Ing. Lubom�r Zeman: Melt flow index and its use in thermoplastic injection moulding technology - theory and practice part 3

Definice ITT a z ní vyplývající mo�nosti pou�ití a omezení

Index toku taveniny je definován tak, jak se m��í - jako hmotnost nebo objem hodnoceného materiálu, který prote�e tryskou definovaného tvaru a rozm�r� za dobu 10 minut, p�i daném zatí�ení a teplot� vztahující se k hodnocenému granulátu. Proto�e parametry zkoušky jsou jednozna�n� ur�eny – teplota, zatí�ení, pr�m�r a délka trysky, je ur�eno i smykové nap�tí. Tavný index je tedy pouze jedním bodem na viskozitní k�ivce, zjišt�ným pro smykovou rychlost, která je podstatn� ni�ší ne� je nejni�ší smyková rychlost p�i reálném vst�ikování.  

Otázka – je mo�no z hodnot ITT vypo�ítat smykové nap�tí a smykovou rychlost, nebo-li viskozitu, která je pom�rem uvedených hodnot. Jak dále uvedu index toku taveniny se stanoví z m��ení na výtla�ném kapilárním plastometru a z jeho hodnoty, zatí�ení pou�ité p�i zkoušce, teploty zkoušky a za p�edpokladu nulové rychlosti a newtonského chování p�i toku je mo�no vypo�ítat smykové nap�tí i smykovou rychlost – obrázek �íslo 10. Pro p�edstavu – ITT se m��í za velmi malých smykových rychlostech, technologie lisování a vytla�ování probíhají p�i smykových rychlostech cca 10 s^-1 a� 100 s^-1 a vst�ikování termoplast� m��e probíhat v rozmezí smykových rychlostí cca 1 000 s^-1 a� cca 100 000 s^-1 

Obr. �. 10 : Výpo�et smykové rychlosti p�i m��ení ITT a porovnání smykové rychlosti p�i m��ení ITT ( MFI ) a smykové rychlosti p�i vst�ikování

Z uvedeného vyplývá, �e ITT se nehodí pro popis chování polymerních tavenin, ale je to technologická zkouška, u které si uv�domujeme, �e prob�hla za podstatn� ni�ších smykových rychlostí ne� jsou v reálném vst�ikovacím procesu p�i pln�ní tvarových dutin forem polymerní taveninou (obrázek �íslo 10), vhodná, nap�íklad pro:

- porovnávání materiál� z pohledu jejich tekutosti mezi s sebou – �ím je hodnota ITT vyšší, tím je tekutost taveniny v�tší, tavenina lépe zatéká do tvarových prvk� tvarové dutiny formy, lépe kopíruje desény, lépe zatéká do st�n o malých tlouš�kách nebo je mo�no pracovat s ni�šími hodnotami teploty taveniny, formy nebo ni�ším vst�ikovacím tlakem nebo ni�ší vst�ikovací rychlostí

- hodnocení kvality dodané šar�e granulátu - pokud index toku taveniny udaný výrobcem na kontrolním certifikátu šar�e neodpovídá zm��ené hodnot� tj. liší se jeho tekutost od deklarované tekutosti, nebudou ani mechanické vlastnosti dodaného materiálu odpovídat po�adavk�m, proto�e stejn� jako tekutost, jsou závislé na velikosti makromolekul

- porovnání vlivu aditiv na tekutost - nízkomolekulární látky, nap�íklad barevné koncentráty tekutost materiál� zvyšují, vláknitá plniva - skelná vlákna, anorganický p�vod - tekutost výrazn� sni�ují

- hodnocení kvality výrobního procesu – zm�na – zvýšení - indexu taveniny zjišt�ná z rozdrcených výst�ik� - recyklátu, oproti v certifikátu uvedené hodnot� nebo hodnot� zm��ené na originálním materiálu, ukazuje na tepelnou degradaci materiálu zp�sobenou nevhodnými parametry vst�ikování - vysoká teplota taveniny, dlouhá výdr� materiálu na teplot� v plastika�ní komo�e, vysoké smykové namáhání p�i plastikaci atp.

