Ing. Lubom�r Zeman: Index toku taveniny a jeho vyu�itie v technol�gii vstrekovania termoplastov - te�ria a prax 2. �as�

Kapilární reometrie – tokové k�ivky

Úkolem reometrie je experimentální stanovení funk�ní závislosti mezi te�ným nap�tím a gradientem rychlosti pro daný vzorek kapaliny, tzn. závislosti zdánlivé viskozity na te�ném nap�tí nebo gradientu rychlosti.

Pro m��ení tokových k�ivek nenewtonských kapalin se nej�ast�ji pou�ívají pr�tokové kapilární viskozimetry s nastavitelným tlakovým spádem. P�ímo m��itelnými veli�inami jsou objemový pr�tok V a tlakový spád Δp m��ené na kapilá�e s polom�rem R a délkou l.

P�ímým výsledkem m��ení na kapilárním reometru je soustava údaj� tlakového spádu a k n�mu p�íslušného objemového pr�toku. Jako první zpracování se provádí výpo�et  prom�nných – smykového nap�tí a gradientu rychlosti D (p�ípadn� i zdánlivé viskozity) a nakreslení tokové k�ivky (reogramu). K charakterizaci toku nenewtonských kapalin je proto nutno znát pr�b�h závislosti η = η.(D) v širším intervalu gradient� rychlosti D.

Viskozitní k�ivka (toková k�ivka,reogram) je grafický záznam závislosti dynamické viskozity na rychlostním spádu, na smykové rychlosti (Shear Rate) – obr. �. 7.

Obr. �. 7 : Vizkozitní k�ivky – tokové k�ivky – reogram : závislost viskozity na smykové rychlosti ( Shear Rate ) pro r�zné teploty,zjišt�ná za podmínek smykových rychlostí obvyklých pro vst�ikování termoplast�,zde do 10 000 s-1

Obrázek �. 7 ukazuje rozsah smykové rychlosti do 10 E4 s^-1; obvyklé rozsahy smykových rychlostí pro vybrané zpracovatelské technologie jsou: lisování – 10 E0 a� 10 E1 s^-1, vytla�ování – 10 E1 a� 10 E3 s^-1, vst�ikování – 10 E2 a� 10 E5 (10 E6) s^-1. 

Zákonitosti, které je mo�no aplikovat na vst�ikování termoplast�, a které vyplývají z reogram�:

- z fyzikálního hlediska vnit�ním odporem proti toku materiálu je jeho viskozita, která je u polymerních materiál� závislá jak na teplot�, tak i na hodnot� smykové rychlosti; jedná se o exponenciální závislost

- s rostoucí teplotou zpracování daného polymerního materiálu jeho viskozita v závislosti na smykové rychlosti klesá

- obecn� platí – �ím je viskozita polymerní taveniny v�tší, tím je její tekutost, tj. schopnost bezproblémov� zaplnit lokální tvary dutiny formy menší a naopak, ni�ší viskozita polymerní taveniny umo�ní pou�ít pro vst�ikování daného materiálu ni�ší zpracovatelskou teplotu, p�ípadn� ni�ší vst�ikovací tlak a ni�ší vst�ikovací rychlost; �ím je vyšší teplota, tím je ni�ší viskozita a �ím je vyšší smyková rychlost, tím je ni�ší viskozita – materiál lépe te�e  

- uvedené zákonitosti ilustruje obrázek �íslo 8

Obr. �. 8: Tokové k�ivky pro PA66 Utramid pro teploty z výrobcem doporu�eného zpracovatelského pásma

Z výše uvedeného a zejména ze zobrazení tokové k�ivky je z�ejmé, �e pro rychlé praktické vyu�ití p�i zpracování termoplast� vst�ikováním nejsou tokové k�ivky vst�ikovaných materiál� tím nejvhodn�jším podkladem. K�ivky jsou d�le�itými vstupními parametry nap�íklad pro simula�ní výpo�ty, ale pro rychlou orientaci p�i rozhodování o výb�ru materiálu pro danou aplikaci,p�i úvahách o nastavení technologických parametrech zpracování, a pod. nejsou vhodné, jejich m��ení je relativn� nákladné a navíc vy�adují i pot�ebné znalosti, které, omlouvám se, obvykle ve vst�ikovnách chybí.

