Giriş
Polimer endüstrisinde, Eriyik Akış İndeksi (MFI) ve Eriyik Hacim Oranı (MVR) termoplastiklerin akış özelliklerini değerlendirmek için kullanılan temel ölçütlerdir. MFI (veya Eriyik Akış Hızı için MFR) belirli koşullar altında bir kalıptan akan polimer kütlesini ölçer, tipik olarak 10 dakikada gram olarak ifade edilirken MVR aynı koşullar altında akan polimer hacmini ölçer, 10 dakikada santimetre küp olarak ifade edilir. Bu ölçümler ISO 1133 ve ASTM D-1238 kapsamında standartlaştırılmıştır ve genellikle kalite kontrol, malzeme seçimi ve farklı tedarikçilerin reçinelerini karşılaştırmak için kullanılır. MFI ve MVR, partiler arasındaki veya işleme sırasında bir partideki değişiklikleri izlemek için kalite kontrolde standart ölçümlerdir. MFI, MVR'den daha yaygın olarak kullanılır ve bu malzemelerin akış özelliklerini değerlendirmek için hızlı bir yöntem sağlayarak geri dönüştürülmüş malzemeleri değerlendirmek ve karşılaştırmak için sıklıkla kullanılır. Ancak bu metrikler, endüstriyel işlemede tipik olan yüksek kesme hızları altında polimerlerin davranışını doğru bir şekilde temsil etmediğinden bu kullanım yanıltıcı olabilir. Bu tutarsızlık, termoplastik eriyiğin akış ve katılaşma özelliklerinin çok önemli olduğu enjeksiyon kalıplama gibi işlemlerde özellikle kritiktir. Termoplastik bir eriyiğin akışı, kesme hızına bağlı olan dinamik viskozitesi ile tanımlanır. Kayma hızı arttıkça eriyiğin viskozitesi düşer, yani daha hızlı hareket ettikçe daha kolay akar. Bu özellik bir kapiler reometrede belirlenir. Bu uygulama notu, bu sınırlamaları incelemekte ve kapiler reometri ile elde edilen kayma viskozitesi ölçümlerinin neden polimer işlenebilirliğinin daha kapsamlı bir şekilde anlaşılmasını sağladığını açıklamaktadır. Polipropileni (PP) bir vaka çalışması olarak kullanarak, MFI'den türetilen viskoziteyi bir dizi kesme hızı ve sıcaklıkta ölçülen kesme viskozitesi ile karşılaştırıyoruz.
MFI ve MVR'yi Anlamak
MFI ve MVR birbiriyle yakından ilişkili ölçütlerdir ve aralarındaki dönüşüm test sıcaklığındaki polimer eriyiğinin yoğunluğuna bağlıdır. İlişki şu şekilde verilir:

ile
MVR, Eriyik Hacim Oranıdır (cm³/10dk)
MFI, Eriyik Akış İndeksidir (g/10dk)
р, polimer eriyiğinin yoğunluğudur (g/cm³).
Bu dönüşüm, YoğunlukKütle yoğunluğu, kütle ve hacim arasındaki oran olarak tanımlanır. yoğunluk bilindiğinde MFI ve MVR'nin birbirinin yerine kullanılmasına olanak tanıyarak farklı yoğunluklara sahip malzemeler arasında karşılaştırma yapılmasını sağlar. Bu özellikle kontaminasyon, bozunma veya farklı polimer sınıflarının karıştırılması nedeniyle yoğunlukları değişebilen geri dönüşüm malzemelerinin değerlendirilmesinde faydalıdır. Bununla birlikte, MFI bu karşılaştırmalar için uygun olsa da, bir polimerin akış özelliklerinin yalnızca sınırlı bir görünümünü sağlar. İki metrikten her biri akış eğrisi üzerinde yalnızca tek bir veri noktası gösterir ve endüstriyel işlemede tipik olan yüksek kesme hızlarını ve karmaşık akış ortamlarını taklit etmeyen belirli koşullar altında elde edilir. Bu sınırlama özellikle geri dönüştürülmüş malzemelerin karşılaştırılmasında kritik önem taşır, çünkü bu malzemeler tek başına MFI tarafından yakalanamayan davranışlarda önemli farklılıklar sergileyebilir.
MFI/MVR'nin Gerçek Dünya Uygulamalarındaki Sınırlamaları
MFI, polimerlerin temel akış özelliklerini değerlendirmek için basit ve hızlı bir yöntem sunduğu için yaygın olarak kullanılmaktadır. Ancak, basitliği yanıltıcı olabilir. MFI, bir polimer eriyiğinin akış hızını düşük bir kayma hızında ölçer. Duvardaki gerçek kayma hızı γw, MVR'den ve nozülün karakteristik boyutlarından hesaplanabilir.

