Indeks for smelteflow: Forskydningsviskositetsmålingers overlegenhed til sammenligning af polymerer

Introduktion

I polymerindustrien er Melt Flow Index (MFI) og Melt Volume Rate (MVR) grundlæggende parametre, der bruges til at vurdere termoplastens flydeegenskaber. MFI (eller MFR for Melt Flow Rate) måler massen af polymer, der flyder gennem en dyse under specifikke forhold, typisk udtrykt i gram pr. 10 minutter, mens MVR måler volumen af polymer, der flyder under de samme forhold, udtrykt i kubikcentimeter pr. 10 minutter. Disse målinger er standardiseret under ISO 1133 og ASTM D-1238 og bruges ofte til kvalitetskontrol, materialevalg og sammenligning af resiner fra forskellige leverandører. MFI og MVR er standardmålinger inden for kvalitetskontrol til at overvåge ændringer mellem batcher eller med en batch under behandlingen. MFI er mere almindeligt anvendt end MVR og bruges ofte til at evaluere og sammenligne genbrugsmaterialer, hvilket giver en hurtig metode til at vurdere disse materialers flowegenskaber. Denne brug kan dog være misvisende, da disse målinger ikke nøjagtigt repræsenterer polymerers opførsel under de høje forskydningshastigheder, der er typiske for industriel forarbejdning. Denne uoverensstemmelse er særlig kritisk i processer som sprøjtestøbning, hvor den termoplastiske smeltes flow- og størkningsegenskaber er afgørende. En termoplastisk smeltes flow beskrives af dens dynamiske viskositet, som er afhængig af forskydningshastigheden. Jo større forskydningshastigheden er, jo lavere er smeltens viskositet, hvilket betyder, at den flyder lettere, når den bevæger sig hurtigere. Denne egenskab bestemmes i et kapillarreometer. Denne applikationsnote udforsker disse begrænsninger og forklarer, hvorfor målinger af forskydningsviskositet opnået via kapillarreometri giver en mere omfattende forståelse af polymerens bearbejdelighed. Med polypropylen (PP) som case sammenligner vi MFI-afledt viskositet med forskydningsviskositet målt over en række forskydningshastigheder og temperaturer.

Forståelse af MFI og MVR

MFI og MVR er tæt forbundne størrelser, og omregningen mellem dem afhænger af densiteten af polymersmelten ved testtemperaturen. Forholdet er givet ved:

MVR-ligning, der viser MFI divideret med p, mærket som ligning 1, hvilket understreger den analytiske kontekst i testen. — Ligning 1

med

MVR er smeltevolumenhastigheden (cm³/10 min)
MFI er smelteflowindekset (g/10 min)
р er polymersmeltens densitet (g/cm³).

Denne omregning gør det muligt at bruge MFI og MVR i stedet for hinanden, når densiteten er kendt, hvilket muliggør sammenligninger mellem materialer med forskellige densiteter. Det er især nyttigt, når man vurderer genbrugsmaterialer, som kan variere i densitet på grund af forurening, NedbrydningsreaktionEn nedbrydningsreaktion er en termisk induceret reaktion af en kemisk forbindelse, der danner faste og/eller gasformige produkter. nedbrydning eller blanding af forskellige polymerkvaliteter. Men selvom MFI er praktisk til disse sammenligninger, giver de kun et begrænset billede af en polymers flowegenskaber. Hver af de to målinger viser kun et enkelt datapunkt på flowkurven, der er udledt under specifikke forhold, som ikke efterligner de høje forskydningshastigheder og komplekse flowmiljøer, der er typiske for industriel forarbejdning. Denne begrænsning er især kritisk, når man sammenligner genbrugsmaterialer, da disse materialer kan udvise betydelige variationer i adfærd, som ikke indfanges af MFI alene.

Begrænsningerne ved MFI/MVR i den virkelige verden

MFI bruges i vid udstrækning, fordi det er en enkel og hurtig metode til at vurdere polymerers grundlæggende flydeegenskaber. Men dens enkelhed kan være misvisende. MFI måler strømningshastigheden af en polymersmelte ved en lav forskydningshastighed. Den sande forskydningshastighed γw ved væggen kan beregnes ud fra MVR og dysens karakteristiske dimensioner.

Ligning 2 illustrerer forholdet mellem viskositet (Yw), flowhastighed (Q) og andre parametre i væskeanalyse. — Ligning 2

Med en MVR for PP på 13 cm³/10 min og en diameter på MFI-dysen på 2,095 mm (r = 1,0475 mm) får vi en forskydningshastighed på 23,5 ^s-1. Hvis vi antager et typisk interval for MVR fra 5 til 25, varierer forskydningshastigheden også fra 7 til 36 ^s-1 - hvilket alt sammen er langt under, hvad der forekommer i industrielle processer som sprøjtestøbning, ekstrudering og coating, hvor forskydningshastigheden kan overstige 1000 ^s-1. Derfor giver MFI et begrænset, enkeltstående billede af, hvordan materialet opfører sig under disse mere krævende forhold.

