Пластмаси.Изпитване.Индекс на течливост.Част 1.

Автор : Michael Sepe

Изочник : Plastics Technology – http://www.ptonline.com/columns/melt-flow-rate-testingpart-1

Юли 2013 год.

Макар и често критикуван, индекса на стопилка(ИС) (или индекс на течливост) е много добра мярка за относителното средно молекулно тегло на полимера.Тъй като молекулното тегло е движещата сила зад поведението на полимерите,то индекса на стопилка може да е много полезна цифра.

Изпитването на ИС може да се охарактеризира като метод за изпитване,който не се ползва с уважение.Хора от всички клонове на индустрията не цнят резултата от изпитанието или нахправо твърдят,че е безполезно.Тези,които обучават професионалистите в промишлеността за преработка на полимери,посочват че ИС е само една точка от кривата,характеризираща вискозитета като функция от срязващото напрежение.Тъй като полимерната стопилка е не-Нютонов флуид,вискозитета й се променя с промяната на срязващите напрежения.На изображението по-долу е показан съвременен апарат(пластометър)  за измерване на ИС.

При  изпитанието за ИС  стопения материал се изтласква с постоянен дебит и следователно с постоянно срязващо напрежение и не може да улови целия обхват на поведението на материала като функция от променящото се срязващо напрежение.За да се влошат още повече нещата,срязващото нпрежение изобщо не се контролира.Тъй като товара върху материала или срязващото напежение е постоянно по време на изпитанието,то срязващото напрежение не се взема предвид.Самия ИС е отражение на срязващото напрежение,използвано по време на изпитанието,но то(срязващото напрежение) е резултат от изпитанието,а не контролирана входяща величина.

Академицете не харесват уреда за изпитване на ИС.Как може от гр./10 мин. да се получи нещо смислено по отношение на фундаменталното поведение на полимерите? Писал съм нашироко по въпроса за относителната връзка между ИС и средното молекулно тегло.Към това ме подтикна сърдито писмо от университетски професори,настояващи че обяснавам как единицата гр./10 мин. може да се превърне в мерна еденица за молекулно тегло,която е гр./мол.Това е добър въпрос и ще му отговоря колкото е възможно пълно в рамките на следващите няколко статии.

Фактически изпитването на ИС е слаб инструмент за измерване на преработваемостта,по причини,които ще бъдат обяснени подробно по-късно.Но пък ИС никога не е претендирал да е мярка за прерабогнаемостта – такова тълкуване е имало само в някои среди на преработвателите на полимери.Твърдението,че уреда за измерване на ИС е нещо като капилярния реометър на бедняка е фундаментално неправилно.Освен това отношението между ИС и средното молекулно тегло е относително.Има доста фактори,които могат да изкривят това съотношение и да направят тълкуването му рисковано.

Например добавяне на инградиенти като стъкловлакна ,модификатори на удароустойчивостта, и определени добавки могат да променят ИС на материала без ни най-малка промяна на средното молекулно тегло.

Но ако това изпитание е толова безполезно,защо тогава стойността му се появява в толкова много сертификати за материали?Не само че е основен показател в повечето от сертификатите,но често е ключово характеристика,която различава една марка от друга в дадено семейство полимери.При такива различни материали като поликарбонати,ацетали и полистирол ИС може да е единствената величина в сертификата,която варира значително при рзличните марки от даден родукт.Съображението е просто.Ако  предположим,че другите фактори се поддържат постоянни,то тогава ИС е много добър измерител на относителното средно молекулно тегло на полимера.Тъй като молекулното тегло е водеща сила,стояща зад поведението на полимерите,то излиза че това е много полезна цифра.

Дебита на потока на полимера е обратно пропорционален на вискозитета.Високо-вискозните материали текат с по-голямо съпротивление и по тази причина по- бавно при едно и също налягане в сравнение с ниско-вискозните.Затова полимерите с по-високо молекулно тегло имат по-нисък ИС,а съответно тези с по-ниско молекулно тегло – по-висок ИС.

Работещите с леене под налягане предпочитат по-висок ИС,тъй като е по-лесно да се запълни матрица с т.н. „високотечливи“ материали.Работещите чрез екструзия и екструзионно раздувно формоване като че ли предпочитат материали с по-високо молекулно тегло,тъй като те осигуряват по-висока здравина на стопилката,фактор който улеснява контрола на формата на шлауха(при раздувното формоване) или на профили със сложно сечение, също се решават по-лесно проблемите с раздуването на стопилката след излизане от главата.Крайните ползватели предпочитат полимери с по-високо молекулно тегло,независимо дали го знаят или не,тъй като по-високото молекулно тегло е свързано с по-добро качество на продукцията.Съпротивлението на удар,устойчивостта на умора,устойчивостта на строшаване под действие на околната среда и бариерните свойства – всички те се подобряват при по-високо молекулно тегло.И това са само част от показателите,които се подобряват.

Първото ми изложение относно важността на олекулното тегло като критерии за подбор на материал дойде на основа 30 год. опит в леенето под налягане.Произвеждахме чрез леене под налягане кутии за светофари от високомолекулна марка поликарбонат.Номиналния ИС на материала беше 5гр./10 мин.Геометрията на изделието заедно с възрастта на машините затруднявяше производството на това изделие.Тъй като качеството на изделието беше доста важно,провеждахме изпитанието „Дарт“(на удароустойчивост с падащо копие) на всеки час,за да сме сигурни,че процеса е под контрол.Към края на производството на партидата избирахме 20 изделия на случаен принцип и повторихме изпитанието за удароустойчивост.Типичния резултат(за всяка партида)  беше 20 бр. от 20 -годни.

Веднъж решехме да видим какво ще се случи ако използваме марка с по-нисък ИС.Разсъждавахме така : Ако може да се използва материал,който тече по-лесно,то може да се намали температурата на стопилката и наляганията,свързани с впръскването и уплътняването.Това ще намали напрежението в материала и ще подобри удароустойчивостта на изделито или най-малко ще компенсира намалената удароустойчивост на полимера с по-ниско молекулно тегло.

Когато произвеждахме с марка с ИС 10 гр./10 мин.(двойно по-висок),установихме,че  температурата на стопилката може да се намали с 22 град. Целзии и налягането по време на първия етап на напълването се понижи с 10%.Но когато проведохме изпитването на удароустойчивост върху 20 изделия,произведени от този материал,то само 4 бр. от тях издържаха изпитанието.Тази огромна разлика в поведението се появи въпреки че стойностите на устойчивостта на удар с надрез по Изод ,посочени в сертификатите на тези два материала ,бяха еднакви.Това разминаване между фактическите свойства и очакванията,порадени от обявеното в сертификата се проявяват ежедневно в промишлеността и ще разгледаме причините за това в статия по-късно.

В следващата статия ще опишем процедурата на измерване на ИС и ще обсъдим някои от силните и слабите страни на този метод.Ще обясним също защо толкова много доставчици на полимери не само публикуват този показател(в сертификатите), но и го използват като основен параметър за сертифициране на качеството на отделните партиди.