PP'nin MVR'sini 13 cm³/10 dk ve MFI nozülünün çapını 2,095 mm (r = 1,0475 mm) olarak alırsak, 23,5 s-1'lik bir kesme hızı elde ederiz. Tipik bir MVR aralığının 5 ila 25 arasında olduğu varsayıldığında, kesme hızı da 7 ila 36 s-1 arasında değişir - bunların tümü, kesme hızlarının 1000 s-1'i aşabildiği enjeksiyon kalıplama, ekstrüzyon ve kaplama gibi endüstriyel işlemlerde karşılaşılanın çok altındadır. Sonuç olarak MFI, malzemenin bu daha zorlu koşullar altında nasıl davrandığına dair sınırlı ve tek noktadan bir bakış açısı sağlar.
MFI'nin sınırlamaları özellikle geri dönüştürülmüş polimerleri karşılaştırmak için kullanıldığında ortaya çıkmaktadır. Geri dönüştürülmüş polimerler genellikle farklı moleküler ağırlıklara, kontaminasyon seviyelerine ve bozulma derecelerine sahiptir ve bunların hepsi akış davranışlarını etkiler. MFI yalnızca tek bir düşük kesme hızında akış davranışını yakaladığından, bu malzemelerin işleme sırasında nasıl performans göstereceğini doğru bir şekilde yansıtmayabilir. Örneğin, benzer MFI değerlerine sahip iki geri dönüşüm malzemesi çok farklı kayma incelmesi davranışı sergileyebilir ve bu da eksik dolum, yüzey kusurları veya malzeme bozulması gibi işleme zorluklarına yol açabilir.
Kapiler Reometri: Üstün Bir Yaklaşım
MFI'nin sınırlamalarının üstesinden gelmek için kapiler reometri, polimer akış davranışını değerlendirmek için daha gelişmiş ve kapsamlı bir yöntem olarak hizmet eder. Örneğin bir Rosand kapiler reometre, geniş bir kesme hızı ve sıcaklık aralığında kesme viskozitesinin ölçülmesine olanak tanıyarak malzemenin endüstriyel işleme ortamlarını yakından taklit eden koşullar altında nasıl davrandığına dair ayrıntılı bir resim sunar.
Kapiler Reometrinin Avantajları
- Kapsamlı Kayma Hızı Analizi: Düşük bir kayma hızıyla sınırlı olan MFI'nin aksine, kapiler reometri viskoziteyi düşükten çok yükseğe kadar geniş bir kayma hızı aralığında ölçer. Bu aralık, bir polimerin enjeksiyon kalıplama kapılarından hızlı akış veya bir ekstrüzyon işlemindeki sabit akış gibi farklı işleme koşulları altında nasıl performans göstereceğini anlamak için gereklidir. Çoğu zaman, aynı MFI'ye sahip bir malzeme (işlenmemiş ve geri dönüştürülmüş, doldurulmuş ve doldurulmamış, mevcut malzeme ve daha ucuz ikame), kesme incelmesindeki farklılıklar nedeniyle çok farklı kalıp doldurma davranışı sergiler.
- Endüstriyel Koşulların Gerçekçi Bir Şekilde Tekrarlanması: Kapiler reometri, gerçek üretim süreçlerinde karşılaşılan yüksek kesme hızları ve gerilim koşullarının yanı sıra sıcaklık değişikliklerini simüle edebilir ve malzemenin işleme sırasında nasıl davranacağına dair daha doğru bir tahmin sunar. Bu nedenle bu ölçümler kalıp doldurma simülasyonları için bir gerekliliktir.
- Ayrıntılı Kesme ve Uzama Karakterizasyonu: Kapiler reometri, ekstrüzyon ve eğirme gibi proseslerle ilgili olan polimerlerin uzama özellikleri hakkında da bilgi sağlayabilir. Bu ayrıntılar, işleme koşullarını optimize etmek ve tutarlı ürün kalitesi sağlamak için çok önemlidir.
Örnek Olay İncelemesi: Değişken Sıcaklıklarda Polipropilen
Çalışmamızda, MFI değeri 8 g/10 dk olan bir polipropilen (PP) malzemenin kayma viskozitesini 190°C, 210°C ve 230°C olmak üzere üç farklı Erime Sıcaklıkları ve EntalpileriGizli ısı olarak da bilinen bir maddenin füzyon entalpisi, bir maddeyi katı halden sıvı hale dönüştürmek için gerekli olan enerji girdisinin, tipik olarak ısının bir ölçüsüdür. Bir maddenin erime noktası, katı (kristal) halden sıvı (izotropik eriyik) hale geçtiği sıcaklıktır. erime sıcaklığında Rosand RH2000 Kapiler Reometre kullanarak analiz ettik. Sonuçlar daha sonra 2,16 kg yük altında 230°C'de ölçülen MFI verilerinden hesaplanan kayma viskozitesi değerleriyle karşılaştırılmıştır.
İlk olarak MFI testinden viskozite değerini hesaplayalım. Eşitlik 1 ve 2 kullanılarak, MFI testi sırasındaki gerçek kayma hızı 23,5 s-1 olarak hesaplanmıştır. Basınç pL, yerçekimi ivmesinden (g = 9,81 m/s²) ve PP üzerinde MFI testi sırasında kullanılan 2,16 kg ağırlıktan 0,3 MPa olarak hesaplanabilir. Nozüldeki kayma gerilmesi şu şekilde hesaplanabilir:

ile
pL nozul içindeki basınç,
p0 atmosferik basınç,
R nozul yarıçapı (1,0475 mm),
L nozul uzunluğudur (8 mm).
Görünür kayma viskozitesi şu şekilde verilir:

Gerçek kayma hızı olan 23,5 s-1 ve Eşitlik 3 ile hesaplanan kayma gerilimi kullanılarak MFI testinden hesaplanan viskozite:

Bu viskozite değeri şimdi kapiler ölçümlerdeki aynı kayma hızı ve kayma gerilimindeki viskozite değeriyle karşılaştırılabilir; bu 0,76 kPas'tır ve nispeten yakın bir eşleşmedir.
Kapiler ölçümler bir Rosand RH2000 üzerinde gerçekleştirilmiştir. Ölçüm koşulları tablo 1'de özetlenmiştir.
Tablo 1: Rosand RH2000 kapiler reometre için ölçüm koşulları
Sistem | RH 2000 (Çift Delikli Sistem) |
---|---|
Kayma oranı | 10 s-1 ila 1000 s-1 |
Kapiler kalıp | Ø 1,0 mm, 16 mm uzunluk, 180° giriş açısı |
Orifis kalıbı | Ø 1,0 mm, 0,25 mm uzunluk, 180° giriş açısı |
Basınç dönüştürücü sol | 1000 Psi (6,87 MPa) |
Basınç dönüştürücü sağ | 250 Psi (1,74 MPa) |
Atmosfer | Çevreleyen |
Sıcaklık | 230°C, 210°C, 190°C |
Kılcal ölçümler, test edilen kayma hızları boyunca malzemenin davranışında önemli farklılıklar olduğunu ortaya koymuştur; bkz. şekil 1. Elde edilen tüm kayma hızı aralığında, bu PP'nin önemli kayma incelmesi davranışı gösterdiği ve kayma gerilmesinin beklendiği gibi arttığı görülebilir. MFI testinden hesaplanan viskozite, iyi uyumu göstermek için mavi bir nokta olarak çizilmiştir. Grafik üzerinde sadece tek bir nokta değerini temsil etmektedir.

Geniş bir kayma hızı aralığında ölçüme ek olarak, kılcal ölçümler malzemenin sıcaklığa bağımlılığını anlamak için çeşitli sıcaklıklarda gerçekleştirilebilir. Bu, verilerin işleme simülasyonlarında kullanılması için bir gerekliliktir. Şekil 2, ölçülen üç sıcaklıkta elde edilen akış eğrilerini göstermektedir.

İleri Düzey Okuyucular İçin
MFI ölçümlerinden tek nokta viskozite değerinin hesaplanmasında çok sayıda basitleştirme yapılmıştır. Örneğin, Eşitlik 1 kullanılarak MFI ölçümlerinden 230°C için hacimsel akış hızının hesaplanmasını ayarlamak için yoğunluğun sıcaklığa bağımlılığı kullanılmamıştır. Aşağıdakiler daha doğru olacaktır:

nerede

ile
ρT0 oda sıcaklığındaki yoğunluktur (PP için 0,9 g/cm³)
Doğrusal Termal Genleşme Katsayısı (CLTE/CTE)Doğrusal termal genleşme katsayısı (CLTE), sıcaklığın bir fonksiyonu olarak bir malzemenin uzunluk değişimini tanımlar.CLTE Doğrusal Termal Genleşme Katsayısı (CLTE/CTE)Doğrusal termal genleşme katsayısı (CLTE), sıcaklığın bir fonksiyonu olarak bir malzemenin uzunluk değişimini tanımlar.doğrusal termal genleşme katsayısıdır (PP için 69*10-6 K-1 )
T MFI testinin ölçüm sıcaklığıdır (burada 230°C)
T0 oda sıcaklığıdır
Bu hesaba katıldığında, gerçek kayma hızı 23,5 s-1 yerine 18,5 s-1 olmaktadır. Bu kayma hızlarının zaten kayma incelmesi rejiminde olduğu göz önüne alındığında, bunun viskozite değeri üzerinde bir etkisi vardır. Bu ve daha fazlası Osswald, Rudolph, Polymer Rheology - Fundamentals and Applications, Hanser Publishers, Munich, 2015'de incelenebilir.