Index toku taveniny 

Proto se v oboru vst�ikování v�ila praxe uvád�t z reologických dat ne tokové k�ivky, ale charakterizovat daný granulát jednou hodnotou nazvanou Index Toku Taveniny – ITT, který se obvykle uvádí i v materiálových databázích, v materiálových listech nebo atestech p�íslušných termoplast�. Zejména u vysoce navlhavých polyamid� se místo ITT n�kdy pou�ívá hodnota viskozitního �ísla. 

U výše uvedených podklad� je nutno si uv�domit, �e vlastnosti polymer� nejsou nikdy absolutní hodnotou, zejména vzhledem k rozdílným délkám �et�zc� makromolekul ve struktu�e polymeru, jejich� �etnost v závislosti na délce je vyjád�ena distribu�ní k�ivkou. Atest potvrzený dodavatelem je jakýmsi záru�ním listem pro zpracovatele polymeru, zatímco databázový údaj nebo údaj v materiálovém listu má pouze informativní charakter a pro p�ípadnou reklamaci není závazným dokumentem – uvádí se tzv. obvyklá hodnota. 

Jak jsem ji� uvedl,s viskozitou souvisí obecn�, pro popis polymerních tavenin, pou�ívaná charakteristika - index toku taveniny (ITT, MFI - Melt Flow Index) - �SN EN ISO 1133-1:2012 Plasty – Stanovení hmotnostního (MFR) a objemového (MVR) indexu toku taveniny termoplast� -�ást 1: Standardní metoda (MFR – Melt Mass Flow Rate; MVR – Melt Volume Flow Rate); �ást 2: Metoda pro materiály citlivé na �asov� teplotní historii a/nebo vlhkost.

�ást 1 normy specifikuje dv� metody pro stanovení obou typ� – MFR (hmotnostní), MVR (objemový) - index� taveniny. Metoda A m��í hmotnost vytla�ené taveniny a metoda B m��í posuv pístu zkušebního výtla�ného,kapilárního plastometru.  Zkušební podmínky tj. teplota taveniny a její zatí�ení, které se v�dy musí udávat u hodnoty indexu toku taveniny, jsou obvykle specifikovány v norm� pro daný materiál, respektive v p�íloze A normy jsou uvedeny b�n� pou�ívaní zkušební podmínky. Pokud zkušební podmínky nejsou k dispozici musí být smluvn� dohodnuty mezi zainteresovanými stranami. 

�ást 2 normy 1133 specifikuje postup stanovení obou typ� indexu toku taveniny pro termoplasty, které vykazují vysokou reologickou citlivost na �asov� teplotní historii, kterou vzorek prošel b�hem zkoušky nebo jsou citlivé na vlhkost. Základní rozdíl oproti �ásti 1 je v tom,�e �ást 2 p�edepisuje p�ísn�jší tolerance teploty válce pro m��ení ITT a tolerance doby po ní� je materiál vystaven teplot� zkoušky. �asov� teplotní historie je p�esn�ji �ízena a tedy se sní�í kolísání výsledk�, které by byly zjišt�ny podle podmínek uvedených v �ásti 1. Zp�esn�ní ITT také p�ispívá k informacím pro zpracování materiál� citlivých na vlhkost. 

V materiálových podkladech ke vst�ikovacím materiál�m se také mohou objevovat hodnoty MVR nebo MFR m��ené podle ASTM D 1238 (American Society for Testing and Materials International - Americká spole�nost pro testování a materiály).

Objemový index toku taveniny (MVR) je obecn� vhodný pro porovnávání materiál� s r�zným obsahem plniva a pro porovnávání pln�ných a nepln�ných termoplast�.

