Inleiding
In de polymeerindustrie zijn de Melt Flow Index (MFI) en Melt Volume Rate (MVR) fundamentele meetgegevens die worden gebruikt om de vloei-eigenschappen van thermoplasten te beoordelen. MFI (of MFR voor Melt Flow Rate) meet de massa polymeer die onder specifieke omstandigheden door een matrijs stroomt, meestal uitgedrukt in gram per 10 minuten, terwijl MVR het volume polymeer meet dat onder dezelfde omstandigheden stroomt, uitgedrukt in kubieke centimeter per 10 minuten. Deze meetgegevens zijn gestandaardiseerd onder ISO 1133 en ASTM D-1238 en worden vaak gebruikt voor kwaliteitscontrole, materiaalselectie en het vergelijken van harsen van verschillende leveranciers. MFI en MVR zijn standaardmetingen bij kwaliteitscontrole om veranderingen tussen batches of met een batch tijdens de verwerking te controleren. MFI wordt vaker gebruikt dan MVR en wordt vaak gebruikt om recyclaten te evalueren en te vergelijken, omdat het een snelle methode is om de vloei-eigenschappen van deze materialen te beoordelen. Dit gebruik kan echter misleidend zijn, omdat deze meetmethoden het gedrag van polymeren onder de hoge afschuifsnelheden die typisch zijn voor industriële verwerking, niet nauwkeurig weergeven. Deze discrepantie is vooral kritisch bij processen zoals spuitgieten, waar de vloei- en stollingseigenschappen van de thermoplastische smelt cruciaal zijn. Het vloeien van een thermoplastische smelt wordt beschreven door de dynamische viscositeit, die afhankelijk is van de afschuifsnelheid. Hoe groter de afschuifsnelheid, hoe lager de viscositeit van de smelt, wat betekent dat de smelt gemakkelijker vloeit naarmate hij sneller beweegt. Deze eigenschap wordt bepaald in een capillaire reometer. Deze toepassingsnotitie onderzoekt deze beperkingen en legt uit waarom afschuifviscositeitsmetingen via capillaire reometrie een beter inzicht geven in de verwerkbaarheid van polymeren. Met polypropyleen (PP) als casestudy vergelijken we de MFI-afgeleide viscositeit met de afschuifviscositeit gemeten over een reeks afschuifsnelheden en temperaturen.
MFI en MVR begrijpen
MFI en MVR zijn nauw verwante meeteenheden en de conversie tussen beide hangt af van de DichtheidDe massadichtheid wordt gedefinieerd als de verhouding tussen massa en volume. dichtheid van de polymeermelt bij de testtemperatuur. De relatie wordt gegeven door:
met
MVR is het smeltvolume (cm³/10min)
MFI is de smeltindex (g/10min)
р is de DichtheidDe massadichtheid wordt gedefinieerd als de verhouding tussen massa en volume. dichtheid van de polymeermelt (g/cm³).
Door deze omrekening kunnen MFI en MVR door elkaar worden gebruikt als de DichtheidDe massadichtheid wordt gedefinieerd als de verhouding tussen massa en volume. dichtheid bekend is, waardoor vergelijkingen tussen materialen met verschillende dichtheden mogelijk zijn. Dit is vooral nuttig bij het beoordelen van recyclaten, waarvan de DichtheidDe massadichtheid wordt gedefinieerd als de verhouding tussen massa en volume. dichtheid kan variëren door vervuiling, degradatie of het mengen van verschillende polymeerkwaliteiten. Hoewel MFI handig is voor deze vergelijkingen, geeft het slechts een beperkt beeld van de vloei-eigenschappen van een polymeer. Elk van de twee meeteenheden geeft slechts één gegevenspunt op de stromingscurve weer, afgeleid onder specifieke omstandigheden die de hoge afschuifsnelheden en complexe stromingsomgevingen die typisch zijn voor industriële verwerking niet nabootsen. Deze beperking is vooral kritisch bij het vergelijken van recyclaten, omdat deze materialen significante variaties in gedrag kunnen vertonen die niet worden weergegeven door MFI alleen.
De beperkingen van MFI/MVR in echte wereldtoepassingen
MFI wordt veel gebruikt omdat het een eenvoudige en snelle methode is om de basale vloei-eigenschappen van polymeren te beoordelen. De eenvoud kan echter misleidend zijn. MFI meet de stroomsnelheid van een polymeermelt bij een lage afschuifsnelheid. De werkelijke afschuifsnelheid γw aan de wand kan worden berekend uit de MVR en de karakteristieke afmetingen van de spuitmond.
