はじめに
ポリマー業界において、メルトフローインデックス（MFI）とメルトボリュームレート（MVR）は、熱可塑性プラスチックの流動特性を評価するために使用される基本的な指標です。MFI（またはメルトフローレイトのMFR）は、特定の条件下でダイを通過するポリマーの質量を測定するもので、一般的には10分当たりのグラム数で表され、MVRは同じ条件下で流れるポリマーの体積を測定するもので、10分当たりの立方センチメートル数で表されます。これらの測定基準はISO 1133およびASTM D-1238で標準化されており、品質管理、材料の選択、異なるサプライヤーの樹脂の比較に一般的に使用されています。MFIとMVRは品質管理における標準的な測定値で、バッチ間あるいはバッチ処理中の変化を監視するために用いられます。MFIはMVRよりも一般的に使用され、リサイクル材料の評価や比較に頻繁に使用され、これらの材料の流動特性を評価するための迅速な方法を提供します。しかし、これらの測定基準は、工業的加工に一般的な高せん断速度下でのポリマーの挙動を正確に表していないため、この使用は誤解を招く可能性がある。この不一致は、射出成形のような熱可塑性プラスチック溶融物の流動と凝固特性が極めて重要な工程では特に致命的です。熱可塑性樹脂溶融物の流動性は、せん断速度に依存する動的粘度によって表される。せん断速度が大きいほど、溶融物の粘度は低くなり、速く動くほど流れやすくなります。この特性はキャピラリレオメーターで測定されます。このアプリケーションノートでは、キャピラリレオメーターを使用したせん断粘度測定が、ポリマーの加工性をより包括的に理解できる理由を説明します。ポリプロピレン（PP）をケーススタディとして、MFI由来の粘度と、せん断速度およびせん断温度の範囲にわたって測定したせん断粘度を比較します。
MFIとMVRを理解する
MFIとMVRは密接に関連した測定基準であり、両者の変換は試験温度におけるポリマーメルトの密度に依存する。この関係は次式で与えられる：
とする。
MVR はメルトボリュームレート（cm³/10min）
MFI はメルトフローインデックス（g/10min）
рはポリマーメルトの密度（g/cm³）である。
この換算により、密度が既知の場合、MFIとMVRを互換的に使用することができ、密度の異なる材料間の比較が可能になります。これは特に、汚染や劣化、異なるポリマーグレードの混合によって密度が変化する可能性のあるリサイクル品を評価する場合に有用です。しかし、MFIはこのような比較には便利ですが、ポリマーの流動特性については限られた見方しかできません。この2つの指標は、それぞれ流動曲線上の1つのデータ点のみを示しており、工業処理に一般的な高せん断速度や複雑な流動環境を模倣しない特定の条件下で得られたものです。リサイクル材料を比較する場合、これらの材料はMFIだけでは捉えられないような大きなばらつきのある挙動を示すことがあるため、この制限は特に重要です。
実世界におけるMFI/MVRの限界
MFIは、ポリマーの基本的な流動特性を簡便かつ迅速に評価できるため、広く用いられている。しかし、その単純さが誤解を招くこともある。MFIは、低せん断速度におけるポリマーメルトの流速を測定する。壁面での真のせん断速度γwは、MVRとノズルの特性寸法から計算することができる。
PPのMVRを13 cm³/10分、MFIノズルの直径を2.095 mm（r = 1.0475 mm）とすると、せん断速度は23.5 s-1となる。一般的なMVRを5～25と仮定すると、せん断速度は7～36s-1となり、いずれも、せん断速度が1000s-1を超える射出成形、押出成形、コーティングなどの工業プロセスで遭遇する速度をはるかに下回る。その結果、MFIは、材料がこのような過酷な条件下でどのような挙動を示すかについて、限定的で単一的な見方を提供することになる。
MFIの限界は、リサイクル品の比較に用いると特に顕著になります。リサイクルされたポリマーは、分子量、汚染度、劣化の程度が様々であることが多く、これらすべてが流動挙動に影響を与える。MFIは単一の低いせん断速度での流動挙動しか把握できないため、これらの材料が加工中にどのような挙動を示すかを正確に反映していない可能性がある。例えば、同じようなMFI値を持つ2つのリサイクル材料が、全く異なるせん断減粘挙動を示す可能性があり、不完全充填、表面欠陥、材料劣化などの加工上の課題につながる。
キャピラリーレオメーター：優れたアプローチ
MFIの限界を克服するために、キャピラリレオメーターは、ポリマーの流動挙動を評価するための、より高度で包括的な方法として機能します。例えば、ロザ ンドキャピラリレオメータでは、幅広いせん断速度と温度範囲でせん断粘 度を測定できるため、工業的な加工環境に近い条件下での材料の挙動 を詳細に把握することができます。