Hmotnostní index toku taveniny (MFR) lze stanovit z MVR nebo naopak za p�edpokladu,�e známe její hustotu p�i teplot� a tlaku pou�itých p�i zkoušce.

Obrázek �. 9 : Porovnání pr�b�hu hodnoty indexu toku taveniny hmotnostního – k�ivka 1 – a objemového – k�ivka 2 na obsahu plniva v kompozitu s polymerní matricí

Viskozitní �íslo z�ed�ného roztoku 

Norma �SN EN ISO 307:2007 Plasty – Polyamidy - Stanovení viskozitního �ísla definuje metodu stanovení viskozitního �ísla z�ed�ných roztok� polyamid� ve specifikovaných rozpoušt�dlech. Vzorky hodnocených PA musí být v daných rozpoušt�dlech zcela rozpustné. U n�kterých typ� PA plus aditiva typu retardéry ho�ení,r�zné modifikátory - aditiva ovliv�ují m��ení viskozitního �ísla,které je mírou molekulové hmotnosti polymeru i kdy� ji p�esn� neodpovídá.

Viskozitní �íslo se pou�ívá u materiál� typu PA nebo PC,které jsou náchylné k hydrolytické degradaci nebo u materiál� u nich� se jejich vlastnosti zvyšují sí�ováním.

Hydrolytická degradace - u polyamid� a polyester� ( zejména PET ), které jsou hydroskopickými materiály, musíme po�ítat s degradací zp�sobenou vodou ve všech skupenstvích (vzdušná vlhkost, déš�,sníh,atd.), s degradací hydrolytickou. Hydrolýza amidových skupin vede ke št�pení �et�zc� a ke zvýšené tvorb� reaktivních center. K potla�ení hydrolytické degradace granulát� je nutno,p�ed jejich zpracováním, jejich vysušení.  

Sí�ování – termina�ními reakcemi (terminace = ukon�ení reakce,zánik aktivních center �et�zových a katalyzovaných reakcí) dochází k sí�ování polymerních �et�zc�,co� má za následek r�st molární hmotnosti,vedoucí a� k tvorb� nerozpustného polymeru. Sí�ování je proces , p�i kterém polymerní �et�zce podléhají reakci , která vytvá�í vazby (nazývané p�í�né vazby) mezi r�znými �et�zci (nebo p�ípadn� mezi dv�ma r�znými body stejného �et�zce) na úrovni reaktivních funk�ních skupin. Tyto vazby mohou být kovalentní nebo iontové, tedy silné. S tvorbou vazeb se m�ní chemicko - fyzikální vlastnosti polymeru v závislosti na relativním mno�ství t�chto vazeb.

V souvislosti s m��ením viskozitního �ísla z�ed�ného roztoku je nutno uvést i normu �SN EN ISO 1628:2009 Plasty – stanovení viskozity polymer� ve z�ed�ných roztocích kapilárním viskozimetrem.

Metoda je pou�itelná pro kontrolu p�i výrob� a pro mezi produktové porovnávání jednotlivých materiál�. Odchylky viskozitního �ísla mohou být zp�sobeny bu� samotným PA nebo vlivy zp�sobenými p�ísadami nebo obojím. Molekulová hmotnost má výrazný vliv na vlastnosti makromolekulárních látek - polymer�. Krátké molekulární �et�zce s nízkou molekulová hmotností,p�ítomné ve v�tším mno�ství v polymeru,zhoršují jeho mechanické a fyzikální vlastnosti,sni�ují viskozitu jeho taveniny. Naopak zvyšování velikosti makromolekul má p�íznivý vliv na mechanické vlastnosti, ale p�i vysokých hodnotách je polymer ji� obtí�n� zpracovatelný, proto�e je zna�n� viskózní, má nízkou tekutost.  

Konec druhé �ásti. Pokra�ování 13. 12. 2024 

První �ást naleznete zde. 

Ilustra�ní foto: AI