Pendahuluan
Dalam industri polimer, Melt Flow Index (MFI) dan Melt Volume Rate (MVR) adalah metrik dasar yang digunakan untuk menilai karakteristik aliran termoplastik. MFI (atau MFR untuk Laju Aliran Leleh) mengukur massa polimer yang mengalir melalui cetakan dalam kondisi tertentu, biasanya dinyatakan dalam gram per 10 menit, sedangkan MVR mengukur volume polimer yang mengalir dalam kondisi yang sama, dinyatakan dalam sentimeter kubik per 10 menit. Metrik ini distandarisasi di bawah ISO 1133 dan ASTM D-1238 dan biasanya digunakan untuk kontrol kualitas, pemilihan bahan, dan membandingkan resin dari pemasok yang berbeda. MFI dan MVR adalah pengukuran standar dalam kontrol kualitas untuk memantau perubahan antar batch atau dengan batch selama pemrosesan. MFI lebih umum digunakan daripada MVR dan sering digunakan untuk mengevaluasi dan membandingkan hasil daur ulang, memberikan metode cepat untuk menilai sifat aliran bahan-bahan ini. Namun, penggunaan ini dapat menyesatkan, karena metrik ini tidak secara akurat mewakili perilaku polimer di bawah laju geser tinggi yang umum terjadi pada pemrosesan industri. Perbedaan ini sangat penting dalam proses seperti pencetakan injeksi, di mana sifat aliran dan pemadatan lelehan termoplastik sangat penting. Aliran lelehan termoplastik dijelaskan oleh viskositas dinamisnya, yang bergantung pada laju geser. Semakin besar laju geser, semakin rendah viskositas lelehan, yang berarti lelehan mengalir lebih mudah karena bergerak lebih cepat. Karakteristik ini ditentukan dalam rheometer kapiler. Catatan aplikasi ini mengeksplorasi keterbatasan ini dan menjelaskan mengapa pengukuran viskositas geser yang diperoleh melalui reometri kapiler memberikan pemahaman yang lebih komprehensif tentang kemampuan proses polimer. Dengan menggunakan polipropilena (PP) sebagai studi kasus, kami membandingkan viskositas yang berasal dari LKM dengan viskositas geser yang diukur pada berbagai laju geser dan suhu.
Memahami LKM dan MVR
MFI dan MVR adalah metrik yang terkait erat, dan konversi di antara keduanya bergantung pada densitas lelehan polimer pada suhu pengujian. Hubungannya diberikan oleh:
dengan
MVR adalah Laju Volume Lelehan (cm³/10 menit)
MFI adalah Indeks Aliran Lelehan (g/10 menit)
р adalah densitas lelehan polimer (g/cm³).
Konversi ini memungkinkan MFI dan MVR digunakan secara bergantian ketika densitas diketahui, sehingga memungkinkan perbandingan antara bahan dengan densitas yang berbeda. Hal ini sangat berguna ketika menilai daur ulang, yang dapat bervariasi dalam KepadatanDensitas massa didefinisikan sebagai rasio antara massa dan volume. kepadatan karena kontaminasi, degradasi, atau pencampuran nilai polimer yang berbeda. Namun, meskipun MFI nyaman untuk perbandingan ini, MFI hanya memberikan pandangan terbatas tentang karakteristik aliran polimer. Masing-masing dari dua metrik tersebut hanya menggambarkan satu titik data pada kurva aliran, yang diperoleh dalam kondisi tertentu yang tidak meniru laju geser yang tinggi dan lingkungan aliran yang kompleks yang khas dalam pemrosesan industri. Keterbatasan ini sangat penting ketika membandingkan daur ulang, karena bahan-bahan ini dapat menunjukkan variasi perilaku yang signifikan yang tidak dapat ditangkap oleh MFI saja.
Keterbatasan LKM/MVR dalam Aplikasi Dunia Nyata
MFI banyak digunakan karena menawarkan metode yang sederhana dan cepat untuk menilai karakteristik aliran dasar polimer. Namun, kesederhanaannya dapat menyesatkan. MFI mengukur laju aliran lelehan polimer pada laju geser yang rendah. Laju geser yang sebenarnya γw di dinding dapat dihitung dari MVR dan dimensi karakteristik nosel.
Dengan mengambil MVR PP sebesar 13 cm³/10 menit dan diameter nosel LKM sebesar 2,095 mm (r = 1,0475 mm), kami memperoleh laju geser 23,5 s-1. Dengan mengasumsikan kisaran tipikal MVR dari 5 hingga 25, laju geser juga berkisar antara 7 hingga 36 s-1 - semuanya jauh di bawah apa yang ditemukan dalam proses industri seperti pencetakan injeksi, ekstrusi, dan pelapisan, di mana laju geser dapat melebihi 1000 s-1. Akibatnya, MFI memberikan pandangan tunggal yang terbatas tentang bagaimana material berperilaku dalam kondisi yang lebih menuntut ini.