Als we uitgaan van een MVR van PP van 13 cm³/10 min en de diameter van het MFI mondstuk van 2,095 mm (r = 1,0475 mm), dan komen we uit op een afschuifsnelheid van 23,5 s-1. Dit is allemaal veel lager dan in industriële processen zoals spuitgieten en extruderen. Uitgaande van een typisch bereik van MVR van 5 tot 25, varieert de afschuifsnelheid ook van 7 tot 36 s-1 - allemaal ver onder wat wordt aangetroffen in industriële processen zoals spuitgieten, extrusie en coaten, waar de afschuifsnelheid meer dan 1000 s-1 kan bedragen. Als gevolg hiervan geeft MFI een beperkt, enkelvoudig beeld van hoe het materiaal zich gedraagt onder deze meer veeleisende omstandigheden.
De beperkingen van MFI zijn vooral duidelijk wanneer het wordt gebruikt om recyclaten te vergelijken. Gerecyclede polymeren hebben vaak verschillende molecuulgewichten, verontreinigingsniveaus en degradatiegraden, die allemaal hun stromingsgedrag beïnvloeden. Omdat MFI alleen het vloeigedrag bij één lage afschuifsnelheid vastlegt, geeft het mogelijk niet nauwkeurig weer hoe deze materialen zullen presteren tijdens verwerking. Twee recyclaten met vergelijkbare MFI-waarden kunnen bijvoorbeeld een heel verschillend afschuifverdunningsgedrag vertonen, wat kan leiden tot verwerkingsproblemen zoals onvolledige vulling, oppervlaktedefecten of materiaaldegradatie.
Capillaire reometrie: Een superieure aanpak
Om de beperkingen van MFI te overwinnen, is capillaire reometrie een meer geavanceerde en uitgebreide methode om het vloeigedrag van polymeren te beoordelen. Met een Rosand capillaire reometer kan bijvoorbeeld de afschuifviscositeit gemeten worden over een breed bereik van afschuifsnelheden en temperaturen, waardoor een gedetailleerd beeld ontstaat van hoe het materiaal zich gedraagt onder omstandigheden die industriële verwerkingsomgevingen dicht benaderen.
Voordelen van capillaire reometrie
- Uitgebreide analyse van afschuifsnelheden: In tegenstelling tot MFI, dat beperkt is tot een lage afschuifsnelheid, meet capillaire reometrie de viscositeit over een breed bereik van afschuifsnelheden, van laag tot zeer hoog. Dit bereik is essentieel om te begrijpen hoe een polymeer zal presteren onder verschillende verwerkingsomstandigheden, zoals tijdens het snelle vloeien door spuitgietpoorten of het gestage vloeien in een extrusieproces. Vaak vertoont een materiaal met dezelfde MFI (nieuw vs. recyclaat, gevuld vs. ongevuld, huidig materiaal vs. goedkopere vervanger) zeer verschillend vormvullend gedrag door de verschillen in SchuifverdunningHet meest voorkomende type niet-Newtons gedrag is afschuifverdunning of pseudoplastische stroming, waarbij de vloeistofviscositeit afneemt bij toenemende afschuiving.afschuifverdunning.
- Realistische replicatie van industriële omstandigheden: Capillaire reometrie kan de hoge afschuifsnelheden en spanningsomstandigheden en temperatuurveranderingen simuleren die voorkomen in werkelijke productieprocessen, waardoor een nauwkeurigere voorspelling kan worden gedaan van hoe het materiaal zich zal gedragen tijdens de verwerking. Daarom zijn deze metingen een vereiste voor matrijsvulsimulaties.
- Gedetailleerde karakterisering van afschuiving en rek: Capillaire reometrie kan ook inzicht geven in de rekeigenschappen van polymeren, die relevant zijn voor processen zoals extrusie en spinnen. Deze details zijn cruciaal voor het optimaliseren van de verwerkingscondities en het garanderen van een consistente productkwaliteit.
Casestudie: Polypropyleen bij verschillende temperaturen
In onze studie analyseerden we de afschuifviscositeit van een polypropyleen (PP) materiaal met een MFI van 8 g/10 min met een Rosand RH2000 Capillaire Reometer bij drie verschillende smelttemperaturen, 190°C, 210°C en 230°C. De resultaten werden vervolgens vergeleken met de berekende waarden van de afschuifviscositeit uit MFI-gegevens gemeten bij 230°C onder een belasting van 2,16 kg.