- pro návrh vtokového systému vst�ikovacích forem, p�edevším velikosti ústí vtoku a dimenzování rozvodných kanál� vst�ikovacích forem

- pro návrh tvarového �ešení výst�iku

Metoda stanovení indexu toku taveniny termoplastu m��e být v technické praxi pou�ívána pro hodnocení stejnom�rné kvality vstupního materiálu, k porovnávání tokového chování tavenin pln�ných a nepln�ných termoplast�, a také pro hodnocení kvality výrobního procesu.

Problém nastane tehdy, kdy� u dvou porovnávaných materiál� je nam��en stejný ITT, ale toková k�ivka je u ka�dého z nich jiná, p�i�em� technolog nebo se�izova� má k dispozici pouze hodnoty ITT. Takový p�íklad znázor�uje obrázek �íslo 11:

Obr. �. 11 : M��ení ITT – MFI a tokové k�ivky

Z obrázku 11, respektive zm��ené hodnoty MFI je mo�no usoudit,�e oba hodnocené vst�ikovací materiály je mo�no z pohledu ITT zpracovávat s vyu�itím stejných technologických parametr�. Ovšem, jak ji� bylo n�kolikrát uvedeno, p�i vst�ikování termoplast�, jejich tok probíhá za podstatn� vyšších smykových rychlostí a z tokových k�ivek obou materiál� vyplývá, �e materiál 2 bude v d�sledku u�ší distribuce molekulové hmotnosti h��e zatékat, má v�tší hodnoty viskozity a proto musí být, i z tohoto pohledu, uvedená skute�nost, p�i nastavování technologických parametr� vst�ikování, zohledn�na, nap�íklad nastavením vyšší teploty taveniny nebo formy, vyššími parametry vst�ikovací fáze – rychlost, tlak – p�ípadn� dalšími, v závislosti i na zpracovávaném materiálu a kvalitativních po�adavcích kladených na výst�ik.

Kvalita vstupního materiálu, tedy jeho reologické, fyzikální, tepelné a další u�itné vlastnosti, je p�edevším odrazem chemického slo�ení plastu, jeho molekulární struktury, apod. Index toku taveniny poskytuje p�edstavu o molekulové hmotnosti a viskozit� polymerního materiálu. Neodpovídá-li index toku taveniny hodnotám deklarovaným výrobcem ( nap�íklad v certifikátu kvality dodané šar�e granulátu ), nebudou odpovídat ani jiné u�itné vlastnosti z p�edpisu materiálové specifikace, proto�e tytojsou,obdobn�jako tekutost, závislé na velikosti makromolekul.

Metodu nelze pou�ít pro termoplasty, jejich� reologické chování, jak jsem ji� uvedl, ovliv�uje hydrolýza - rozklad slou�enin vodou nebo sí�ování. To zejména platí pro n�které typy PA, p�ípadn� PC. U t�chto materiál� se udává hodnota viskozitního �ísla.

M��ení indexu toku taveniny

Nejjednodušším kapilárním reometrem je za�ízení na m��ení indexu toku taveniny (ITT). Konstrukce kapilárního viskozimetru a princip m��ení indexu toku taveniny vyplývá z jeho definice uvedené v p�edešlé kapitole.

Obr. �. 12 : Schéma kapilárního výtla�ného reometru pro m��ení ITT

P�i m��ení se vlo�í granulát, pelety, prášek, od�ezky testovaného materiálu do izolovaného válce, který je temperovaný na teplotu p�edepsanou pro hodnocený materiál. Píst umíst�ný v horní �ásti válce je stla�ován pomocí záva�í s volitelnou hodnotou hmotnosti, která je op�t pro daný materiál p�edepsána. Stanovuje se objemový pr�tok polymeru vycházející z kapiláry - trysky, který je úm�rný viskozit� m��eného materiálu (vysoká viskozita = nízký ITT a naopak) – viz obrázek �íslo 12 .

ITT (MFR) zna�í mno�ství taveniny (v gramech), které prote�e tryskou s definovaným pr�m�rem (2,095 mm) a délkou (8 mm) za 10 min p�i definovaném zatí�ení a teplot�. Z této definice je z�ejmé, �e ITT p�edstavuje pouze jeden bod na tokové k�ivce.

