖: GMT_PA2_310 ℃ 119
圖 2.6.61 GMT_PA2實驗結果擬合 119
圖 2.6.62不同壓縮速率下數值模擬分析結果:GMT_PA2_290 ℃ 121
圖 2.6.63不同壓縮速率下數值模擬分析結果:GMT_PA2_300 ℃ 122
圖 2.6.64不同壓縮速率下數值模擬分析結果:GMT_PA2_310 ℃ 122
圖 2.6.65模擬與實驗結果之比較:GMT_PA2_290 ℃_0.5 mm/s 124
圖 2.6.66模擬與實驗結果之比較:GMT_PA2_290 ℃_1.5 mm/s 124
圖 2.6.67模擬與實驗結果之比較:GMT_PA2_290 ℃_2.0 mm/s 125
圖 2.6.68模擬與實驗結果之比較:GMT_PA2_290 ℃ 125
圖 2.6.69模擬與實驗結果之比較:GMT_PA2_300 ℃_0.5 mm/s 126
圖 2.6.70模擬與實驗結果之比較:GMT_PA2_300 ℃_1.5 mm/s 126
圖 2.6.71模擬與實驗結果之比較:GMT_PA2_300 ℃_2.0 mm/s 127
圖 2.6.72模擬與實驗結果之比較:GMT_PA2_300 ℃ 127
圖 2.6.73模擬與實驗結果之比較:GMT_PA2_310 ℃_0.5 mm/s 128
圖 2.6.74模擬與實驗結果之比較:GMT_PA2_310 ℃_1.5 mm/s 128
圖 2.6.75模擬與實驗結果之比較:GMT_PA2_310 ℃_2.0 mm/s 129
圖 2.6.76模擬與實驗結果之比較:GMT_PA2_310 ℃ 129


表目錄
表 1.2.1實習過程中參與並完成量測之材料總表 17
表 1.2.2黏彈專案材料種類與總數 19
表 1.2.3固態黏彈與液態黏彈實驗之操作條件 20
表 1.2.4固態黏彈-尺寸變化實驗參數 20
表 1.2.5固態黏彈-回火時間實驗參數 20
表 1.2.6回火時間模數比較:未回火 vs. 回火16hr 26
表 1.2.7回火時間模數比較:未回火 vs. 回火32hr 26
表 1.2.8回火時間模數比較:回火16hr vs. 回火32hr 26
表 1.2.9黏彈性擬合參數:PMMA 35
表 1.2.10多模式Maxwell模型:PMMA 35
表 1.2.11黏彈性擬合參數:PC 38
表 1.2.12多模式Maxwell模型:PC 38
表 1.2.13黏彈性擬合參數:COC 41
表 1.2.14多模式Maxwell模型:COC 41
表 2.4.1 TGA實驗操作參數表 57
表 2.4.2高溫爐實驗操作參數表 57
表 2.4.3實驗材料總表 58
表 2.5.1壓縮實驗操作條件 65
表 2.5.2數值模擬幾何參數表 72
表 2.5.3模擬操作條件設定表 73
表 2.6.1 Scott’s equation 不同壓縮高度下 Power law 參數表: PA_280 ℃ 78
表 2.6.2 Scott’s equation 不同壓縮高度下 Power law 參數表: PA_290 ℃ 78
表 2.6.3 Scott’s equation 不同壓縮高度下 Power law 參數表: PA_300 ℃ 79
表 2.6.4純料PA實驗結果擬合之流動特性參數 81
表 2.6.5 Scott’s equation 不同壓縮高度下 Power law 參數表: GMT_PA1_290 ℃ 96
表 2.6.6 Scott’s equation 不同壓縮高度下 Power law 參數表: GMT_PA1_295 ℃ 96
表 2.6.7 Scott’s equation 不同壓縮高度下 Power law 參數表: GMT_PA1_300 ℃ 96
表 2.6.8 GMT_PA1各溫度擬合所得之Power law黏度流變參數 100
表 2.6.9 TGA纖維含量實驗結果:GMT_PA1_0.1 mm/min 110
表 2.6.10 TGA纖維含量實驗結果:GMT_PA1_0.5 mm/min 111
表 2.6.11 TGA纖維含量實驗結果:GMT_PA1_1.0 mm/min 111
表 2.6.12 Scott’s equation 不同壓縮高度下 Power law 參數表: GMT_PA2_290 ℃ 117
表 2.6.13 Scott’s equation 不同壓縮高度下 Power law 參數表: GMT_PA2_300 ℃ 117
表 2.6.14 Scott’s equation 不同壓縮高度下 Power law 參數表: GMT_PA2_310 ℃ 117
表 2.6.15 GMT_PA2實驗結果擬合之流動特性參數 120
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