Keterbatasan MFI sangat jelas terlihat ketika digunakan untuk membandingkan hasil daur ulang. Polimer daur ulang sering kali memiliki berat molekul, tingkat kontaminasi, dan tingkat degradasi yang berbeda-beda, yang semuanya memengaruhi perilaku alirannya. Karena MFI hanya menangkap perilaku aliran pada satu laju geser rendah, MFI mungkin tidak secara akurat mencerminkan bagaimana bahan-bahan ini akan bekerja selama pemrosesan. Sebagai contoh, dua daur ulang dengan nilai MFI yang sama dapat menunjukkan perilaku Penipisan GeserJenis perilaku non-Newtonian yang paling umum adalah penipisan geser atau aliran pseudoplastik, di mana viskositas fluida berkurang dengan meningkatnya geseran.penipisan geser yang sangat berbeda, yang menyebabkan tantangan pemrosesan seperti pengisian yang tidak lengkap, cacat permukaan, atau degradasi material.
Reometri Kapiler: Pendekatan yang Unggul
Untuk mengatasi keterbatasan MFI, rheometri kapiler berfungsi sebagai metode yang lebih canggih dan komprehensif untuk menilai perilaku aliran polimer. Rheometer kapiler Rosand, misalnya, memungkinkan pengukuran viskositas geser pada berbagai laju geser dan suhu, menawarkan gambaran terperinci tentang bagaimana material berperilaku dalam kondisi yang secara dekat mereplikasi lingkungan pemrosesan industri.
Keuntungan dari Reometri Kapiler
- Analisis Laju Geser Komprehensif: Tidak seperti MFI, yang terbatas pada laju geser rendah, reometri kapiler mengukur viskositas di berbagai laju geser, dari rendah hingga sangat tinggi. Kisaran ini sangat penting untuk memahami bagaimana kinerja polimer dalam kondisi pemrosesan yang berbeda, seperti selama aliran cepat melalui gerbang cetakan injeksi atau aliran stabil dalam proses ekstrusi. Sering kali, bahan dengan LKM yang sama (perawan vs daur ulang, terisi vs tidak terisi, bahan saat ini vs pengganti yang lebih murah) menunjukkan perilaku pengisian cetakan yang sangat berbeda karena perbedaan Penipisan GeserJenis perilaku non-Newtonian yang paling umum adalah penipisan geser atau aliran pseudoplastik, di mana viskositas fluida berkurang dengan meningkatnya geseran.penipisan geser.
- Replikasi Realistis dari Kondisi Industri: Rheometri kapiler dapat mensimulasikan laju geser tinggi dan kondisi tegangan serta perubahan suhu yang dihadapi dalam proses manufaktur aktual, menawarkan prediksi yang lebih akurat tentang bagaimana material akan berperilaku selama pemrosesan. Inilah sebabnya mengapa pengukuran ini merupakan persyaratan untuk simulasi pengisian cetakan.
- Karakterisasi Geser dan Pemanjangan Terperinci: Reometri kapiler juga dapat memberikan wawasan tentang sifat pemanjangan polimer, yang relevan untuk proses seperti ekstrusi dan pemintalan. Rincian ini sangat penting untuk mengoptimalkan kondisi pemrosesan dan memastikan kualitas produk yang konsisten.
Studi Kasus: Polipropilena pada Suhu yang Bervariasi
Dalam penelitian kami, kami menganalisis viskositas geser bahan polipropilena (PP) dengan MFI 8 g/10 menit menggunakan Rosand RH2000 Capillary Rheometer pada tiga Suhu Leleh dan EntalpiEntalpi fusi suatu zat, juga dikenal sebagai panas laten, adalah ukuran masukan energi, biasanya panas, yang diperlukan untuk mengubah suatu zat dari padat menjadi cair. Titik leleh suatu zat adalah suhu saat zat tersebut berubah wujud dari padat (kristal) menjadi cair (lelehan isotropik). suhu leleh yang berbeda, yaitu 190°C, 210°C, dan 230°C. Hasilnya kemudian dibandingkan dengan nilai viskositas geser yang dihitung dari data MFI yang diukur pada suhu 230°C dengan beban 2,16 kg.
