| Published: 

مؤشر التدفق الذائب: تفوّق قياسات لزوجة القص لمقارنة البوليمرات

مقدمة

في صناعة البوليمرات، يعتبر مؤشر التدفق الذائب (MFI) ومعدل حجم الذوبان (MVR) من المقاييس الأساسية المستخدمة لتقييم خصائص تدفق اللدائن الحرارية. يقيس مؤشر MFI (أو MFR لمعدل التدفق الذائب) كتلة البوليمر الذي يتدفق عبر قالب في ظروف محددة، وعادةً ما يتم التعبير عنه بالجرام لكل 10 دقائق، بينما يقيس معدل حجم التدفق الذائب حجم البوليمر المتدفق في نفس الظروف، ويتم التعبير عنه بالسنتيمتر المكعب لكل 10 دقائق. هذه المقاييس موحدة بموجب المواصفة القياسية ISO 1133 و ASTM D-1238 وتستخدم عادةً لمراقبة الجودة واختيار المواد ومقارنة الراتنجات من موردين مختلفين. تعد MFI و MVR قياسات قياسية في مراقبة الجودة لمراقبة التغيرات بين الدفعات أو مع دفعة أثناء المعالجة. تُستخدم MFI بشكل أكثر شيوعًا من MVR وكثيرًا ما يتم استخدامها لتقييم ومقارنة المواد المعاد تدويرها، مما يوفر طريقة سريعة لتقييم خصائص تدفق هذه المواد. ومع ذلك، يمكن أن يكون هذا الاستخدام مضللًا، حيث إن هذه المقاييس لا تمثل بدقة سلوك البوليمرات في ظل معدلات القص العالية النموذجية للمعالجة الصناعية. ويعد هذا التناقض حرجًا بشكل خاص في عمليات مثل القولبة بالحقن، حيث تكون خصائص التدفق والتصلب لذوبان اللدائن الحرارية أمرًا بالغ الأهمية. يتم وصف تدفق ذوبان اللدائن الحرارية من خلال اللزوجة الديناميكية، والتي تعتمد على معدل القص. كلما زاد معدل القص، كلما انخفضت لزوجة الذائب، مما يعني أنه يتدفق بسهولة أكبر كلما تحرك بشكل أسرع. يتم تحديد هذه الخاصية في مقياس الانسيابية الشعرية. تستكشف هذه المذكرة التطبيقية هذه القيود وتشرح لماذا توفر قياسات لزوجة القص التي يتم الحصول عليها عن طريق قياس الانسيابية الشعرية فهمًا أكثر شمولاً لقابلية معالجة البوليمر. وباستخدام البولي بروبلين (PP) كدراسة حالة، نقارن اللزوجة المستمدة من قياس اللزوجة الشعري الشعري مع لزوجة القص التي تم قياسها عبر مجموعة من معدلات القص ودرجات الحرارة.

فهم مؤسسة التمويل الأصغر ومعدل التغير المناخي

يرتبط مقياسا MFI و MVR ارتباطًا وثيقًا، ويعتمد التحويل بينهما على كثافة ذوبان البوليمر عند درجة حرارة الاختبار. وتُعطى العلاقة من خلال:

المعادلة 1

مع

MVR هو معدل حجم الذوبان (سم مكعب/10 دقيقة)
MFI هو مؤشر التدفق الذائب (جم/10 دقيقة)
р هي كثافة ذوبان البوليمر (جم/سم مكعب).

يسمح هذا التحويل باستخدام MFI و MVR بالتبادل عندما تكون الكثافة معروفة، مما يتيح إجراء مقارنات بين المواد ذات الكثافات المختلفة. هذا مفيد بشكل خاص عند تقييم المواد المعاد تدويرها، والتي قد تختلف في الكثافة بسبب التلوث أو التدهور أو خلط درجات البوليمر المختلفة. ومع ذلك، في حين أن مقياسي MFI مناسبان لهذه المقارنات، إلا أنهما لا يوفران سوى رؤية محدودة لخصائص تدفق البوليمر. لا يصور كل من المقياسين سوى نقطة بيانات واحدة على منحنى التدفق، مشتقة في ظل ظروف محددة لا تحاكي معدلات القص العالية وبيئات التدفق المعقدة النموذجية للمعالجة الصناعية. هذا القيد مهم بشكل خاص عند مقارنة المواد المعاد تدويرها، حيث يمكن أن تظهر هذه المواد اختلافات كبيرة في السلوك لا يمكن التقاطها من خلال مقياس التدفق متعدد العناصر وحده.

محدوديات التصوير بالرنين المغناطيسي/التصوير بالرنين المغناطيسي المتعدد الوسائط في تطبيقات العالم الحقيقي

يستخدم MFI على نطاق واسع لأنه يوفر طريقة بسيطة وسريعة لتقييم خصائص التدفق الأساسية للبوليمرات. ومع ذلك، يمكن أن تكون بساطته مضللة. تقيس MFI معدل تدفق ذوبان البوليمر عند معدل قص منخفض. يمكن حساب معدل القص الحقيقي γw عند الجدار من معدل القص MVR والأبعاد المميزة للفوهة.