Begrænsningerne ved MFI er særligt tydelige, når den bruges til at sammenligne genbrugsmaterialer. Genbrugte polymerer har ofte forskellige molekylvægte, forureningsniveauer og nedbrydningsgrader, som alle påvirker deres flowadfærd. Fordi MFI kun fanger flowadfærd ved en enkelt, lav forskydningshastighed, afspejler den muligvis ikke nøjagtigt, hvordan disse materialer vil fungere under behandlingen. For eksempel kan to genbrugsmaterialer med lignende MFI-værdier udvise meget forskellig forskydningsfortyndingsadfærd, hvilket fører til behandlingsudfordringer som ufuldstændig fyldning, overfladefejl eller materialenedbrydning.

Kapillær reometri: En overlegen tilgang

For at overvinde begrænsningerne ved MFI fungerer kapillarreometri som en mere avanceret og omfattende metode til vurdering af polymerens flowadfærd. Et Rosand-kapillarreometer giver f.eks. mulighed for at måle forskydningsviskositeten over en bred vifte af forskydningshastigheder og temperaturer, hvilket giver et detaljeret billede af, hvordan materialet opfører sig under forhold, der nøje efterligner industrielle forarbejdningsmiljøer.

Fordele ved kapillarreometri

Omfattende analyse af forskydningshastighed: I modsætning til MFI, som er begrænset til en lav forskydningshastighed, måler kapillarreometri viskositet over en bred vifte af forskydningshastigheder, fra lav til meget høj. Dette område er afgørende for at forstå, hvordan en polymer vil opføre sig under forskellige forarbejdningsforhold, f.eks. under det hurtige flow gennem sprøjtestøbningsporte eller det stabile flow i en ekstruderingsproces. Mange gange udviser et materiale med samme MFI (jomfru vs. genbrug, fyldt vs. ufyldt, nuværende materiale vs. billigere erstatning) meget forskellig formfyldningsadfærd på grund af forskellene i ForskydningsudtyndingDen mest almindelige type ikke-newtonsk opførsel er forskydningsfortynding eller pseudoplastisk flow, hvor væskens viskositet falder med stigende forskydning.forskydningsfortynding.
Realistisk gengivelse af industrielle forhold: Kapillarreometri kan simulere de høje forskydningshastigheder og stressforhold samt temperaturændringer, der forekommer i faktiske fremstillingsprocesser, hvilket giver en mere nøjagtig forudsigelse af, hvordan materialet vil opføre sig under behandlingen. Derfor er disse målinger et krav til simuleringer af formfyldning.
Detaljeret karakterisering af forskydning og forlængelse: Kapillarreometri kan også give indsigt i polymerers forlængelsesegenskaber, som er relevante for processer som ekstrudering og spinding. Disse detaljer er afgørende for at optimere procesbetingelserne og sikre en ensartet produktkvalitet.

Casestudie: Polypropylen ved varierende temperaturer

I vores undersøgelse analyserede vi forskydningsviskositeten af et polypropylen (PP)-materiale med en MFI på 8 g/10 min ved hjælp af et Rosand RH2000 kapillarreometer ved tre forskellige smeltetemperaturer, 190 °C, 210 °C og 230 °C. Resultaterne blev derefter sammenlignet med beregnede forskydningsviskositetsværdier fra MFI-data målt ved 230 °C under en StammeForvrængning beskriver en deformation af et materiale, som belastes mekanisk af en ydre kraft eller spænding. Gummiblandinger har krybeegenskaber, hvis de udsættes for en statisk belastning.belastning på 2,16 kg.

Lad os først beregne viskositetsværdien fra MFI-testen. Ved hjælp af ligning 1 og 2 blev den sande forskydningshastighed under MFI-testen beregnet til at være 23,5 ^s-1. Trykket _pL kan beregnes ud fra tyngdeaccelerationen (g = 9,81 m/s²) og vægten på 2,16 kg, der blev brugt under MFI-testen på PP, til at være 0,3 MPa. Forskydningsspændingen i dysen kan beregnes som:

Ligning 3 illustrerer beregningen af σₕ i forbindelse med analyse og test af trykforskelle. — Ligning 3

med

_pL er trykket i dysen,
_p0 er det atmosfæriske tryk,
R er dysens radius (1,0475 mm),
L er dysens længde (8 mm).