Laten we eerst de viscositeitswaarde uit de MFI-test berekenen. Met Eq. 1 en 2 werd de werkelijke afschuifsnelheid tijdens de MFI-test berekend op 23,5 s-1. De druk pL kan berekend worden uit de zwaartekrachtversnelling (g = 9,81 m/s²) en het gewicht van 2,16 kg dat gebruikt is tijdens de MFI-test op PP en is 0,3 MPa. De schuifspanning in de spuitmond kan als volgt worden berekend:
met
pL is de druk in de straalpijp,
p0 is de atmosferische druk,
R is de straal van de straalpijp (1,0475 mm),
L is de lengte van de straalpijp (8 mm).
De schijnbare afschuifviscositeit wordt gegeven als:
Gebruikmakend van de werkelijke afschuifsnelheid van 23,5 s-1 en de afschuifspanning berekend met Eq. 3, is de berekende viscositeit van de MFI-test:
Deze viscositeitswaarde kan nu worden vergeleken met de viscositeitswaarde bij dezelfde afschuifsnelheid en afschuifspanning in de capillaire metingen; deze is 0,76 kPas, wat relatief goed overeenkomt.
De capillaire metingen werden uitgevoerd op een Rosand RH2000. De meetomstandigheden zijn samengevat in tabel 1.
Tabel 1: Meetomstandigheden voor de Rosand RH2000 capillaire reometer
| Systeem | RH 2000 (systeem met dubbele boring) |
|---|---|
| Schuifsnelheid | 10 s-1 tot 1000 s-1 |
| Capillaire matrijs | Ø 1,0 mm, lengte 16 mm, invoerhoek 180° |
| Spleetmatrijs | Ø 1,0 mm, lengte 0,25 mm, ingangshoek 180° |
| Drukopnemer links | 1000 Psi (6,87 MPa) |
| Drukomvormer rechts | 250 psi (1,74 MPa) |
| Atmosfeer | Omgeving |
| Temperatuur | 230°C, 210°C, 190°C |
De capillaire metingen onthulden significante verschillen in het gedrag van het materiaal bij de geteste afschuifsnelheden; zie figuur 1. Het is te zien dat dit PP in het hele verkregen schuifsnelheidsbereik significant afschuifverdunningsgedrag vertoont en dat de schuifspanning zoals verwacht toeneemt. De berekende viscositeit uit de MFI-test is getekend als een blauwe stip om de goede overeenkomst aan te tonen. Het vertegenwoordigt slechts één puntwaarde op de grafiek.
Naast de meting over een breed afschuifbereik kunnen de capillaire metingen worden uitgevoerd bij verschillende temperaturen om de temperatuurafhankelijkheid van het materiaal te begrijpen. Dit is noodzakelijk voor het gebruik van de gegevens in processimulaties. Figuur 2 toont de resulterende stroomcurven bij de drie gemeten temperaturen.
Voor gevorderde lezers
Bij de berekening van de eenpuntsviscositeitswaarde uit MFI-metingen zijn veel vereenvoudigingen gemaakt. De temperatuurafhankelijkheid van de DichtheidDe massadichtheid wordt gedefinieerd als de verhouding tussen massa en volume. dichtheid werd bijvoorbeeld niet gebruikt om de berekening van de volumestroom voor 230°C uit MFI-metingen met behulp van formule 1 aan te passen. Nauwkeuriger zou het volgende zijn:
waarbij
met
ρT0 de DichtheidDe massadichtheid wordt gedefinieerd als de verhouding tussen massa en volume. dichtheid bij kamertemperatuur is (0,9 g/cm³ voor PP)
Lineaire thermische uitzettingscoëfficiënt (CLTE/CTE)De lineaire thermische uitzettingscoëfficiënt (CLTE) beschrijft de lengteverandering van een materiaal als functie van de temperatuur.CLTE de lineaire thermische uitzettingscoëfficiënt is (69*10-6 K-1 voor PP)
T de meettemperatuur van de MFI-test is (hier 230°C)
T0 de kamertemperatuur is
Als we hiermee rekening houden, is de werkelijke afschuifsnelheid 18,5 s-1 in plaats van 23,5 s-1. Aangezien deze afschuifsnelheden zich al in het afschuifverdunningsregime bevinden, heeft dit een effect op de viscositeitswaarde. Dit en meer kan worden bestudeerd in Osswald, Rudolph, Polymer Rheology - Fundamentals and Applications, Hanser Publishers, München, 2015.