ИСПЫТАНИЕ ИНДЕКСА ТЕКУЧЕСТИ РАСПЛАВА - ЧАСТЬ 1

Несмотря на частую критику, измерение Индекса текучести расплава MFR остается одним из лучших способов оценить среднее значение относительной молекулярной массы полимера. Поскольку молекулярная масса MW является важным показателем, влияющим на качество полимерных материалов, измерение этого показателя стало широко распространенной практикой в производстве полимеров.

Индекс текучести расплава долгое время считался второстепенным показателем при проведении испытаний полимерных материалов. Технологи недооценивали его важности, не обращая на него особого внимания. Преподаватели, готовящие технологов полимерной промышленности, убеждали себя и своих учеников в том, что индекс текучести расплава представляет собой одиночную точку на кривой, характеризующей вязкость как функцию от скорости сдвига. Поскольку свойства расплава пластиков соответствуют неньютоновской жидкости, их вязкость зависит от скорости сдвига.

При измерении индекса текучести расплава расплавленный материал двигается с постоянной текучестью, что позволяет получить единственное значение скорости сдвига, но не обеспечивает оценку всего спектра свойств материала как функции от изменения скорости сдвига. Кроме того, скорость сдвига даже не контролируется. При приложении к материалу нагрузки либо сдвигового напряжения, постоянных в течении всего испытания, скорость сдвига становится выходным параметром испытания. Сам по себе индекс текучести расплава отражает скорость сдвига, достигнутую в ходе проведения испытания, но является результатом проведения испытания, а не контролируемым заданным параметром.

В академических кругах не нравится сама единица измерения. Как получить из величины, измеряемой в "граммах/10 минут" что-то значимое и понятное в рамках фундаментальных свойств полимерных материалов? Я интенсивно писал научные работы, касающиеся соответствия между индексом текучести расплава и средней молекулярной массой. В ответ я получал разгневанные письма от профессоров отраслевых университетов, указывающих на отсутствие логики в попытке перевести "граммы/10 минут" в молярную массу, измеряемую в граммах/моль. Это важный вопрос, на который вы получите ответ в этом цикле статей.

Откровенно говоря, измерение индекса текучести расплава является не самым подходящим инструментом для оценки технологичности материала. Более детально мы коснемся этого вопроса в одной из следующих статей. Но индекс текучести расплава никогда и не претендовал на меру оценки технологичности. Этот миф создали сами специалисты полимерной промышленности. И само представление о том, что индексатор текучести расплава представляет собой капиллярный реометр, подходящий "для нищих", в корне не верно. Кроме того, зависимость индекса текучести расплава к средней молекулярной массе относительно постоянна. Однако существует множество  факторов, которые могут повлиять на эту зависимость и затруднить интерпретацию результатов измерения.

К примеру, добавление компаундирующих материалов, таких как стекловолокно, модификаторы ударной прочности и различные добавки могут изменить индекс текучести расплава, нисколько не повлияв на среднюю молекулярную массу полимера. Но если эти испытания настолько бесполезны, почему индекс текучести расплава включен практически во все листы технических данных на материалы (Material Data Sheets) Кроме того, зачастую индекс текучести расплава является основной характеристикой, отличающих материалы одного сорта от другого в рамках выбранного семейства полимеров. Для таких материалов как поликарбонат, ацеталь и полистирен, индекс текучести расплава порой является единственным параметром листов технических данных на материалы, значительно отличающимся для разных сортов материалов в конкретном коммерческом предложении. Причина проста. Учитывая, что остальные параметры поддерживаются на постоянном уровне, измерение Индекса текучести расплава MFR остается одним из лучших способов оценить среднее значение относительной молекулярной массы полимера. Поскольку молекулярная масса MW является важным показателем, влияющим на качество полимерных материалов, измерение этого показателя стало широко распространенной практикой в производстве полимеров.

Индекс текучести обратно пропорционален вязкости расплава. Материалы с высокой вязкостью больше сопротивляются текучести, потому их текучесть при прочих равных условиях ниже чем у материалов с низкой вязкостью.

Специалисты, занимающиеся инжекционным литьем, предпочитают работать с материалами второго типа, такой материал быстрее заполняет требуемые полости в пресс-форме и относится к материалам с высокой текучестью. Технологи, работающие с экструдерами и машинами для литья с раздувом предпочитают материалы с повышенной молекулярной массой, поскольку они обеспечивают большую прочность расплава, что положительно сказывается на равномерности заполнения матриц сложной формы не учитывая влияния продольной усадки экструдируемого потока. Потребители предпочитают изделия из полимеров с большей молекулярной массой (порой сами того не зная), поскольку большая молекулярная масса обеспечивает лучший внешний вид изделий. Стойкость к ударам. усталостные характеристики, стойкость к разрушению под влиянием светопогодных воздействий и барьерные свойства улучшаются с ростом молекулярной массы.

В первый раз я оценил важность молекулярной массы как критерия выбора материала более 30 лет назад при литье изделий из пластика. Мы производили корпуса дорожных светофоров из поликарбоната для инжекционного литья с высокой молекулярной массой. Номинальный индекс текучести расплава материала составлял  5 грамм/10 минут. Геометрия изделий в сочетании с изношенностью машин для литья значительно усложняли производство. Поскольку качество изделия было критически важным показателем, чтобы убедиться в правильности хода технологического процесса, мы проводили испытания методом определения ударной прочности при помощи свободно падающего груза каждый час. По завершении производства мы повторили испытания ударной прочности для 20 случайно выбранных изделий. Как правило, все 20 из 20 изделий успешно проходили испытания.

Однажды, мы решили оценить, как повлияет на качество готовой продукции использование полимеров с меньшей молекулярной массой. При этом, мы руководствовались следующими соображениями: Если мы сможем использовать для производства материал с большей текучестью, мы сможем снизить температуру расплава материала и давления при инжекции и упаковке. Это снизит разрушающие воздействия на материал и улучшат ударную прочность детали, либо , как минимум, компенсируют снижение ударной прочности, вызванное использованием материала с меньшей молекулярной массой.

Отобрав материал с номинальным индексом текучести расплава 10 грамм/10 минут, мы обнаружили, что действительно можем снизить температуру плавления материала на 22°C, а давление на первой стадии формования на 10%. Однако, испытание ударной прочности 20 деталей, изготовленных из этого материала, дало плачевные результаты: только 4 образца перенесли испытание. И это произошло не смотря на то, что значения ударной прочности образцов, измеренное по методу Изода, приведенные в листах технических данных на материалы, были одинаковы для обоих сортов материала. Такое несоответствие между фактическими характеристиками и характеристиками, ожидаемыми на основании листов технических данных на материалы, в полимерном производстве встречаются сплошь и рядом. Мы рассмотрим причины этого явления в следующих статьях.

В следующей статье мы опишем процедуру проведения испытания индекса текучести расплава и обсудим некоторые сильные и слабые стороны этого испытания. Мы также выясним причину, по которой многие поставщики материалов используют свойства материалов не только для заполнения листов технических данных на материалы, но и в качестве ключевого параметра для сертификации качества партий продукции.

ОБ АВТОРЕ: 

Майкл Сепе (Michael Sepe) - независимый консультант по материалам и технологическим процессам из Седона (шт. Аризона, США). Его клиентами являются многие компании из Северной Америки, Европы и Азии. Его 35-летний опыт в полимерной промышленности позволяет помочь клиентам с выбором материалов, разработки проектирования с учетом технологичности, оптимизацией процессов, устранением неполадок и анализом причин.