سنجش کیفیت مواد اولیه کارتن پلاست

شاخص جریان مذاب (MFI) و اندازه گیری جریان پذیری پلیمرها، بعنوان روشی برای سنجش کیفیت مواد اولیه کارتن پلاست

در سنجش کیفیت مواد اولیه کارتن پلاست و به منظور بررسی خواص پلیمرهای بکاررفته، MFI  یا شاخص جریان مذاب به عنوان یکی از پارامترهای اساسی پلیمرهای ترموپلاستیک، مخلوط های ترموپلاستیک و فرمولاسیون کامپوزیت ها در نظر گرفته می شود. این اندازه گیری  مطابق با استانداردهای ASTM یا ISO انجام می گردد.

مقدار MFI می تواند اطلاعات دقیقی در مورد وزن مولکولی متوسط، پردازش پذیری و فرآیند تولید مناسب پلیمرها به شما بدهد:

یک پلیمر با MFI بالا می تواند برای قالب گیری تزریقی مطلوب باشد. به این دلیل که پر کردن مسیرهای جریان مواد مذاب در قالب با موادی که به عنوان “جریان بالا” نامیده می شود، آسان تر است. پلیمرهای با MFI پایین می توانند از قالب گیری دمشی و اکستروژن استفاده کنند زیرا استحکام مذاب بالاتری را ارائه می دهند.

شاخص جریان مذاب چیست؟ شاخص جریان مذاب (MFI) یا نرخ جریان مذاب (MFR) اندازه گیری است که برای ارزیابی جریان پذیری یا ویسکوزیته مذاب یک پلیمر استفاده می شود. این شاخص  نشان می دهد که چگونه یک پلیمر می تواند به راحتی از طریق فرآیندهای مختلف پردازش شود. MFI به عنوان وزن پلیمر بر حسب گرم تعریف می شود که در مدت 10 دقیقه از طریق یک قالب با قطر و طول خاص توسط فشار اعمال شده توسط وزن معین در دمای معین جریان می یابد. واحد اندازه گیری MFI معمولاً گرم در 10 دقیقه (گرم در 10 دقیقه) است. تجهیزات تست MFI در شکل 1 نشان داده شده است. هنگامی که حجم اکسترود اندازه گیری می شود، سرعت حجم مذاب گزارش می شود. در پردازش پلیمری، مقدار MFI با درجه پلیمر همبستگی دارد. این کار برای انتخاب روش های پردازش مناسب انجام می شود.

رابطه بین MFI و وزن مولکولی

MFI یک پلیمر با ویسکوزیته نسبت معکوس دارد. ویژگی های نوع انشعاب نیز بر مقادیر MFI و MFR تأثیر می گذارد. این ویژگی ها عبارتند از:

نوع انشعاب و منظم بودن توزیع

وسعت توزیع وزن مولکولی را می توان از طریق نسبت های بین دو مقدار نرخ جریان مذاب برای یک ماده در نسبت های وزنی مختلف تخمین زد.

MFI به چندین پارامتر اساسی در پلیمرها، پردازش و خواص محصول نهایی حساس است. ضروری است که اندازه گیری باید با دقت زیاد انجام شود تا خطاهای احتمالی به حداقل برسد. مهم است که اندازه گیری MFI توسط گروه های زیر انجام شود:

• تولید کنندگان مواد اولیه
• پردازنده های پلیمری
• گروه های توسعه محصول

این موضوع چیزی بیش از یک پارامتر رئولوژیکی کنترل کیفیت است. از آنجایی که وزن مولکولی یکی از ویژگی هایی است که عملکرد پلیمرها را تعیین می کند. سرعت جریان مذاب، در واقع اندازه گیری غیرمستقیم وزن مولکولی متوسط نسبی است.

پلیمر با سرعت جریان مذاب بالا دارای وزن مولکولی کمتری است. پلیمر با سرعت جریان مذاب کمتر وزن مولکولی بیشتری دارد. بنابراین، مقادیر MFI برای انتخاب پردازش و کاربرد مناسب پلیمرها بسیار سودمند است. شکل 2 رابطه تجربی بین وزن مولکولی پلی پروپیلن خطی و جریان مذاب را بر اساس داده ها و معادله زیر نشان می دهد:

log MW = 2.47 – 0.234 log MF

جایی که،  MW وزن مولکولی است که بر حسب kDalton بیان می شود.

MF جریان مذاب اندازه گیری شده در شرایط استاندارد (230 درجه سانتی گراد و 2.16 کیلوگرم) است.

تأثیر MFI پلیمری بر روش قالب گیری آنها

در فرآوری مذاب، پلیمر در معرض جریان برشی و کششی قرار می گیرد. برخی از روش های پردازش پلیمر عبارتند از:

• قالب گیری تزریقی
• قالب گیری فشاری
• قالب گیری بادی
• اکستروژن
• ترموفرمینگ

MFI پلیمر یک ویژگی مهم برای انتخاب روش پردازش خاص است. به این دلیل که MFI می تواند با ویسکوزیته برشی، تورم قالب و ویسکوزیته افزایش طول مرتبط باشد. به عنوان مثال می توان از محاسبه حداقل افت فشار در حین پر کردن حفره و حداقل نیروی گیره برای جلوگیری از باز شدن قالب در طول قالب گیری تزریقی نام برد.

پارامترهای زیر را می توان به راحتی از طریق دانستن MFI بدست آورد.

• نیروی تراکم در طول قالب گیری فشاری
• تلفات فشار از طریق قالب های مقاطع پیچیده در طول اکستروژن واتلاف گرمای چسبناک در طول پردازش

ما می توانیم اندازه گیری های MFI را با استفاده از عملیات پیش و پس از پردازش مانند اتصال عرضی، پخت، تنزل، تثبیت

و پیری پلیمر تطبیق دهیم. توجه کنید که لازمست برای دستیابی به مقدار دقیق MFI به دیتاشیت محصول مراجعه شود.