Tepeln� izolovaný válec do n�ho� se umis�uje vsázka hodnoceného materiálu musí být vyroben z materiálu inertního k m��eným polymer�m, vnit�ní povrch válce musí být odolný proti korozi, jeho tvrdost má mít minimální hodnotu 500 HV, pracovní teplota – a� 450 °C. Délka válce je 115 mm a� 180 mm, vnit�ní pr�m�r má hodnotu 9,550 +/- 0,025 mm.

Ocelový píst, který musí s válcem tvo�it tzv. t�ecí dvojici, aby se zabránilo jeho p�idírání p�i zatí�ení definovaným záva�ím a pohybu dol� p�i vytla�ování roztaveného polymerního materiálu, má hlavu o rozm�rech uvedených na obrázku �íslo 12, dále je osazen na pr�m�r cca 9 mm. Hlava pístu má být tepeln� izolována od jeho d�íku a záva�í.

Tryska je obvykle vyrobená z karbidu wolframu s maximální ovalitou válcové �ásti 0,005 mm po celé délce. Nesmí p�esahovat p�es spodní hranu válce a musí být souosá s osou válce.

P�ed zkouškou je v�dy nutno dokonale vy�istit jak píst, tak i vnit�ní povrchy válce a trysky. Teplota p�ístroje p�ed vlo�ením zkušebního vzorku musí být stabilizovaná, tj. p�ed zahájením m��ení musí být p�ístroj bez vzorku po ur�itou dobu udr�ován na pracovní teplot� (cca 15 minut).

Po rychlém vlo�ení vzorku se tento ponechá po ur�itou dobu – cca 4 minuty a� 6 minut – bez zatí�ení. Po zatí�ení pístem se záva�ím je roztavený materiál vytla�ován tryskou do volného prostoru pod válcem p�ístroje a vzniklá struna je bu� operátorem nebo automaticky postupn� od�ezávána (první �ást struhy), p�ípadn� �ásti struny s bublinami jsou odstran�ny a nevyhodnocují se – nevá�í se. Vá�it by se m�ly alespo� t�i od�ezky a to s p�esností 0,001 g.

Hmotnost vsázky hodnoceného materiálu se obvykle pohybuje mezi 4 g a� 8 g.

M�nitelné záva�í – ru�n� nebo automaticky – do hodnoty zat�ovacího záva�í se zapo�ítává i hmotnost pístu – zvolené nominální zatí�ení má mít p�esnost 0,5 %.

Podmínky zkoušky – teplota, hmotnost záva�í – jsou pro jednotlivé skupiny materiál� normovány nebo smluvn� dohodnuty a musí se s hodnotou ITT v�dy uvád�t – nap�íklad ITT = 16,4 g/10 minut (230 °C/2,16 kg). Doporu�ené parametry jsou uvedeny v tabulce �íslo 1:

Tabulka �. 1: Doporu�ené hodnoty teploty a zatí�ení pro stanovení ITT ( MFR ) pro vybrané termoplasty

Tabulka �íslo 2 : Podmínky m��ení indexu toku taveniny

Ji� jsem uvedl, �e norma  �SN EN ISO 1133-1:2012 Plasty – Stanovení hmotnostního (MFR) a objemového (MVR) indexu toku uvádí dv� metody A a B pro stanovení ITT. 

Metoda A :

Principem této metody je m��ení doby protla�ování taveniny tryskou o p�edepsaných rozm�rech po stanovenou dráhu,kterou urazí zatí�ený píst. Dráha pístu se m��í s p�esností ± 0,1 mm a �as (10 minut) s p�esností 0,1s. Vytla�ovaná struna se postupn� od�ezává a m��í se �as pro jednotlivé od�ezky, který se s�ítá. Výsledkem m��ení je hmotnostní index toku taveniny vyjád�ený vztahem

                                        MFR _{( T,m-nom )} = t _ref . m / t

kde: T- je zkušební teplota taveniny [°C] – viz tabulka 1, m-nom - nominální zatí�ení [kg] – viz tabulka 1, m - pr�m�rná hmotnost od�ezku[g], tref - referen�ní �as ( 10 min = 600 s ) [s] a t - interval od�ezávání [s].

