Въведение
В полимерната промишленост индексът на потока на стопилката (MFI) и обемната скорост на стопилката (MVR) са основни показатели, използвани за оценка на характеристиките на потока на термопластиците. MFI (или MFR за Melt Flow Rate) измерва масата на полимера, който преминава през матрица при определени условия, обикновено изразена в грамове за 10 минути, докато MVR измерва обема на полимера, преминаващ при същите условия, изразен в кубични сантиметри за 10 минути. Тези показатели са стандартизирани по ISO 1133 и ASTM D-1238 и обикновено се използват за контрол на качеството, избор на материали и сравняване на смоли от различни доставчици. MFI и MVR са стандартни измервания при контрола на качеството за наблюдение на промените между партидите или с една партида по време на обработката. MFI се използва по-често от MVR и често се използва за оценка и сравнение на рециклирани материали, като осигурява бърз метод за оценка на свойствата на потока на тези материали. Тази употреба обаче може да бъде подвеждаща, тъй като тези показатели не представят точно поведението на полимерите при високите скорости на срязване, характерни за промишлената обработка. Това несъответствие е особено критично при процеси като шприцване, където свойствата на потока и втвърдяването на термопластичната стопилка са от решаващо значение. Течението на термопластичната стопилка се описва от нейния динамичен вискозитет, който зависи от скоростта на срязване. Колкото по-голяма е скоростта на срязване, толкова по-нисък е вискозитетът на стопилката, което означава, че тя тече по-лесно, тъй като се движи по-бързо. Тази характеристика се определя с капилярен реометър. В тази приложна бележка се разглеждат тези ограничения и се обяснява защо измерванията на вискозитета при срязване, получени чрез капилярен реометър, осигуряват по-цялостно разбиране на обработваемостта на полимерите. Използвайки полипропилен (PP) като пример, ние сравняваме вискозитета, получен чрез МФИ, с вискозитета при срязване, измерен в диапазон от скорости на срязване и температури.
Разбиране на ПФИ и MVR
MFI и MVR са тясно свързани показатели и преобразуването между тях зависи от плътността на полимерната стопилка при температурата на изпитване. Връзката се определя от:
с
MVR е обемната скорост на разтопяване (cm³/10min)
MFI е индексът на потока на разтопяване (g/10min)
р е плътността на полимерната стопилка (g/cm³).
Това преобразуване позволява MFI и MVR да се използват като взаимозаменяеми, когато плътността е известна, което дава възможност за сравнение между материали с различна плътност. Това е особено полезно при оценка на рециклирани материали, чиято плътност може да варира поради замърсяване, разграждане или смесване на различни класове полимери. Въпреки че МФИ са удобни за тези сравнения, те дават само ограничена представа за характеристиките на потока на полимера. Всяка от двете метрики представя само една точка от кривата на потока, получена при специфични условия, които не имитират високите скорости на срязване и сложните среди на потока, типични за промишлената обработка. Това ограничение е особено важно при сравняването на рециклирани материали, тъй като тези материали могат да проявят значителни вариации в поведението си, които не се отразяват само от МФИ.
Ограниченията на MFI/MVR в реални приложения
МФИ се използва широко, тъй като предлага прост и бърз метод за оценка на основните характеристики на потока на полимерите. Въпреки това неговата простота може да бъде подвеждаща. МФИ измерва скоростта на потока на полимерна стопилка при ниска скорост на срязване. Истинската скорост на срязване γw на стената може да се изчисли от MVR и характерните размери на дюзата.
Ако приемем MVR на PP 13 cm³/10 min и диаметър на дюзата на MFI 2,095 mm (r = 1,0475 mm), получаваме скорост на срязване 23,5 s-1. Ако приемем, че типичният диапазон на MVR е от 5 до 25, скоростта на срязване също варира от 7 до 36 s-1 - всички тези стойности са много по-ниски от тези, които се срещат в промишлени процеси като шприцване, екструдиране и нанасяне на покрития, където скоростта на срязване може да надхвърли 1000 s-1. В резултат на това МФИ дава ограничена, едностранна представа за поведението на материала при тези по-взискателни условия.
Ограниченията на МФИ са особено очевидни, когато се използва за сравняване на рециклирани материали. Рециклираните полимери често имат различни молекулни тегла, нива на замърсяване и степени на деградация, които влияят върху поведението им при течливост. Тъй като МФИ улавя поведението на потока само при една-единствена ниска скорост на срязване, тя може да не отразява точно как тези материали ще се представят по време на обработката. Например два рециклируеми материала със сходни стойности на МФИ могат да имат много различно поведение при срязване, което да доведе до предизвикателства при обработката, като непълно запълване, повърхностни дефекти или деградация на материала.
Капилярна реометрия: Превъзходен подход
За да се преодолеят ограниченията на МФИ, капилярната реометрия служи като по-усъвършенстван и всеобхватен метод за оценка на поведението на полимерния поток. Капилярният реометър на Rosand, например, позволява измерване на вискозитета при срязване в широк диапазон от скорости на срязване и температури, предлагайки подробна картина на поведението на материала при условия, които точно възпроизвеждат индустриалната среда на обработка.