المعادلة 2

بافتراض أن معدل MVR ل PP يساوي 13 سم مكعب/ 10 دقيقة وقطر فوهة MFI يساوي 2.095 مم (r = 1.0475 مم)، نحصل على معدل قص 23.5 ث-1. بافتراض نطاق نموذجي لمعدل القص المتغير من 5 إلى 25، يتراوح معدل القص أيضًا من 7 إلى 36 ث-1 - وكلها أقل بكثير مما هو موجود في العمليات الصناعية مثل القولبة بالحقن والبثق والطلاء، حيث يمكن أن تتجاوز معدلات القص 1000 ث-1. ونتيجة لذلك، يوفر التصوير بالرنين المغناطيسي المتعدد الأبعاد رؤية محدودة من نقطة واحدة لكيفية تصرف المادة في ظل هذه الظروف الأكثر تطلبًا.

تتضح قيود MFI بشكل خاص عند استخدامها لمقارنة المواد المعاد تدويرها. فغالبًا ما يكون للبوليمرات المعاد تدويرها أوزان جزيئية ومستويات تلوث ودرجات تحلل متفاوتة، وكل ذلك يؤثر على سلوك تدفقها. ونظرًا لأن تقنية MFI لا تلتقط سلوك التدفق إلا عند معدل قص واحد منخفض، فقد لا تعكس بدقة كيفية أداء هذه المواد أثناء المعالجة. على سبيل المثال، يمكن أن يُظهر اثنان من المواد المعاد تدويرها بقيم متشابهة من حيث معدل التدفق المتساوي في معامل التداخل المتوسط سلوكًا مختلفًا جدًا في ترقق القص، مما يؤدي إلى تحديات المعالجة مثل الملء غير الكامل أو العيوب السطحية أو تدهور المواد.

قياس الانحدار الشعري: نهج متفوق

للتغلب على قيود التصوير بالرنين المغناطيسي المتداخل، يعمل مقياس الانسيابية الشعرية كطريقة أكثر تقدمًا وشمولية لتقييم سلوك تدفق البوليمر. على سبيل المثال، يسمح مقياس الانسيابية الشعرية من روزاند بقياس لزوجة القص على نطاق واسع من معدلات القص ودرجات الحرارة، مما يوفر صورة مفصلة عن سلوك المادة في ظل ظروف تحاكي بيئات المعالجة الصناعية بشكل وثيق.

مزايا قياس الانسيابية الشعرية

  1. تحليل معدل القص الشامل: على عكس MFI، الذي يقتصر على معدل القص المنخفض، يقيس قياس الانسيابية الشعرية اللزوجة عبر نطاق واسع من معدلات القص، من المنخفضة إلى العالية جدًا. يعد هذا النطاق ضروريًا لفهم كيفية أداء البوليمر في ظل ظروف المعالجة المختلفة، مثل أثناء التدفق السريع من خلال بوابات القولبة بالحقن أو التدفق الثابت في عملية البثق. في كثير من الأحيان، تُظهر المادة التي لها نفس المادة ذات معامل التحويل المتغير (البكر مقابل المعاد تدويره، المملوءة مقابل غير المملوءة، المادة الحالية مقابل البديل الأرخص) سلوكًا مختلفًا جدًا في ملء القالب بسبب الاختلافات في ترقق القص.
  2. محاكاة واقعية للظروف الصناعية: يمكن لقياس الانسيابية الشعرية محاكاة معدلات القص العالية وظروف الإجهاد بالإضافة إلى التغيرات في درجات الحرارة التي تواجهها عمليات التصنيع الفعلية، مما يوفر تنبؤًا أكثر دقة لكيفية تصرف المادة أثناء المعالجة. وهذا هو السبب في أن هذه القياسات شرط لمحاكاة تعبئة القوالب.
  3. التوصيف التفصيلي للقص والاستطالة: يمكن أن يوفر قياس الانسيابية الشعرية أيضًا رؤى حول الخصائص الاستطالة للبوليمرات، والتي تعتبر ذات صلة بعمليات مثل البثق والغزل. هذه التفاصيل ضرورية لتحسين ظروف المعالجة وضمان اتساق جودة المنتج.

دراسة حالة: البولي بروبلين في درجات حرارة متفاوتة

في دراستنا، قمنا بتحليل لزوجة القص لمادة البولي بروبيلين (PP) ذات معامل التذبذب المتغير بمقدار 8 جم/ 10 دقائق باستخدام مقياس الانصهار الشعري RH2000 من روزاند عند ثلاث درجات حرارة مختلفة للذوبان، 190 درجة مئوية، و210 درجة مئوية، و230 درجة مئوية. ثم قورنت النتائج مع قيم لزوجة القص المحسوبة من بيانات MFI المقاسة عند 230 درجة مئوية تحت حمولة 2.16 كجم.