Metoda B :

Metoda B na rozdíl od metody A umo��uje stanovit nejen hmotnostní index toku taveniny MFR, ale také index objemový MVR a to za p�edpokladu :

a) m��ení �asu, po který se píst pohybuje na stanovenou vzdálenost

nebo

b) m��ení vzdálenosti, po které se píst pohybuje po stanovený �as

Výsledek podle a) nebo b) je vyjád�en vztahy:

                          MFR _{( T,m-nom)} = S . t _ref .l . ρ / t = 427 . l . ρ / t

                          MVR _{( T,m-nom )} = S . t _ref . l / t = 427 . l / t     

 kde je: T - zkušební teplota taveniny [°C], m-nom – nominální zatí�ení [kg],

tref - referen�ní �as (10 min = 600 s) [s], S – pr�m�rný pr��ez pístu a válce [cm²],

t - stanovený �as m��ení (viz a) nebo pr�m�rná hodnota jednotlivých m��ení �asu (viz b) [s], l - stanovená vzdálenost, kterou urazí píst (dle bodu b) nebo pr�m�rná  hodnota jednotlivých m��ení vzdáleností (dle bodu a) [cm], ρ - hustota taveniny p�i zkušební teplot� [g/cm³ ], m - hmotnost stanovená zvá�ením struny vytla�ené pohybem pístu po dráze l s p�esností na 0,001 g.

P�i stanovení MFR podle této metody je nutno znát hustotu taveniny termoplastu, kterou lze vyjád�it vztahem:

                                                       ρ = m / 0,711 . l 

 Kde je m - hmotnost [g] stanovená zvá�ením struny vytla�ené pohybem pístu po dráze l [cm]

Na obrázku �íslo 13 je znázorn�n nejnov�jší typ provozního kapilárního výtla�ného plastometru firmy Dynisco. Výrobce nabízí kupujícímu, v rámci nabízených variant,jeho vlastní konfiguraci p�ístroje, kdy si m��e vybírat nap�íklad mezi mo�ností m��it podle metoda A nebo podle obou metod A i B,nakládání záva�í pomocí zvedací plošiny nebo pomocí elektromechanického zvedacího mechanismu, který automatizuje zvedání záva�í. Dále nabízí výb�r materiálu pracovní komory,mo�nost bez nebo s automatickým od�ezáváním od�ezk� hodnoceného materiálu,v�etn� postupu podle �SN EN ISO 1133 a ASTM D1238,p�ípadn� i podle certifikace pro materiály citlivé na �asov� teplotní historii a nebo vlhkost �SN EN ISO 1133-2. Hardwarová i softwarová konfigurace nap�íklad umo��uje  m��ení spustit jediným stisknutím tla�ítka, co� eliminuje pot�ebu slo�itého nastavování a zjednodušuje celý proces testování.   

Obr. �. 13 : Kapilární výtla�ný plastometr Dynisco – model LMI6000 Series, hlavní rozm�ry – základna 46 x 54 cm,výška 130 cm,hmotnost v�etn� záva�í 136 kg,z toho záva�í podle normy ISO 21,6 kg

Krom� hmotnostních hodnot ITT lze z provedených m��ení a jejich výsledk�,tyto vyu�ít i pro stanovení pom�ru FRR , kterým lze u dvou m��ených vzork� granulát� hodnotit vliv distribuce, rozd�lení molekulových hmotností na jejich reologické chování, chování p�i toku polymerních tavenin. Polymery s v�tší molekulovou hmotností dosahují vyšší pevnosti, tuhosti, ni�ší hou�evnatosti a také vyšší viskozity,co� znamená, �e mají ni�ší tekutost, �emu� je t�eba p�izp�sobit i nastavení technologických parametr� vst�ikování. Op�t se jedná o vzájemné posouzení dvou materiál�.

Pom�r FRR se vypo�ítá takto:

                                           FRR = MFR_1(T,m-nom) / MFR_2(T,m-nom) < 1

P�i p�íprav� polymer� - syntetické polymery vznikají t�emi základními chemickými reakcemi: polymerací, polykondenzací a polyadicí - vznikají �et�zce o r�zných délkách. D�vodem je statistické rozd�lení energetických pom�r� p�i jejich vzniku, proto nejsou všechny makromolekuly, které vznikly za daných polymera�ních podmínek, stejn� velké a polymer je tvo�en r�zn� velkým po�tem stavebních jednotek. Polymer je tedy mno�inou makromolekul o r�zném po�tu stavebních jednotek,má r�zné délky makromolekul.