موارد ذیل ویژگی های مهم محصول پلیمری است که در ارتباط  با MFI  آن تعریف می شود.

• استحکام کششی
• استحکام خمشی
• قدرت اشک
• قدرت ضربه
• سرسختی
• ازدیاد طول نهایی

پلیمرهای با MFI  کمتر یعنی پلیمرهای با وزن مولکولی بالاتر دارای خواص زیر هستند:

• مقاومت در برابر ضربه خوب
• مقاومت در برابر تنش محیطی و ترک به صورت مطلوب
• عملکرد خستگی مناسب

با تعادل مناسب بین MFI و دمای پرداخت، می توان به سطح مطلوبی از شفافیت و براقیت دست یافت. مقدار MFI یک راهنمای سریع برای انتخاب روش های پردازش مناسب است. با این حال، MFI   ممکن است برای انتخاب روش پردازش یک پلیمر کافی نباشد.

علاوه بر این، MFI انشعاب زنجیره طولانی، نرخ برش، تنش برشی، افت فشار و گرادیان دما را در نظر نمی‌گیرد. بنابراین، دو پلیمر با MFI یکسان تحت هیچ شرایط پردازشی، مانند یکدیگر رفتار نخواهند کرد.

تاثیر شاخص جریان مذاب پلیمرها برکامپوزیت های پر شده

ادغام پرکننده ها در پلیمرها می تواند بر MFI آن ها تأثیر بگذارد. افزودن مواد می تواند بر اساس مقدار، شکل و اندازه پرکننده متفاوت باشد.

پرکننده های تقویت کننده، خواص مکانیکی، الکتریکی و حرارتی را بهبود می بخشد. مثال: الیاف شیشه، پودر فلز و غیره.

پرکننده غیر تقویت کننده به کاهش هزینه کمک می کند. به عنوان مثال: کربنات کلسیم، تالک و غیره.

به طور کلی، پلیمر با MFI بالا می تواند با سازگاری خوب به پخش موثر پرکننده کمک کند. در حالی که پلیمر MFI  پایین منجر به پراکندگی ضعیف و سازگاری ناکافی با پرکننده ها می شود.

پراکندگی موثر با مقدار کمی از بارگذاری پرکننده می تواند در به حداقل رساندن کاهش MFI کمک کند. به طور مشابه، ترکیب پلیمرهای بازیافتی با پلیمرهای بکر نیز می تواند بر مقدار MFI تأثیر بگذارد. به خصوص زمانی که پلیمر بازیافتی وزن مولکولی پایینی نسبت به پلیمر بکر داشته باشد. اندازه گیری مقدار MFI پلیمرهای پر شده برای انتخاب پارامترهای پردازش مناسب مهم است.

شاخص جریان مذاب پلیمرها و پرکننده های رطوبت سنجی

پلیمرها یا پرکننده های هیگروسکوپیک به رطوبت جذب شده از جو حساس هستند، این مواد باید از قبل خشک شوند تا آب جذب شده از بین برود. اگر این مواد به اندازه کافی خشک نشده باشند، می تواند تأثیر مضری بر ارزش MFI داشته باشد و رطوبت جذب شده می تواند با انجام هیدرولیز منجر به افزایش مقدار MFI شود.

بسته به پلیمریا پرکننده، شرایط قبل از خشک شدن می تواند به طور قابل توجهی متفاوت باشد. بنابراین، دما و زمان خشک کردن مناسب برای هر ماده باید از برگه اطلاعات مواد سازنده استخراج شود تا MFI قابل اعتماد و قابل تکرار به دست آید.

شاخص جریان مذاب پلیمرهای بازیافتی و ترکیبات پلیمری

هنگامی که پلیمرها به صورت مکانیکی بازیافت می شوند، می توانند با تجزیه، وزن مولکولی را کاهش دهند. بنابراین، MFI  می تواند افزایش یابد. مثلا:

MFI  بطری PET بازیافتی (145 گرم در 10 دقیقه) پنج برابر بیشتر از تکه های PET (32 گرم در 10 دقیقه) است. این به دلیل کاهش وزن مولکولی توسط تجزیه هیدرولیکی در حین بازیافت مکانیکی است. چنین اثر نامطلوبی در MFI PET بازیافتی با افزودن یک توسعه دهنده زنجیره برطرف می شود بنابرین می توان با گسترش زنجیره همچنین به افزایش وزن مولکولی PET کمک کرد.

کاهش MFI مشابه در پلی استر زیست تخریب پذیر (PLA) مشاهده شده است. یک توسعه دهنده زنجیره ای برای افزایش وزن مولکولی معرفی شده است. انتخاب یک توسعه دهنده زنجیره نامناسب می تواند با عمل به عنوان یک نرم کننده منجر به افزایش MFI شود.

افزودنی های اتصال متقابل مانند پراکسیدها نیز برای کاهش MFI در مخلوط های پلی استر بسیار موثر هستند. این کار برای تطبیق فرمول‌های مورد استفاده در قالب‌گیری تزریقی، قالب‌گیری بادی، فیلم دمنده یا محصولات ترموفرمینگ انجام می‌شود.

استانداردهای اندازه گیری MFI چیست؟

دو استاندارد رایج زیر به طور گسترده برای آزمایش MFI در صنعت پلیمر برای کنترل کیفیت استفاده می شود.

ASTM D1238 – روش تست استاندارد برای نرخ جریان مذاب برای ترموپلاستیک ها

ISO 1133 – تعیین نرخ جریان جرمی مذاب و سرعت جریان حجمی مذاب ترموپلاستیک ها