Introduzione
Nell'industria dei polimeri, il Melt Flow Index (MFI) e il Melt Volume Rate (MVR) sono parametri fondamentali utilizzati per valutare le caratteristiche di flusso dei termoplastici. L'MFI (o MFR per Melt Flow Rate) misura la massa di polimero che scorre attraverso uno stampo in condizioni specifiche, tipicamente espressa in grammi per 10 minuti, mentre l'MVR misura il volume di polimero che scorre nelle stesse condizioni, espresso in centimetri cubici per 10 minuti. Queste misure sono standardizzate secondo le norme ISO 1133 e ASTM D-1238 e sono comunemente utilizzate per il controllo della qualità, la selezione dei materiali e il confronto tra resine di fornitori diversi. MFI e MVR sono misure standard nel controllo qualità per monitorare le variazioni tra i lotti o con un lotto durante la lavorazione. L'MFI è più comunemente usato dell'MVR e viene spesso impiegato per valutare e confrontare i riciclati, fornendo un metodo rapido per valutare le proprietà di flusso di questi materiali. Tuttavia, questo uso può essere fuorviante, poiché queste metriche non rappresentano accuratamente il comportamento dei polimeri alle alte velocità di taglio tipiche della lavorazione industriale. Questa discrepanza è particolarmente critica in processi come lo stampaggio a iniezione, dove le proprietà di flusso e solidificazione della massa termoplastica sono cruciali. Il flusso di una massa termoplastica è descritto dalla sua viscosità dinamica, che dipende dalla velocità di taglio. Maggiore è la velocità di taglio, minore è la viscosità della colata, il che significa che scorre più facilmente quando si muove più velocemente. Questa caratteristica viene determinata in un reometro capillare. Questa nota applicativa esplora queste limitazioni e spiega perché le misure di viscosità al taglio ottenute tramite reometria capillare forniscono una comprensione più completa della processabilità dei polimeri. Utilizzando il polipropilene (PP) come caso di studio, confrontiamo la viscosità derivata dall'MFI con la viscosità al taglio misurata su una gamma di velocità di taglio e temperature.
Comprendere l'IFM e l'MVR
MFI e MVR sono parametri strettamente correlati e la loro conversione dipende dalla densità del polimero fuso alla temperatura di prova. La relazione è data da:

con
MVR è il Melt Volume Rate (cm³/10min)
MFI è il Melt Flow Index (g/10min)
р è la densità del polimero fuso (g/cm³).
Questa conversione consente di utilizzare MFI e MVR in modo intercambiabile quando la densità è nota, permettendo di confrontare materiali con densità diverse. Ciò è particolarmente utile quando si valutano i riciclati, la cui densità può variare a causa della contaminazione, della degradazione o della miscelazione di diversi tipi di polimeri. Tuttavia, pur essendo conveniente per questi confronti, l'MFI fornisce solo una visione limitata delle caratteristiche di flusso di un polimero. Ciascuna delle due metriche rappresenta solo un singolo punto della curva di flusso, ricavato in condizioni specifiche che non riproducono le elevate velocità di taglio e i complessi ambienti di flusso tipici della lavorazione industriale. Questa limitazione è particolarmente critica quando si confrontano i riciclati, poiché questi materiali possono presentare variazioni significative nel comportamento che non vengono colte dal solo MFI.
I limiti di MFI/MVR nelle applicazioni del mondo reale
L'MFI è ampiamente utilizzato perché offre un metodo semplice e rapido per valutare le caratteristiche di flusso di base dei polimeri. Tuttavia, la sua semplicità può essere fuorviante. L'MFI misura la portata di un polimero fuso a una bassa velocità di taglio. La vera velocità di taglio γw alla parete può essere calcolata dalla MVR e dalle dimensioni caratteristiche dell'ugello.