Предимства на капилярната реометрия
- Изчерпателен анализ на скоростта на срязване: За разлика от МФИ, която е ограничена до ниска скорост на срязване, капилярната реометрия измерва вискозитета в широк диапазон от скорости на срязване - от ниски до много високи. Този диапазон е от съществено значение за разбирането на това как полимерът ще се държи при различни условия на обработка, например при бързото протичане през шприцвателните врати или при постоянното протичане в процеса на екструдиране. В много случаи материал с една и съща МФИ (първичен спрямо рециклиран, напълнен спрямо ненапълнен, настоящ материал спрямо по-евтин заместител) показва много различно поведение при запълване на формата поради разликите в изтъняването при срязване.
- Реалистично възпроизвеждане на промишлени условия: Капилярната реометрия може да симулира високите скорости на срязване и условията на напрежение, както и температурните промени, срещани в реалните производствени процеси, като предлага по-точна прогноза за това как материалът ще се държи по време на обработката. Ето защо тези измервания са изискване за симулации на пълнене на форми.
- Подробно характеризиране на срязване и удължаване: Капилярната реометрия може също така да даде представа за елонгационните свойства на полимерите, които са от значение за процеси като екструдиране и предене. Тези подробности са от решаващо значение за оптимизиране на условията на обработка и осигуряване на постоянно качество на продукта.
Проучване на случай: Полипропилен при различни температури
В нашето изследване анализирахме вискозитета на срязване на материал от полипропилен (PP) с МФИ 8 g/10 min с помощта на капилярен реометър Rosand RH2000 при три различни температури на топене - 190°C, 210°C и 230°C. След това резултатите са сравнени с изчислените стойности на вискозитета на срязване от данните за МФИ, измерени при 230°C при натоварване от 2,16 kg.
Нека първо да изчислим стойността на вискозитета от теста на MFI. Като се използват уравнения 1 и 2, истинската скорост на срязване по време на изпитването MFI се изчислява на 23,5 s-1. Налягането pL може да се изчисли от гравитационното ускорение (g = 9,81 m/s²) и теглото от 2,16 kg, използвано по време на изпитването на ПФИ върху PP, и е 0,3 MPa. Напрежението на срязване в дюзата може да се изчисли по следния начин:
с
pL е налягането в дюзата,
p0 е атмосферното налягане,
R е радиусът на дюзата (1,0475 mm),
L е дължината на дюзата (8 mm).
Видимият вискозитет на срязване се определя като:
Като се използва истинската скорост на срязване от 23,5 s-1 и напрежението на срязване, изчислено с уравнение 3, изчисленият вискозитет от изпитването на MFI е:
Тази стойност на вискозитета сега може да се сравни със стойността на вискозитета при същата скорост на срязване и напрежение на срязване при капилярните измервания; тя е 0,76 kPas, което е сравнително близко съответствие.
Капилярните измервания са извършени на Rosand RH2000. Условията на измерване са обобщени в таблица 1.
Таблица 1: Условия на измерване за капилярен реометър Rosand RH2000
| Система | RH 2000 (система с два отвора) |
|---|---|
| Скорост на срязване | 10 s-1 до 1000 s-1 |
| Капилярна матрица | Ø 1,0 mm, дължина 16 mm, ъгъл на влизане 180° |
| Орифилна матрица | Ø 1,0 mm, дължина 0,25 mm, ъгъл на влизане 180° |
| Преобразувател на налягане ляв | 1000 Psi (6,87 MPa) |
| Десен преобразувател на налягане | 250 Psi (1,74 MPa) |
| Атмосфера | Заобикаляща среда |
| Температура | 230°С, 210°С, 190°С |
Капилярните измервания разкриха значителни разлики в поведението на материала при тестваните скорости на срязване; вж. фигура 1. Може да се види, че в целия получен диапазон на скоростта на срязване този ПП показва значително изтъняване при срязване и напрежението на срязване се увеличава, както се очаква. Изчисленият вискозитет от изпитването на МФИ е нарисуван като синя точка, за да се покаже доброто съответствие. Тя представлява само една точкова стойност върху графиката.
В допълнение към измерването в широк диапазон на скоростта на срязване, капилярните измервания могат да се извършват при различни температури, за да се разбере температурната зависимост на материала. Това е необходимост за използване на данните при симулации на обработка. На фигура 2 са показани получените криви на потока при трите измерени температури.
За напреднали читатели
При изчисляването на стойността на едноточковия вискозитет от измерванията на МФИ са направени множество опростявания. Например температурната зависимост на плътността не е използвана за коригиране на изчислението на обемния дебит за 230°C от измерванията на МФИ, като е използвано уравнение 1. По-точна би била следната формула:
където
с
ρT0 е плътността при стайна температура (0,9 g/cm³ за PP)
Коефициент на линейно топлинно разширение (CLTE/CTE)Коефициентът на линейно термично разширение (КЛТЕ) описва изменението на дължината на даден материал като функция на температурата.CLTE е коефициентът на линейно термично разширение (69*10-6 K-1 за PP)
T е температурата на измерване при изпитването на МФИ (тук 230°C)
T0 е стайна температура
Като се вземе предвид това, истинската скорост на срязване е 18,5 s-1 вместо 23,5 s-1. Като се има предвид, че тези скорости на срязване вече са в режим на изтъняване при срязване, това оказва влияние върху стойността на вискозитета. Това и други въпроси могат да бъдат разгледани в Osswald, Rudolph, Polymer Rheology - Fundamentals and Applications, Hanser Publishers, Munich, 2015 г.