Introduction
Dans l'industrie des polymères, l'indice d'écoulement à l'état fondu (MFI) et le taux de volume à l'état fondu (MVR) sont des mesures fondamentales utilisées pour évaluer les caractéristiques d'écoulement des thermoplastiques. Le MFI (ou MFR pour Melt Flow Rate) mesure la masse de polymère qui s'écoule à travers une filière dans des conditions spécifiques, généralement exprimée en grammes par 10 minutes, tandis que le MVR mesure le volume de polymère qui s'écoule dans les mêmes conditions, exprimé en centimètres cubes par 10 minutes. Ces mesures sont normalisées par les normes ISO 1133 et ASTM D-1238 et sont couramment utilisées pour le contrôle de la qualité, la sélection des matériaux et la comparaison des résines de différents fournisseurs. L'IFM et le MVR sont des mesures standard dans le contrôle de la qualité pour surveiller les changements entre les lots ou avec un lot pendant le traitement. L'IFM est plus couramment utilisé que le MVR et est fréquemment employé pour évaluer et comparer les matériaux recyclés, en fournissant une méthode rapide pour évaluer les propriétés d'écoulement de ces matériaux. Toutefois, cette utilisation peut être trompeuse, car ces mesures ne représentent pas avec précision le comportement des polymères soumis à des taux de cisaillement élevés, typiques du traitement industriel. Cet écart est particulièrement critique dans des processus tels que le moulage par injection, où les propriétés d'écoulement et de solidification de la matière thermoplastique fondue sont cruciales. L'écoulement d'un thermoplastique fondu est décrit par sa viscosité dynamique, qui dépend du taux de cisaillement. Plus le taux de cisaillement est élevé, plus la viscosité de la matière fondue est faible, ce qui signifie qu'elle s'écoule plus facilement à mesure qu'elle se déplace plus rapidement. Cette caractéristique est déterminée à l'aide d'un rhéomètre capillaire. Cette note d'application explore ces limites et explique pourquoi les mesures de la viscosité de cisaillement obtenues par rhéométrie capillaire permettent une compréhension plus complète de l'aptitude à la transformation des polymères. En utilisant le polypropylène (PP) comme étude de cas, nous comparons la viscosité dérivée de l'IFM avec la viscosité de cisaillement mesurée dans une gamme de taux de cisaillement et de températures.
Comprendre l'IMF et la MVR
L'IFM et le MVR sont des mesures étroitement liées, et la conversion entre elles dépend de la densité du polymère fondu à la température d'essai. La relation est donnée par la formule suivante
avec
MVR est le taux de volume de matière fondue (cm³/10min)
MFI est l'indice de fluidité de la matière fondue (g/10min)
р est la densité de la matière fondue (g/cm³).
Cette conversion permet d'utiliser l'IFM et le MVR de manière interchangeable lorsque la densité est connue, ce qui permet de comparer des matériaux de DensitéThe mass density is defined as the ratio between mass and volume. densités différentes. Cela est particulièrement utile pour évaluer les produits recyclés, dont la densité peut varier en raison de la contamination, de la dégradation ou du mélange de différentes qualités de polymères. Cependant, si l'IFM est pratique pour ces comparaisons, il ne donne qu'une vision limitée des caractéristiques d'écoulement d'un polymère. Chacune des deux mesures ne représente qu'un seul point de données sur la courbe d'écoulement, obtenu dans des conditions spécifiques qui ne reproduisent pas les taux de cisaillement élevés et les environnements d'écoulement complexes typiques du traitement industriel. Cette limitation est particulièrement critique lorsqu'il s'agit de comparer des produits recyclés, car ces matériaux peuvent présenter des variations de comportement significatives qui ne sont pas prises en compte par l'IFM seul.
Les limites de l'IMF/MVR dans les applications réelles
L'IFM est largement utilisé parce qu'il offre une méthode simple et rapide pour évaluer les caractéristiques d'écoulement de base des polymères. Cependant, sa simplicité peut être trompeuse. L'IFM mesure le débit d'un polymère fondu à un faible taux de cisaillement. Le taux de cisaillement réel γw à la paroi peut être calculé à partir du MVR et des dimensions caractéristiques de la buse.
En prenant un MVR de PP de 13 cm³/10 min et le diamètre de la buse MFI de 2,095 mm (r = 1,0475 mm), nous obtenons un taux de cisaillement de 23,5 s-1. En supposant une plage typique de MVR de 5 à 25, le taux de cisaillement varie également de 7 à 36 s-1 - tous ces taux sont bien inférieurs à ceux rencontrés dans les processus industriels tels que le moulage par injection, l'extrusion et le revêtement, où les taux de cisaillement peuvent dépasser 1 000 s-1. Par conséquent, l'IFM fournit une vue limitée et unique du comportement du matériau dans ces conditions plus exigeantes.
