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용융 흐름 지수: 폴리머 비교를 위한 전단 점도 측정의 우수성

소개

폴리머 산업에서 용융 흐름 지수(MFI)와 용융 부피 속도(MVR)는 열가소성 플라스틱의 흐름 특성을 평가하는 데 사용되는 기본적인 측정 지표입니다. MFI는 특정 조건에서 금형을 통해 흐르는 폴리머의 질량을 측정하며 일반적으로 10분당 그램으로 표시하고, MVR은 동일한 조건에서 흐르는 폴리머의 부피를 측정하며 10분당 입방 센티미터로 표시합니다. 이러한 측정치는 ISO 1133 및 ASTM D-1238에 따라 표준화되어 있으며 품질 관리, 재료 선택, 여러 공급업체의 레진 비교에 일반적으로 사용됩니다. MFI와 MVR은 공정 중 배치 간 또는 배치의 변화를 모니터링하기 위한 품질 관리의 표준 측정값입니다. MFI는 MVR보다 더 일반적으로 사용되며 재활용품을 평가하고 비교하는 데 자주 사용되어 이러한 재료의 유동 특성을 빠르게 평가할 수 있는 방법을 제공합니다. 그러나 이러한 지표는 산업 공정의 일반적인 높은 전단 속도에서 폴리머의 거동을 정확하게 나타내지 못하기 때문에 오해의 소지가 있을 수 있습니다. 이러한 불일치는 열가소성 용융물의 흐름 및 응고 특성이 중요한 사출 성형과 같은 공정에서 특히 중요합니다. 열가소성 용융물의 흐름은 전단 속도에 따라 달라지는 동적 점도로 설명할 수 있습니다. 전단 속도가 클수록 용융물의 점도가 낮아져 용융물이 더 빨리 움직이면서 더 쉽게 흐릅니다. 이 특성은 모세관 레오미터에서 결정됩니다. 이 애플리케이션 노트에서는 이러한 한계를 살펴보고 모세관 레오미터를 통해 얻은 전단 점도 측정이 폴리머 가공성에 대한 보다 포괄적인 이해를 제공하는 이유를 설명합니다. 폴리프로필렌(PP)을 사례 연구로 사용하여 다양한 전단 속도 및 온도 범위에서 측정된 전단 점도와 MFI 유도 점도를 비교합니다.

MFI 및 MVR 이해

MFI와 MVR은 밀접하게 관련된 지표이며, 두 지표 간의 변환은 테스트 온도에서 폴리머 용융물의 밀도에 따라 달라집니다. 관계는 다음과 같습니다:

방정식 1

MVR은 용융 부피율(cm³/10분)
MFI는 용융 흐름 지수(g/10분)
р는 폴리머 용융의 밀도(g/cm³)입니다.

이 변환을 사용하면 밀도가 알려진 경우 MFI와 MVR을 서로 바꿔서 사용할 수 있으므로 밀도가 다른 재료 간에 비교할 수 있습니다. 이는 오염, 분해 또는 서로 다른 폴리머 등급의 혼합으로 인해 밀도가 달라질 수 있는 재활용품을 평가할 때 특히 유용합니다. 그러나 MFI는 이러한 비교에 편리하지만 폴리머의 흐름 특성에 대한 제한된 보기만 제공합니다. 두 지표는 각각 산업 공정의 일반적인 높은 전단 속도와 복잡한 흐름 환경을 모방하지 않는 특정 조건에서 도출된 흐름 곡선의 단일 데이터 포인트만 나타냅니다. 이러한 재료는 MFI만으로는 포착할 수 없는 상당한 행동 변화를 보일 수 있기 때문에 이러한 제한은 재활용 재료를 비교할 때 특히 중요합니다.

실제 애플리케이션에서의 MFI/MVR의 한계

MFI는 폴리머의 기본 흐름 특성을 평가하는 간단하고 빠른 방법을 제공하기 때문에 널리 사용됩니다. 하지만 단순함 때문에 오해의 소지가 있을 수 있습니다. MFI는 낮은 전단 속도에서 폴리머 용융물의 유속을 측정합니다. 벽에서의 실제 전단 속도 γw는 MVR과 노즐의 특성 치수를 통해 계산할 수 있습니다.