キャピラリーレオメーターの利点
- 包括的なせん断速度分析：低せん断速度に限定されるMFIとは異なり、キャピラリレオメ ーターは、低せん断速度から非常に高いせん断速度まで、幅広いせん断 速度範囲にわたって粘度を測定します。この範囲は、射出成形ゲートを通過する高速流動や押出工程での定常流動など、さまざまな加工条件下でポリマーがどのような性能を発揮するかを理解するために不可欠です。多くの場合、同じMFIを持つ材料（バージン材とリサイクル材、充填材と非充填材、現行材料と安価な代替材料）でも、せん断減粘の違いにより、金型への充填挙動が大きく異なります。
- 工業的条件の現実的な再現：キャピラリーレオメーターは、実際の製造工程で発生する高いせん断速度や応力条件、温度変化をシミュレートできるため、加工中の材料の挙動をより正確に予測することができます。このため、これらの測定は金型充填シミュレーションの要件となっています。
- 詳細なせん断および伸長特性評価：キャピラリーレオメーターは、押出や紡糸などの工程に関連するポリマーの伸長特性に関する知見も提供します。これらの詳細は、加工条件を最適化し、安定した製品品質を確保するために極めて重要です。
ケーススタディさまざまな温度におけるポリプロピレン
本研究では、190℃、210℃、230℃の3つの異なる溶融温度で、Rosand RH2000 キャピラリーレオメーターを用いて、MFIが8g/10分のポリプロピレン(PP)材料のせん断粘度を分析しました。その結果を、230℃で2.16 kgの荷重をかけて測定したMFIデータから計算したせん断粘度値と比較しました。
まず、MFI試験から粘度値を計算してみよう。式1と式2を用いると、MFI試験中の真のせん断速度は23.5 s-1と計算された。圧力pLは、重力加速度（g = 9.81 m/s²）と、PPのMFI試験で使用した重量2.16 kgから計算でき、0.3 MPaとなる。ノズル内の応力は次のように計算できる：
である。
pLはノズル内の圧力、
p0は大気圧、
R はノズルの半径（1.0475 mm）、
L はノズルの長さ（8 mm）。
見かけのせん断粘度は次式で与えられる：
真のせん断速度23.5 s-1と式3で計算されたせん断応力を用いると、MFI試験から計算された粘度は次のようになる：
この粘度値は、キャピラリ測定における同じせん断速度とせん断応力での粘度値と比較することができます。
キャピラリー測定は、Rosand RH2000 。測定条件を表1にまとめた。
表 1:Rosand RH2000 キャピラリーレオメータの測定条件
| システム | RH 2000 (ダブルボアシステム) |
|---|---|
| せん断速度 | 10 s-1～1000 s-1 |
| キャピラリーダイ | Ø 1.0mm、長さ16mm、進入角180度 |
| オリフィスダイ | Ø 1.0mm、長さ0.25mm、進入角180 |
| 圧力変換器 左 | 1000 Psi (6.87 MPa) |
| 圧力変換器右 | 250 Psi (1.74 MPa) |
| 大気圧 | 周囲温度 |
| 温度 | 230℃、210℃、190 |
キャピラリー測定により、試験されたせん断速度における材料の挙動に大きな違いがあることが明らかになった。得られた全せん断速度範囲において、このPPは顕著なせん断減粘挙動を示し、予想通りせん断応力が増加することがわかります。MFI試験から計算された粘度は、良好な一致を示すために青い点で描かれています。これはグラフ上の1点の値のみを表しています。
広いせん断速度範囲での測定に加え、材料の温度依存性を理解するために、様々な温度でキャピラリー測定を行うことができる。これは、データを加工シミュレーションに使用するために必要なことです。図2は、測定した3つの温度で得られた流動曲線を示している。
上級者向け
MFI測定値からの一点粘度値の計算では、多くの簡略化が行われた。例えば、密度の温度依存性は、式1を使用してMFI測定値から230℃の体積流量の計算を調整するために使用されませんでした。より正確には以下のようになる：
どこ
とする。
ρT0は室温での密度（PPの場合0.9g/cm³）
線膨張係数線熱膨張係数（CLTE）は、温度の関数としての材料の長さの変化を表す。CLTEは線熱膨張係数（PPの場合69*10-6 K-1）
TはMFI試験の測定温度（ここでは230℃）
T0は室温。
これを考慮すると、真のせん断速度は23.5s-1ではなく18.5s-1となる。このせん断速度はすでにせん断減粘領域にあるため、粘度値に影響を与えます。この他にも、Osswald, Rudolph, Polymer Rheology - Fundamentals and Applications, Hanser Publishers, Munich, 2015で研究されています。