Les limites de l'IFM sont particulièrement évidentes lorsqu'il est utilisé pour comparer des produits recyclés. Les polymères recyclés ont souvent des poids moléculaires, des niveaux de contamination et des degrés de dégradation variables, qui affectent tous leur comportement d'écoulement. Comme l'IFM ne saisit le comportement de l'écoulement qu'à un taux de cisaillement unique et faible, il peut ne pas refléter avec précision la manière dont ces matériaux se comporteront au cours du traitement. Par exemple, deux produits recyclés ayant des valeurs d'IFM similaires peuvent présenter un comportement d'Effet de cisaillementLe type le plus courant de comportement non newtonien est l'amincissement par cisaillement ou l'écoulement pseudoplastique, où la viscosité du fluide diminue avec l'augmentation du cisaillement.amincissement par cisaillement très différent, ce qui entraîne des problèmes de traitement tels qu'un remplissage incomplet, des défauts de surface ou une dégradation du matériau.
Rhéométrie capillaire : Une approche supérieure
Pour surmonter les limites de l'IFM, la rhéométrie capillaire constitue une méthode plus avancée et plus complète pour évaluer le comportement de l'écoulement des polymères. Un rhéomètre capillaire Rosand, par exemple, permet de mesurer la viscosité de cisaillement sur une large gamme de taux de cisaillement et de températures, offrant ainsi une image détaillée du comportement du matériau dans des conditions qui reproduisent fidèlement les environnements de traitement industriel.
Avantages de la rhéométrie capillaire
- Analyse complète du taux de cisaillement : Contrairement à l'IFM, qui se limite à un faible taux de cisaillement, la rhéométrie capillaire mesure la viscosité sur une large gamme de taux de cisaillement, de faible à très élevé. Cette plage est essentielle pour comprendre comment un polymère se comportera dans différentes conditions de traitement, par exemple lors de l'écoulement rapide à travers les portes de moulage par injection ou lors de l'écoulement régulier dans un processus d'extrusion. Souvent, un matériau ayant le même MFI (vierge ou recyclé, chargé ou non, matériau actuel ou substitut moins cher) présente un comportement très différent lors du remplissage des moules en raison des différences d'Effet de cisaillementLe type le plus courant de comportement non newtonien est l'amincissement par cisaillement ou l'écoulement pseudoplastique, où la viscosité du fluide diminue avec l'augmentation du cisaillement.amincissement par cisaillement.
- Reproduction réaliste des conditions industrielles : La rhéométrie capillaire peut simuler les taux de cisaillement élevés et les conditions de ContrainteLa Contrainte est définie par un niveau de force appliquée sur un échantillon d’une section bien définie. (Contrainte = force/surface). Les échantillons qui possèdent une section rectangulaire ou circulaire peuvent être comprimés ou étirés. Les matériaux élastiques comme les élastomères peuvent être étirés jusqu’à 5 à 10 fois leur longueur initiale.contrainte ainsi que les changements de température rencontrés dans les processus de fabrication réels, offrant une prédiction plus précise de la manière dont le matériau se comportera pendant le traitement. C'est pourquoi ces mesures sont indispensables pour les simulations de remplissage de moules.
- Caractérisation détaillée du cisaillement et de l'élongation : La rhéométrie capillaire peut également fournir des informations sur les propriétés d'allongement des polymères, qui sont importantes pour les processus tels que l'extrusion et le filage. Ces détails sont essentiels pour optimiser les conditions de traitement et garantir une qualité constante des produits.
Étude de cas : Le polypropylène à différentes températures
Dans notre étude, nous avons analysé la viscosité de cisaillement d'un matériau en polypropylène (PP) avec un MFI de 8 g/10 min à l'aide d'un rhéomètre capillaire Rosand RH2000 à trois températures de Températures et enthalpies de fusionL'enthalpie de fusion d'une substance, également connue sous le nom de chaleur latente, est une mesure de l'apport d'énergie, généralement de la chaleur, nécessaire pour convertir une substance de l'état solide à l'état liquide. Le point de fusion d'une substance est la température à laquelle elle passe de l'état solide (cristallin) à l'état liquide (fusion isotrope). fusion différentes, 190°C, 210°C et 230°C. Les résultats ont ensuite été comparés aux valeurs de viscosité de cisaillement calculées à partir des données MFI mesurées à 230°C sous une charge de 2,16 kg.
