Wprowadzenie
Wskaźnik płynięcia (MFI, oznaczany również jako MFR, melt flow rate) to popularna metoda pomiaru płynności polimerów termoplastycznych w określonych warunkach. Określa on ilość stopionego polimeru przepływającego przez standardową matrycę w ciągu 10 minut w określonej temperaturze i przy określonym obciążeniu. Test wskaźnika płynięcia, MI, dostarcza informacji o zachowaniu przepływu materiałów polimerowych dla szybkości ścinania, które mogą nie być istotne dla przetwarzania (patrz nasza nota aplikacyjna 329 [1]). Krzywa przepływu w szerokim zakresie szybkości ścinania uzyskana za pomocą reometru kapilarnego Rosand zapewnia teoretyczne wsparcie dla niekorzystnego zachowania materiałów polimerowych podczas przetwarzania, wraz ze wskazówkami dotyczącymi kontroli jakości materiałów polimerowych i regulacji przetwarzania.
Wyobraźmy sobie następujący scenariusz:
Klient: Mam kilka partii materiałów polimerowych, a wszystkie wskaźniki w fabrycznej kontroli jakości są spójne. Krzywa płynięcia jest taka sama, więc płynność powinna być spójna. Jednak informacje zwrotne od klientów wskazują, że występują problemy podczas przetwarzania. Niektóre partie polimeru mogą być normalnie formowane z rozdmuchiwaniem, podczas gdy inne wykazywały poważne pęknięcia podczas rozdmuchiwania w tych samych warunkach (temperatura, ciśnienie, natężenie przepływu powietrza itp.), powodując poważną nieefektywność i straty.
Wynika to z procesu formowania z rozdmuchiwaniem. Proces formowania z rozdmuchiwaniem składa się z trzech podstawowych etapów, jak pokazano na rysunku 1:
- Tworzenie formy: Surowiec jest przetwarzany na formowany parison (wtrysk lub wytłaczanie), a następnie parison jest umieszczany w formie do formowania z rozdmuchiwaniem.
- Formowanie z rozdmuchiwaniem: Sprężone powietrze jest wtryskiwane do parisona, aby mocno docisnąć go do ścianki formy.
- Chłodzenie produktu: Ciśnienie nadmuchu jest utrzymywane do momentu schłodzenia i zastygnięcia produktu.
Podczas drugiego etapu formowania z rozdmuchiwaniem, materiał wykazuje właściwości płynięcia przy rozciąganiu, a nie ścinaniu, więc krzywa płynięcia lepkości przy ścinaniu nie może być wykorzystana do pełnej oceny zachowania podczas formowania z rozdmuchiwaniem. W tym przypadku potrzebna jest lepkość rozciągania.
Warunki pomiaru - model Cogswella
Za pomocą naszego reometru kapilarnego Rosand możemy jednocześnie uzyskać lepkość przy ścinaniu i lepkość przy rozciąganiu. Gdy stopiony polimer wchodzi do długiej matrycy, jest poddawany zarówno siłom ścinającym, jak i rozciągającym, ale gdy stopiony polimer wchodzi do matrycy zerowej, jest poddawany tylko sile rozciągającej, jak pokazano na rysunku 2. W takim przypadku możemy obliczyć lepkość rozciągania zarówno z długiej matrycy, jak i matrycy zerowej zgodnie ze zbieżnym modelem przepływu Cogswella, który może być wykorzystany do oceny zachowania rozciągania podczas przetwarzania - w tym podczas formowania z rozdmuchiwaniem, przędzenia i dwuosiowego formowania folii rozciągającej.
Model Cogswella jest następujący:
Próbka granulatu ABS (rysunek 3) została zbadana w warunkach pomiarowych wyszczególnionych w tabeli 1.
Tabela 1: Warunki pomiaru
| Przyrząd | Dwururowy reometr kapilarny Rosand |
| Próbka | ABS (główny składnik, zmodyfikowane składniki nieznane) |
| Temperatura | 210°C |
| Czujnik ciśnienia | 1000 psi (lewy); 5000 psi (prawy) |
| Matryca | 1:16 (lewa); 1:0,25 (prawa) |
| Tryb testu | Test stałej szybkości ścinania, podwójny otwór (użyj matrycy zerowej, aby uzyskać lepkość przedłużenia) |
Wyniki pomiarów
Za pomocą reometru kapilarnego z podwójnym rdzeniem NETZSCH Rosand można jednocześnie uzyskać lepkość przy ścinaniu i lepkość przy rozciąganiu. Rysunek 4 przedstawia wyniki wspólnej krzywej przepływu lepkości ścinania dla dwóch różnych partii próbki ABS w temperaturze 210°C. Krzywe lepkości przy ścinaniu są prawie identyczne; wartość lepkości przy określonej szybkości ścinania jest spójna, podobnie jak stopień rozrzedzenia przy ścinaniu. Jednak obie partie wykazały różne możliwości formowania z rozdmuchiwaniem. Partia nr 1 była podatna na pękanie podczas rozdmuchiwania w tych samych warunkach przetwarzania. Na krzywej przepływu lepkości ścinania te dwie próbki nie wykazały żadnej różnicy. Wynika to z faktu, że formowanie z rozdmuchiwaniem jest formą przetwarzania, która wiąże się z większym rozciąganiem. Tak więc wspólna krzywa przepływu lepkości ścinania nie była wystarczająca do pełnej oceny tej technologii przetwarzania.
Rysunek 5 przedstawia wyniki krzywej przepływu lepkości przy rozciąganiu dla dwóch partii próbki ABS w temperaturze 210°C. Chociaż lepkość przy ścinaniu jest całkowicie taka sama, lepkość przy rozciąganiu wykazała dużą różnicę. Próbka nr 1 wykazała wyższą ogólną lepkość przy rozciąganiu niż nr 2 i dlatego nr 1 była podatna na uszkodzenia podczas formowania z rozdmuchiwaniem. Wyższa lepkość rozciągania sprawia, że materiał jest trudniejszy do odkształcenia w tych samych warunkach, co oznacza, że materiał jest bardziej elastyczny, a współczynnik wydłużenia jest gorszy. Tak więc, podczas procesu formowania z rozdmuchiwaniem, niski współczynnik wydłużenia sprawia, że materiał łatwo się rozpada. Na różnicę między lepkościami wydłużenia mogą wpływać różne zachowania rozgałęziania i krystalizacji (jednorodność nieorganicznych wypełniaczy, które mogą wpływać na szybkość zarodkowania polimerów w określonej temperaturze itp.
Wnioski
Krzywa przepływu lepkości ścinania czasami nie może w pełni odzwierciedlać zachowania przepływu materiałów polimerowych podczas niektórych procesów przetwarzania, jeśli wspomniane przetwarzanie obejmuje rozciąganie, takie jak formowanie z rozdmuchiwaniem, przędzenie lub dwuosiowe rozciąganie folii. Reometr kapilarny z podwójnym rdzeniem NETZSCH Rosand może zapewnić krzywe przepływu lepkości ścinania i rozciągania jednocześnie w jednym teście, a lepkość rozciągania może pomóc w ocenie zachowania rozciągania podczas tych procesów, zapewniając w ten sposób wskazówki dotyczące kontroli jakości materiału polimerowego i dostosowania przetwarzania.