Polymery jsou látkami polydisperzními (polydisperzní = disperzní soustava obsahující �ástice mnoha r�zných velikostí, charakterizovaná spojitou distribu�ní k�ivkou), a proto je polymera�ní stupe� v jednotlivých frakcích odlišný a tedy i molekulová hmotnost polymerních látek je v jednotlivých frakcích odlišná. Zastoupení makromolekul o dané molekulové hmotnosti v polymerhomologické sm�si je charakterizováno pomocí distribu�ní k�ivky. Molekulová hmotnost se obvykle definuje pr�m�rnou hodnotou. Stanovuje se �íselný, hmotnostní nebo viskozitní pr�m�r molekulových hmotností. �íseln� st�ední molekulová hmotnostMn  je definována jako pom�r sou�tu molekulových hmotností všech molekul k po�tu všech molekul. Hodnoty �íseln� st�edních molekulových hmotností jsou citlivé na p�ítomnost malého mno�ství nízkomolekulárních podíl�. Hmotnostn� st�ední molekulová hmotnost Mw je vzta�ena k hmotnosti molekul v jednotlivých frakcích. Hodnoty hmotnostn� st�edních molekulových hmotností jsou citlivé na podíly s velkou molekulovou hmotností. Vysv�tlení pojm� je znázorn�no na p�íkladu distribu�ní k�ivky na obrázku 14: 

Obr. �. 14 : P�íklad distribu�ní k�ivky polymerního materiálu

Polymerní materiál s ni�ší molekulovou hmotností umo��uje p�i vst�ikování pracovat s vyššími rychlostmi vst�ikování,má ni�ší viskozitu,vyšší tekutost. Polymer s vyšší molekulovou hmotností bude zpracováván s ni�ší rychlostí toku polymerní taveniny,tavenina má vyšší viskozitu,tedy ni�ší tekutost. Rychlost toku taveniny je nep�ímým m��ítkem relativní pr�m�rné molekulové hmotnosti.

Molekulová hmotnost, disperzita a v�tvení mají významný vliv na mechanické a fyzikální  vlastnosti polymer�. Obecn� platí, �e vyšší molekulová hmotnost zlepšuje mechanické vlastnosti, tj. zvyšuje se pevnost v tahu, mez kluzu a rázová hou�evnatost. Vyšší molekulová hmotnost však také, jak ji� bylo uvedeno, zvyšuje teplotu tání a skelného p�echodu a viskozitu taveniny, co� zt�uje zpracování a tvarování polymerního materiálu.  

Disperzita, stupe� disperze, rozptylu má opa�ný ú�inek; širší rozlo�ení molekulové hmotnosti sni�uje pevnost v tahu a rázovou hou�evnatost, ale zvyšuje mez kluzu, nebo jinými slovy, ni�ší disperzita ( u�ší rozlo�ení molekulové hmotnosti ) vede k lepším mechanickým vlastnostem. Nízkomolekulární �ást distribuce má podobný ú�inek jako zm�k�ovadlo, tj. sni�uje k�ehkost,zvyšuje hou�evnatost a sni�uje viskozitu taveniny, co� zlepšuje zpracovatelnost, zatímco vysokomolekulární �ást zp�sobuje obtí�e p�i zpracování, proto�e má velký podíl na viskozit� taveniny.

Rozv�tvené makromolekuly mají na základním �et�zci vázány krátké bo�ní substituenty (prvky nahrazující p�vodní prvky p�i substituci,náhrad�,zám�n�), které zhoršují jejich pohyblivost. Rozv�tvení makromolekul má za následek jejich vzájemné oddálení, které je p�í�inou poklesu sil mezi makromolekulami a tím i sní�ení mechanické pevnosti, tvrdosti, modulu pru�nosti. 

Konec t�etí �ásti. Pokra�ování 20. 12. 2024 

První �ást naleznete zde. 

Druhou �ást naleznete zde.

Ilustra�ní foto: AI