Den tilsyneladende forskydningsviskositet er givet som:

Røde og grønne linjer på en graf illustrerer flowkurver for forlængelsesviskositet for to ABS-prøvebatcher mod forlængelseshastighed. — Ligning 4

Ved hjælp af den sande forskydningshastighed på 23,5 ^s-1 og forskydningsspændingen beregnet med ligning 3 er den beregnede viskositet fra MFI-testen:

Ligning, der viser beregning af viskositet: η = 19 kPa / 23,5 s-¹ = 0,81 kPas. — Ligning 5

Denne viskositetsværdi kan nu sammenlignes med viskositetsværdien ved samme forskydningshastighed og forskydningsspænding i kapillarmålingerne; den er 0,76 kPas, hvilket er et relativt tæt match.

Kapillarmålingerne blev udført på en Rosand RH2000. Målebetingelserne er opsummeret i tabel 1.

Tabel 1: Målebetingelser for Rosand RH2000-kapillarreometeret

System	RH 2000 (system med dobbelt boring)
Forskydningshastighed	10 ^s-1 op til 1000 ^s-1
Kapillær dyse	Ø 1,0 mm, 16 mm længde, 180° indgangsvinkel
Orifice-dyse	Ø 1,0 mm, 0,25 mm længde, 180° indgangsvinkel
Tryktransducer til venstre	1000 Psi (6,87 MPa)
Tryktransducer højre	250 Psi (1,74 MPa)
Atmosfære	Omgivende
Temperatur	230°C, 210°C, 190°C

Kapillarmålingerne afslørede betydelige forskelle i materialets opførsel på tværs af de testede forskydningshastigheder; se figur 1. Det kan ses, at i hele det opnåede shear rate-område udviser denne PP betydelig shear thinning-adfærd, og shear StressStress defineres som et kraftniveau, der påføres en prøve med et veldefineret tværsnit. (Spænding = kraft/areal). Prøver med et cirkulært eller rektangulært tværsnit kan komprimeres eller strækkes. Elastiske materialer som gummi kan strækkes op til 5 til 10 gange deres oprindelige længde.stress stiger som forventet. Den beregnede viskositet fra MFI-testen er tegnet som en blå prik for at vise den gode overensstemmelse. Den repræsenterer kun en enkelt punktværdi på grafen.

Grafen viser forskydningsviskositet og forskydningsspænding for polypropylen (PP) ved 230 °C og fremhæver de vigtigste målinger og tendenser. — 1) Forskydningsviskositet og forskydningsspænding for PP målt ved 230 °C; enkeltpunktsviskositetsværdien beregnet ud fra MFI-målingerne er markeret med en blå prik.

Ud over at måle over et bredt område af forskydningshastigheder kan kapillarmålingerne udføres ved forskellige temperaturer for at forstå materialets temperaturafhængighed. Dette er en nødvendighed for at kunne bruge dataene i processimuleringer. Figur 2 viser de resulterende flowkurver ved de tre målte temperaturer.

Grafen viser polypropylens forskydningsviskositet ved 230 °C, 210 °C og 190 °C og viser, at viskositeten falder med forskydningshastigheden. — 2) PP's forskydningsviskositet ved 230 °C, 210 °C og 190 °C.

For avancerede læsere

I beregningen af enkeltpunktsviskositetsværdien fra MFI-målinger blev der foretaget adskillige forenklinger. For eksempel blev densitetens temperaturafhængighed ikke brugt til at justere beregningen af volumenstrømningshastigheden for 230 °C fra MFI-målinger ved hjælp af ligning 1. Mere præcist ville være følgende:

Ligning, der illustrerer forholdet mellem standardafvigelse, MFI og p(T) til analyse og test af data.

hvor

Matematisk formel for tryk som funktion af temperatur, der fremhæver variabler og koefficienter relateret til termisk udvidelse.

med

_ρT0 er densiteten ved stuetemperatur (0,9 g/cm³ for PP)
Koefficient for lineær termisk ekspansion (CLTE/CTE)Den lineære varmeudvidelseskoefficient (CLTE) beskriver længdeændringen af et materiale som en funktion af temperaturen.CLTE er den lineære varmeudvidelseskoefficient (^69*10-6^K-1for PP)
T er måletemperaturen for MFI-testen (her 230 °C)
_T0 er stuetemperatur

Når man tager højde for dette, er den sande forskydningshastighed 18,5 ^s-1 i stedet for 23,5 ^s-1. Da disse forskydningshastigheder allerede er i det forskydningsfortyndende regime, har det en effekt på viskositetsværdien. Dette og meget mere kan studeres i Osswald, Rudolph, Polymer Rheology - Fundamentals and Applications, Hanser Publishers, München, 2015.