Experimental investigation of the viscoelastic behaviour of a short glass fibre reinforced polyamide

The wide variety of conditions of use and the various possible applications to which short fibre-reinforced composites are adapted make it necessary to fully characterize this material. Of particular interest are the study of the viscoelastic properties, influenced by the action of variables such as temperature and loading rate, and of the hygroscopicity peculiar to some of these composites (particularly the matrix component). The microstructure of this composite, induced by its characteristic injection moulding manufacturing process, is responsible, along with the properties of the constituents, for the response of the composite and consequently deserves in-depth study. All of the factors listed have a determining effect on the parameters that govern the properties of the composite material and in particular the mechanical properties. This thesis work is aimed at the continuation of previous thesis works on the same material, a polyamide matrix composite (a blend of PA 6 and PA66) reinforced at 50% by weight with short glass fibres. The viscoelastic behaviour of this composite is the subject of the investigation. Controlled displacement velocity and creep tests were carried out for this purpose. In addition, accelerated conditioning was devised. This conditioning procedure proved to be sufficiently rapid, and ensured that a constant moisture level was maintained within the material for long periods of time during its storage in a temperature- and humidity-controlled environment and during creep tests. The value of the tangent modulus, measured at different instants in the constant velocity deformation tests performed at different temperatures, allowed the construction of master curves for the reinforced material and for the matrix alone. Application of a data reduction scheme based on time-temperature equivalence proved adequate to obtain the relaxation modulus master curves. These curves predict the material behaviour on very long time scales as might be encountered in a real application. Attempts to predict the behaviour of the reinforced material without having to perform a large number of experimental tests, are implemented through the use of micromechanical models that consider the true micromechanical structure of this composite. These models do not fit the experimental results obtained: possible reasons and solutions are discussed in detail in this work. Interesting results are obtained from the creep tests regarding the effect of the induced microstructure in this composite on the response to various imposed stimuli. A further and larger experimental campaign, based on the use of a larger number of specimens, is necessary in order to verify the results obtained in this work and to attribute them a validity in statistical terms.

La grande varietà di condizioni di utilizzo e le varie possibili applicazioni alle quali i compositi rinforzati con fibre corte si adattano, rendono necessaria una completa caratterizzazione di questo materiale. Di particolare interesse sono lo studio delle proprietà viscoelastiche, influenzate dall’azione di variabili come la temperatura e la velocità di carico, e dell’igroscopicità peculiare per alcuni di questi compositi (in particolare per la componente matrice). La microstruttura di questo composito, indotta dal suo caratteristico processo di produzione per stampaggio a iniezione, è responsabile, insieme alle proprietà dei costituenti, della risposta del composito e merita di conseguenza uno studio approfondito. Tutti i fattori elencati hanno un effetto determinante sui parametri che governano le proprietà del materiale composito e in modo particolare le proprietà meccaniche. Questo lavoro di tesi è volto al proseguimento di lavori di tesi precedenti sullo stesso materiale, un composito a matrice poliammidica (un blend di PA6 e PA66) rinforzato al 50% in peso con fibre di vetro corte. Il comportamento viscoelastico di questo composito è l’oggetto dell’investigazione. Sono state svolte a questo scopo prove a velocità di spostamento controllata e prove di creep. Inoltre, un condizionamento accelerato è stato messo a punto. Questa procedura di condizionamento si è rivelata sufficientemente rapida, e ha garantito il mantenimento di un livello di umidità costante all’interno del materiale per tempi lunghi, sia durante la sua conservazione in un ambiente a temperatura e umidità controllata che durante le prove di creep. Il valore del modulo tangente, misurato in istanti diversi nelle prove di deformazione a velocità costanti effettuate a diverse temperature, ha permesso l’ottenimento di curve maestre per il materiale rinforzato e per la sola matrice. L’applicazione di uno schema di riduzione dati basato sull’equivalenza tempo-temperatura si è rivelato adeguato a questo scopo. Queste curve predicono il comportamento del materiale su scale temporali molto lunghe come potrebbero rivelarsi quelle incontrate in una reale applicazione. Tentativi di predire il comportamento del materiale rinforzato senza dover eseguire un gran numero di test sperimentali, sono attuati tramite l’utilizzo di modelli micromeccanici che considerano la vera struttura micromeccanica di questo composito. Questi modelli non si adattano ai risultati sperimentali ottenuti: le possibili ragioni e soluzioni sono discusse nel dettaglio in questo lavoro. Dalle prove di creep si ottengono risultati interessanti per quanto riguarda l’effetto della microstruttura indotta in questo composito sulla risposta a vari stimoli imposti. Un’ulteriore e più ampia campagna sperimentale basata sull’utilizzo di un numero maggiore di provini è necessaria al fine di verificare i risultati ottenuti in questo lavoro e per attribuirne una validità in termini statistici.