방정식 2

PP의 MVR을 13cm³/10분으로, MFI 노즐의 직경을 2.095mm(r = 1.0475mm)로 가정하면 23.5초-1의 전단 속도를 얻을 수 있습니다. MVR의 일반적인 범위를 5에서 25로 가정하면 전단 속도 범위도 7에서 36초-1로, 모두 사출 성형, 압출 및 코팅과 같은 산업 공정에서 전단 속도가 1000초-1을 초과하는 것보다 훨씬 낮습니다. 따라서 MFI는 이러한 까다로운 조건에서 재료가 어떻게 작동하는지에 대한 제한된 단일 지점 뷰를 제공합니다.

MFI의 한계는 특히 재활용 소재를 비교하는 데 사용될 때 분명하게 드러납니다. 재활용 폴리머는 분자량, 오염 수준, 열화 정도가 다양한 경우가 많으며, 이 모든 것이 유동 거동에 영향을 미칩니다. MFI는 단일의 낮은 전단 속도에서만 유동 거동을 포착하기 때문에 이러한 재료가 처리 중에 어떻게 작동하는지를 정확하게 반영하지 못할 수 있습니다. 예를 들어, MFI 값이 비슷한 두 재활용 재료는 매우 다른 전단 박리 거동을 보여 불완전한 충전, 표면 결함 또는 재료 열화와 같은 처리 문제를 일으킬 수 있습니다.

모세혈관 유변학: 탁월한 접근 방식

MFI의 한계를 극복하기 위해 모세관 레오메트리는 폴리머 흐름 거동을 평가하는 보다 진보되고 포괄적인 방법으로 사용됩니다. 예를 들어, Rosand 모세관 레오미터는 광범위한 전단 속도와 온도에서 전단 점도를 측정할 수 있어 산업 공정 환경과 유사한 조건에서 재료가 어떻게 작동하는지에 대한 자세한 그림을 제공합니다.

모세관 레오메트리의 장점

  1. 포괄적인 전단 속도 분석: 낮은 전단 속도에 국한된 MFI와 달리 모세관 레오메트리는 낮은 전단 속도부터 매우 높은 전단 속도까지 광범위한 전단 속도에 걸쳐 점도를 측정합니다. 이 범위는 사출 성형 게이트를 통과하는 빠른 흐름이나 압출 공정에서 일정한 흐름과 같은 다양한 공정 조건에서 폴리머가 어떻게 작동하는지 이해하는 데 필수적입니다. 동일한 MFI를 가진 재료(버진 및 재활용, 충진 및 비충진, 기존 재료와 저렴한 대체재)라 할지라도 전단 얇아짐의 차이로 인해 매우 다른 금형 충진 거동을 보이는 경우가 많습니다.
  2. 산업 조건의 사실적인 재현: 모세관 레오메트리는 실제 제조 공정에서 발생하는 높은 전단 속도 및 응력 조건과 온도 변화를 시뮬레이션하여 가공 중 재료의 거동을 보다 정확하게 예측할 수 있습니다. 이러한 측정이 금형 충진 시뮬레이션의 필수 요건인 이유가 바로 여기에 있습니다.
  3. 상세한 전단 및 연신 특성 분석: 모세관 유변학은 압출 및 방적과 같은 공정과 관련된 폴리머의 연신율 특성에 대한 통찰력을 제공할 수도 있습니다. 이러한 세부 정보는 공정 조건을 최적화하고 일관된 제품 품질을 보장하는 데 매우 중요합니다.

사례 연구: 다양한 온도에서의 폴리프로필렌

본 연구에서는 190°C, 210°C, 230°C의 세 가지 용융 온도에서 Rosand RH2000 모세관 레오미터를 사용하여 MFI가 8g/10분인 폴리프로필렌(PP) 소재의 전단 점도를 분석했습니다. 그런 다음 230°C에서 2.16kg의 하중으로 측정한 MFI 데이터에서 계산된 전단 점도 값과 결과를 비교했습니다.