Pertama-tama, mari kita hitung nilai viskositas dari uji MFI. Dengan menggunakan Persamaan 1 dan 2, laju geser yang sebenarnya selama pengujian MFI dihitung menjadi 23,5 s-1. Tekanan pL dapat dihitung dari percepatan gravitasi (g = 9,81 m/s²) dan berat 2,16 kg yang digunakan selama uji MFI pada PP menjadi 0,3 MPa. Tegangan geser pada nosel dapat dihitung sebagai:
dengan
pL adalah tekanan dalam nosel,
p0 adalah tekanan atmosfer,
R adalah jari-jari nosel (1,0475 mm),
L adalah panjang nosel (8 mm).
Viskositas geser yang tampak diberikan sebagai:
Dengan menggunakan laju geser yang sebenarnya yaitu 23,5 s-1 dan tegangan geser yang dihitung dengan Eq. 3, viskositas yang dihitung dari uji MFI adalah:
Nilai viskositas ini sekarang dapat dibandingkan dengan nilai viskositas pada laju geser dan tegangan geser yang sama pada pengukuran kapiler; yaitu 0,76 kPas, yang relatif sama.
Pengukuran kapiler dilakukan pada Rosand RH2000. Kondisi pengukuran dirangkum dalam tabel 1.
Tabel 1: Kondisi pengukuran untuk rheometer kapiler Rosand RH2000
| Sistem | RH 2000 (Sistem Lubang Ganda) |
|---|---|
| Laju geser | 10 s-1 hingga 1000 s-1 |
| Cetakan kapiler | Ø 1,0 mm, panjang 16 mm, sudut masuk 180 |
| Lubang mati | Ø 1,0 mm, panjang 0,25 mm, sudut masuk 180 |
| Transduser tekanan kiri | 1000 Psi (6,87 MPa) |
| Transduser tekanan kanan | 250 Psi (1,74 MPa) |
| Suasana | Sekitar |
| Suhu | 230°C, 210°C, 190°C |
Pengukuran kapiler menunjukkan perbedaan yang signifikan dalam perilaku material di seluruh laju geser yang diuji; lihat gambar 1. Dapat dilihat bahwa pada seluruh rentang laju geser yang diperoleh, PP ini menunjukkan perilaku Penipisan GeserJenis perilaku non-Newtonian yang paling umum adalah penipisan geser atau aliran pseudoplastik, di mana viskositas fluida berkurang dengan meningkatnya geseran.penipisan geser yang signifikan dan tegangan geser meningkat seperti yang diharapkan. Viskositas yang dihitung dari uji MFI digambar sebagai titik biru untuk menunjukkan kesesuaian yang baik. Ini hanya mewakili satu nilai titik pada grafik.
Selain pengukuran pada rentang laju geser yang lebar, pengukuran kapiler dapat dilakukan pada berbagai suhu untuk memahami ketergantungan suhu material. Hal ini penting untuk menggunakan data dalam memproses simulasi. Gambar 2 menunjukkan kurva aliran yang dihasilkan pada tiga suhu yang diukur.
Untuk Pembaca Tingkat Lanjut
Dalam perhitungan nilai viskositas satu titik dari pengukuran MFI, banyak penyederhanaan yang dilakukan. Sebagai contoh, ketergantungan suhu dari densitas tidak digunakan untuk menyesuaikan perhitungan laju aliran volume untuk suhu 230°C dari pengukuran MFI menggunakan Eq. 1. Yang lebih akurat adalah sebagai berikut:
di mana
dengan
ρT0 adalah densitas pada suhu kamar (0,9 g/cm³ untuk PP)
Koefisien Ekspansi Termal Linier (CLTE/CTE)Koefisien ekspansi termal linier (CLTE) menggambarkan perubahan panjang suatu bahan sebagai fungsi suhu.CLTE adalah Koefisien Ekspansi Termal Linier (CLTE/CTE)Koefisien ekspansi termal linier (CLTE) menggambarkan perubahan panjang suatu bahan sebagai fungsi suhu. koefisien ekspansi termal linier (69*10-6 K-1 untuk PP)
T adalah suhu pengukuran uji MFI (di sini 230°C)
T0 adalah suhu kamar
Dengan memperhitungkan hal ini, laju geser yang sebenarnya adalah 18,5 s-1, bukan 23,5 s-1. Mengingat bahwa laju geser ini sudah berada dalam rezim Penipisan GeserJenis perilaku non-Newtonian yang paling umum adalah penipisan geser atau aliran pseudoplastik, di mana viskositas fluida berkurang dengan meningkatnya geseran.penipisan geser, hal ini berpengaruh pada nilai viskositas. Hal ini dan lebih banyak lagi dapat dipelajari dalam Osswald, Rudolph, Polymer Rheology - Fundamentals and Applications, Hanser Publishers, Munich, 2015.