Considerando un MVR del PP pari a 13 cm³/10 min e il diametro dell'ugello MFI pari a 2,095 mm (r = 1,0475 mm), si ottiene una velocità di taglio di 23,5 s-1. Assumendo un intervallo tipico di MVR da 5 a 25, la velocità di taglio varia anche da 7 a 36 s-1 - tutti valori molto inferiori a quelli riscontrati nei processi industriali come lo stampaggio a iniezione, l'estrusione e il rivestimento, dove le velocità di taglio possono superare i 1000 s-1. Di conseguenza, l'MFI fornisce una visione limitata, da un solo punto di vista, del comportamento del materiale in queste condizioni più impegnative.
I limiti dell'MFI sono particolarmente evidenti quando viene utilizzato per confrontare i riciclati. I polimeri riciclati hanno spesso pesi molecolari, livelli di contaminazione e gradi di degradazione diversi, che influenzano il loro comportamento di flusso. Poiché l'MFI cattura il comportamento del flusso solo a una singola e bassa velocità di taglio, potrebbe non riflettere accuratamente il comportamento di questi materiali durante la lavorazione. Ad esempio, due riciclati con valori MFI simili potrebbero presentare un comportamento di Assottigliamento a taglioIl tipo più comune di comportamento non newtoniano è l'assottigliamento al taglio o flusso pseudoplastico, in cui la viscosità del fluido diminuisce all'aumentare del taglio.assottigliamento al taglio molto diverso, con conseguenti problemi di lavorazione quali riempimento incompleto, difetti superficiali o degradazione del materiale.
Reometria capillare: Un approccio superiore
Per superare le limitazioni dell'MFI, la reometria capillare rappresenta un metodo più avanzato e completo per valutare il comportamento del flusso del polimero. Un reometro capillare Rosand, ad esempio, consente di misurare la viscosità di taglio in un'ampia gamma di velocità di taglio e temperature, offrendo un quadro dettagliato del comportamento del materiale in condizioni che riproducono fedelmente gli ambienti di lavorazione industriali.
Vantaggi della reometria capillare
- Analisi completa della velocità di taglio: A differenza dell'MFI, che si limita a una bassa velocità di taglio, la reometria capillare misura la viscosità in un'ampia gamma di velocità di taglio, da bassa a molto alta. Questo intervallo è essenziale per capire come si comporterà un polimero in diverse condizioni di lavorazione, come ad esempio durante il flusso rapido attraverso le porte dello stampaggio a iniezione o il flusso costante in un processo di estrusione. Spesso un materiale con lo stesso MFI (vergine o riciclato, caricato o non caricato, materiale attuale o sostituto più economico) presenta un comportamento di riempimento dello stampo molto diverso a causa delle differenze di Assottigliamento a taglioIl tipo più comune di comportamento non newtoniano è l'assottigliamento al taglio o flusso pseudoplastico, in cui la viscosità del fluido diminuisce all'aumentare del taglio.assottigliamento al taglio.
- Riproduzione realistica delle condizioni industriali: La reometria capillare è in grado di simulare le elevate velocità di taglio, le condizioni di Lo stressLa sollecitazione è definita come un livello di forza applicato su un campione con una sezione trasversale ben definita. (Sollecitazione = forza/area). I campioni con sezione trasversale circolare o rettangolare possono essere compressi o allungati. I materiali elastici come la gomma possono essere allungati fino a 5-10 volte la loro lunghezza originale.stress e le variazioni di temperatura che si verificano nei processi produttivi reali, offrendo una previsione più accurata del comportamento del materiale durante la lavorazione. Ecco perché queste misure sono un requisito per le simulazioni di riempimento degli stampi.
- Caratterizzazione dettagliata del taglio e dell'allungamento: La reometria capillare può anche fornire informazioni sulle proprietà di allungamento dei polimeri, che sono importanti per processi come l'estrusione e la filatura. Questi dettagli sono fondamentali per ottimizzare le condizioni di lavorazione e garantire una qualità costante del prodotto.
Caso di studio: Polipropilene a temperature variabili
Nel nostro studio, abbiamo analizzato la viscosità di taglio di un materiale in polipropilene (PP) con un MFI di 8 g/10 min, utilizzando un reometro capillare Rosand RH2000 a tre diverse temperature di Temperature di fusione ed entalpieL'entalpia di fusione di una sostanza, nota anche come calore latente, è una misura dell'apporto di energia, tipicamente calore, necessario per convertire una sostanza dallo stato solido a quello liquido. Il punto di fusione di una sostanza è la temperatura alla quale essa cambia stato da solido (cristallino) a liquido (fusione isotropa). fusione, 190°C, 210°C e 230°C. I risultati sono stati poi confrontati con i valori di viscosità di taglio calcolati dai dati MFI misurati a 230°C con un carico di 2,16 kg.
Calcoliamo innanzitutto il valore della viscosità dal test MFI. Utilizzando le Eq. 1 e 2, la velocità di taglio reale durante la prova MFI è stata calcolata pari a 23,5 s-1. La pressione pL può essere calcolata in base all'accelerazione gravitazionale (g = 9,81 m/s²) e al peso di 2,16 kg utilizzato durante il test MFI su PP, per un valore di 0,3 MPa. Lo sforzo di taglio nell'ugello può essere calcolato come:

con
pL è la pressione nell'ugello,
p0 è la pressione atmosferica,
R è il raggio dell'ugello (1,0475 mm),
L è la lunghezza dell'ugello (8 mm).
La viscosità apparente di taglio è data da:

Utilizzando la velocità di taglio reale di 23,5 s-1 e lo sforzo di taglio calcolato con l'Eq. 3, la viscosità calcolata dal test MFI è:

Questo valore di viscosità può essere confrontato con il valore di viscosità alla stessa velocità di taglio e allo stesso sforzo di taglio nelle misure capillari; è di 0,76 kPas, una corrispondenza relativamente vicina.
Le misure capillari sono state eseguite su un Rosand RH2000. Le condizioni di misura sono riassunte nella tabella 1.
Tabella 1: Condizioni di misura per il reometro capillare Rosand RH2000
Sistema | RH 2000 (sistema a doppio foro) |
---|---|
Velocità di taglio | 10 s-1 fino a 1000 s-1 |
Filiera capillare | Ø 1,0 mm, lunghezza 16 mm, angolo d'ingresso 180 |
Filiera a orifizio | Ø 1,0 mm, lunghezza 0,25 mm, angolo di ingresso 180 |
Trasduttore di pressione a sinistra | 1000 Psi (6,87 MPa) |
Trasduttore di pressione destro | 250 Psi (1,74 MPa) |
Atmosfera | Ambiente circostante |
Temperatura di esercizio | 230°C, 210°C, 190°C |
Le misurazioni capillari hanno rivelato differenze significative nel comportamento del materiale per tutte le velocità di taglio testate; si veda la figura 1. Si può notare che in tutto l'intervallo di velocità di taglio ottenuto, questo PP mostra un significativo Assottigliamento a taglioIl tipo più comune di comportamento non newtoniano è l'assottigliamento al taglio o flusso pseudoplastico, in cui la viscosità del fluido diminuisce all'aumentare del taglio.assottigliamento al taglio e lo sforzo di taglio aumenta come previsto. La viscosità calcolata dal test MFI è disegnata come un punto blu per mostrare il buon accordo. Rappresenta solo un valore singolo sul grafico.

Oltre alla misurazione su un ampio intervallo di velocità di taglio, le misure capillari possono essere eseguite a varie temperature per comprendere la dipendenza dalla temperatura del materiale. Questa è una necessità per utilizzare i dati nelle simulazioni di elaborazione. La Figura 2 mostra le curve di flusso risultanti alle tre temperature misurate.

Per lettori avanzati
Nel calcolo del valore della viscosità a punto singolo dalle misure MFI, sono state fatte numerose semplificazioni. Ad esempio, la dipendenza dalla temperatura della densità non è stata utilizzata per aggiustare il calcolo della portata volumetrica per 230°C dalle misurazioni MFI utilizzando l'Eq. 1. Più accurata sarebbe la seguente:

dove

con
ρT0 è la densità a temperatura ambiente (0,9 g/cm³ per il PP)
Coefficiente di espansione termica lineare (CLTE/CTE)Il coefficiente di espansione termica lineare (CLTE) descrive la variazione di lunghezza di un materiale in funzione della temperatura.CLTE è il coefficiente di espansione termica lineare (69*10-6 K-1 per il PP)
T è la temperatura di misurazione della prova MFI (qui 230°C)
T0 è la temperatura ambiente
Tenendo conto di ciò, la velocità di taglio reale è di 18,5 s-1 invece di 23,5 s-1. Dato che queste velocità di taglio sono già nel regime di assottigliamento, ciò ha un effetto sul valore della viscosità. Questo e altro può essere studiato in Osswald, Rudolph, Polymer Rheology - Fundamentals and Applications, Hanser Publishers, Munich, 2015.