먼저 MFI 테스트에서 점도 값을 계산해 보겠습니다. 식 1과 2를 사용하여 MFI 테스트 중 실제 전단 속도는 23.5초-1로 계산되었습니다. 중력 가속도(g = 9.81m/s²)와 PP에 대한 MFI 테스트에 사용된 2.16kg의 무게로부터 압력 pL을 0.3MPa로 계산할 수 있습니다. 노즐의 전단 응력은 다음과 같이 계산할 수 있습니다:

방정식 3

와 함께

pL은 노즐의 압력,
p0은 대기압,
R은 노즐의 반경(1.0475mm),
L은 노즐 길이(8mm)입니다.

겉보기 전단 점도는 다음과 같습니다:

방정식 4

실제 전단 속도 23.5초-1과 식 3으로 계산한 전단 응력을 사용하여 MFI 테스트에서 계산된 점도는 다음과 같습니다:

방정식 5

이제 이 점도 값을 모세관 측정에서 동일한 전단 속도 및 전단 응력에서의 점도 값과 비교할 수 있으며, 이 값은 0.76kPas로 비교적 근접하게 일치합니다.

모세관 측정은 Rosand RH2000에서 수행되었습니다. 측정 조건은 표 1에 요약되어 있습니다.

표 1: Rosand RH2000 모세관 레오미터의 측정 조건

시스템RH 2000(이중 보어 시스템)
전단 속도10초-1 ~ 1000초-1
모세관 다이Ø 1.0mm, 16mm 길이, 180° 진입 각도
오리피스 다이Ø 1.0mm, 0.25mm 길이, 180° 진입 각도
압력 트랜스듀서 왼쪽1000 Psi(6.87 MPa)
압력 트랜스듀서 오른쪽250 Psi(1.74 MPa)
대기주변
온도230°C, 210°C, 190°C

모세관 측정 결과, 테스트된 전단 속도에 따라 재료의 거동에 상당한 차이가 있는 것으로 나타났습니다(그림 1 참조). 얻어진 전체 전단 속도 범위에서 이 PP는 상당한 전단 박화 거동을 보이며 예상대로 전단 응력이 증가하는 것을 볼 수 있습니다. MFI 테스트에서 계산된 점도는 파란색 점으로 그려져 있어 잘 일치함을 보여줍니다. 이는 그래프에서 단일 점 값만을 나타냅니다.

1) 230°C에서 측정한 PP의 전단 점도 및 전단 응력, MFI 측정값에서 계산한 단일점 점도 값은 파란색 점으로 표시되어 있습니다.

넓은 전단 속도 범위에 대한 측정 외에도 모세관 측정은 다양한 온도에서 수행하여 재료의 온도 의존성을 이해할 수 있습니다. 이는 시뮬레이션을 처리하는 데 데이터를 사용하기 위해 반드시 필요합니다. 그림 2는 세 가지 온도에서 측정한 결과의 유량 곡선을 보여줍니다.

2) 230°C, 210°C 및 190°C에서 PP의 전단 점도.

고급 독자를 위한 정보

MFI 측정값에서 단일점 점도 값을 계산할 때 많은 단순화가 이루어졌습니다. 예를 들어, 밀도의 온도 의존성은 식 1을 사용하여 MFI 측정값에서 230°C에 대한 체적 유량 계산을 조정하는 데 사용되지 않았습니다. 더 정확한 방법은 다음과 같습니다:

어디

ρT0는 실온에서의 밀도(PP의 경우 0.9g/cm³)
CLTE는 선형 열팽창 계수(PP의 경우 69*10-6 K-1 )
T는 MFI 테스트의 측정 온도(여기서는 230°C)
T0는 실온입니다

이를 고려하면 실제 전단 속도는 23.5초-1이 아니라 18.5초-1입니다. 이러한 전단 속도가 이미 전단 희석 체제에 있다는 점을 감안하면 점도 값에 영향을 미칩니다. 이에 대한 자세한 내용은 오스왈드, 루돌프, 고분자 유변학 - 기초 및 응용, 한서 출판사, 뮌헨, 2015에서 확인할 수 있습니다.