لنحسب أولًا قيمة اللزوجة من اختبار MFI. باستخدام المعادلتين 1 و2، حُسب معدل القص الحقيقي أثناء اختبار MFI ليكون 23.5 ث-1. يمكن حساب الضغط pL من تسارع الجاذبية (g = 9.81 م/ث²) ووزن 2.16 كجم المستخدم أثناء اختبار MFI على PP ليكون 0.3 ميجا باسكال. يمكن حساب إجهاد القص في الفوهة على النحو التالي:

المعادلة 3

مع

pL هو الضغط في الفوهة،
p0 هو الضغط الجوي،
R هو نصف قطر الفوهة (1.0475 مم)،
L هو طول الفوهة (8 مم).

تُعطى لزوجة القص الظاهرة على النحو التالي:

المعادلة 4

باستخدام معدل القص الحقيقي البالغ 23.5 ث-1 وإجهاد القص المحسوب باستخدام المعادل 3، تكون اللزوجة المحسوبة من اختبار MFI هي

المعادلة 5

يمكن الآن مقارنة قيمة اللزوجة هذه بقيمة اللزوجة عند نفس معدل القص وإجهاد القص في القياسات الشعرية؛ وهي 0.76 كيلو باس، وهي متطابقة نسبيًا.

أُجريت القياسات الشعرية على جهاز Rosand RH2000. ويرد ملخص لظروف القياس في الجدول 1.

الجدول 1: شروط قياس مقياس الانسيابية الشعري RH2000 من روزاند

النظامRH 2000 (نظام التجويف المزدوج)
معدل القص10 ث-1 حتى 1000 ث-1
القالب الشعريقطر 1.0 مم، طول 16 مم، زاوية دخول 180 درجة
قالب الفتحةقطر 1.0 مم، طول 0.25 مم، زاوية دخول 180 درجة
محول الضغط الأيسر1000 رطل لكل بوصة مربعة (6.87 ميجا باسكال)
محول الضغط لليمين250 رطل لكل بوصة مربعة (1.74 ميجا باسكال)
الغلاف الجويالمحيط
درجة الحرارة230 درجة مئوية، 210 درجة مئوية، 190 درجة مئوية

كشفت القياسات الشعرية عن اختلافات كبيرة في سلوك المادة عبر معدلات القص المختبرة؛ انظر الشكل 1. يمكن ملاحظة أنه في نطاق معدل القص الكامل الذي تم الحصول عليه، يُظهر PP سلوك ترقق القص بشكل كبير ويزداد إجهاد القص كما هو متوقع. رُسمت اللزوجة المحسوبة من اختبار MFI كنقطة زرقاء لإظهار الاتفاق الجيد. وهي تمثل قيمة نقطة واحدة فقط على الرسم البياني.

1) لزوجة القص وإجهاد القص ل PP المقاسة عند درجة حرارة 230 درجة مئوية؛ قيمة اللزوجة أحادية النقطة المحسوبة من قياسات MFI محددة بنقطة زرقاء.

بالإضافة إلى القياس على نطاق واسع لمعدل القص، يمكن إجراء القياسات الشعرية في درجات حرارة مختلفة لفهم الاعتماد على درجة حرارة المادة. وهذا أمر ضروري لاستخدام البيانات في معالجة عمليات المحاكاة. يوضح الشكل 2 منحنيات التدفق الناتجة عند درجات الحرارة الثلاث المقاسة.

2) لزوجة القص لـ PP عند درجة حرارة 230 درجة مئوية، و210 درجة مئوية، و190 درجة مئوية.

للقراء المتقدمين

في حساب قيمة اللزوجة أحادية النقطة من قياسات MFI، تم إجراء العديد من التبسيطات. على سبيل المثال، لم يتم استخدام الاعتماد على درجة حرارة الكثافة لضبط حساب معدل التدفق الحجمي لـ 230 درجة مئوية من قياسات MFI باستخدام المعادل 1. سيكون أكثر دقة ما يلي:

حيث

مع

ρT0 هي الكثافة في درجة حرارة الغرفة (0.9 جم/سم مكعب لل PP)
معامل التمدد الحراري الخطي (CLTE/CTE)يصف معامل التمدد الحراري الخطي (CLTE) التغير في طول المادة كدالة لدرجة الحرارة.CLTE هو معامل التمدد الحراري الخطي (69*10-6 كلفن-1 لل PP)
T هي درجة حرارة القياس لاختبار MFI (هنا 230 درجة مئوية)
T0 هي درجة حرارة الغرفة

مع أخذ ذلك في الاعتبار، يكون معدل القص الحقيقي 18.5 ث-1 بدلاً من 23.5 ث-1. وبالنظر إلى أن معدلات القص هذه هي بالفعل في نظام ترقق القص، فإن هذا له تأثير على قيمة اللزوجة. يمكن دراسة هذا وأكثر من ذلك في أوسوالد، رودولف، ريولوجيا البوليمر - الأساسيات والتطبيقات، دار هانسر للنشر، ميونيخ، 2015.