Calculons d'abord la valeur de la viscosité à partir de l'essai MFI. En utilisant les équations 1 et 2, le taux de cisaillement réel pendant l'essai MFI a été calculé comme étant de 23,5 s-1. La pression pL peut être calculée à partir de l'accélération gravitationnelle (g = 9,81 m/s²) et du poids de 2,16 kg utilisé pendant l'essai MFI sur le PP pour être de 0,3 MPa. La contrainte de cisaillement dans la buse peut être calculée comme suit :
avec
pL est la pression dans la buse,
p0 est la pression atmosphérique,
R est le rayon de la buse (1,0475 mm),
L est la longueur de la buse (8 mm).
La viscosité de cisaillement apparente est donnée comme suit :
En utilisant le taux de cisaillement réel de 23,5 s-1 et la contrainte de cisaillement calculée à l'aide de l'équation 3, la viscosité calculée à partir de l'essai IFM est la suivante :
Cette valeur de viscosité peut maintenant être comparée à la valeur de viscosité au même taux de cisaillement et à la même contrainte de cisaillement dans les mesures capillaires ; cette valeur est de 0,76 kPas, ce qui est une correspondance relativement proche.
Les mesures capillaires ont été effectuées sur un Rosand RH2000. Les conditions de mesure sont résumées dans le tableau 1.
Tableau 1 : Conditions de mesure pour le rhéomètre capillaire Rosand RH2000
| Système | RH 2000 (système à double alésage) |
|---|---|
| Taux de cisaillement | 10 s-1 jusqu'à 1000 s-1 |
| Filière capillaire | Ø 1,0 mm, longueur 16 mm, angle d'entrée 180 |
| Filière à orifice | Ø 1,0 mm, longueur 0,25 mm, angle d'entrée 180 |
| Transducteur de pression à gauche | 1000 Psi (6,87 MPa) |
| Transducteur de pression droit | 250 Psi (1,74 MPa) |
| Atmosphère | Environnement |
| Température de l'air | 230°C, 210°C, 190°C |
Les mesures capillaires ont révélé des différences significatives dans le comportement du matériau à travers les taux de cisaillement testés ; voir figure 1. On peut voir que dans toute la plage de taux de cisaillement obtenue, ce PP présente un comportement d'amincissement significatif et que la contrainte de cisaillement augmente comme prévu. La viscosité calculée à partir du test MFI est représentée par un point bleu pour montrer la bonne concordance. Il ne représente qu'une valeur ponctuelle sur le graphique.
Outre les mesures sur une large plage de taux de cisaillement, les mesures capillaires peuvent être effectuées à différentes températures afin de comprendre la dépendance du matériau par rapport à la température. C'est une nécessité pour utiliser les données dans les simulations de traitement. La figure 2 montre les courbes d'écoulement obtenues aux trois températures mesurées.
Pour les lecteurs avancés
De nombreuses simplifications ont été faites dans le calcul de la valeur de la viscosité en un point à partir des mesures de l'IFM. Par exemple, la dépendance de la densité par rapport à la température n'a pas été utilisée pour ajuster le calcul du débit volumétrique pour 230°C à partir des mesures MFI en utilisant l'équation 1. Il serait plus exact d'utiliser l'équation suivante :
où
avec
ρT0 est la densité à température ambiante (0,9 g/cm³ pour le PP)
Coefficient d'Expansion Thermique Linéaire (CLTE/CTE)The coefficient of linear thermal expansion (CLTE) describes the length change of a material as a function of the temperature.CLTE est le coefficient de dilatation thermique linéaire (69*10-6 K-1 pour le PP)
T est la température de mesure de l'essai MFI (ici 230°C)
T0 est la température ambiante
En tenant compte de cela, le taux de cisaillement réel est de 18,5 s-1 au lieu de 23,5 s-1. Étant donné que ces taux de cisaillement se situent déjà dans le régime d'Effet de cisaillementLe type le plus courant de comportement non newtonien est l'amincissement par cisaillement ou l'écoulement pseudoplastique, où la viscosité du fluide diminue avec l'augmentation du cisaillement.amincissement par cisaillement, cela a un effet sur la valeur de la viscosité. Cette question et d'autres peuvent être étudiées dans Osswald, Rudolph, Polymer Rheology - Fundamentals and Applications, Hanser Publishers, Munich, 2015.