Ing. Lubom�r Zeman: Index toku taveniny a jeho vyu�itie v technol�gii vstrekovania termoplastov - te�ria a prax 4. �as�

Vyu�ití hodnot indexu toku taveniny v praxi

Na úvod této kapitoly si dovolím zopakovat zásadní vzkaz ITT pro praxi - neodpovídá-li námi zm��ený index toku taveniny hodnot� deklarované výrobcem hodnoceného materiálu uvedeném, nap�íklad v certifikátu kvality dodané šar�e granulátu, nebudou odpovídat ani jiné u�itné vlastnosti uvedené v materiálovém listu nebo v jiném p�edpise materiálové specifikace daného vst�ikovacího termoplastu, který ob� strany – prodávající a kupující – akceptovali.

S indexem toku taveniny velmi úzce souvisí i tokové chování polymerní taveniny p�i jejím vst�ikování do tvarové dutiny formy. Krom� strukturních p�edpoklad� (molekulová hmotnost) ovliv�ují  tokové chování plastutaké technologické parametry procesu jejich zpracování. Jedná se p�edevším o hodnotu vst�ikovacího tlaku, teplotu taveniny a teplotu formy, p�i�em� jak uvedené parametry, tak i další se mezi sebou navzájem ovliv�ují.

Nap�íklad zm�nou hodnoty vst�ikovacího tlaku dosáhneme nejen vyšší zabíhavosti taveniny, ale také zm�níme orientaci makromolekul v tavenin�. Zvýšením tlaku se budou makromolekuly narovnávat více do sm�ru jejího toku, v p�ípad� sní�ení tlaku, budou mít makromolekuly tendenci se smotávat zp�t do klubí�ek, co� má za následek zm�ny v hodnotách smykových nap�tí (τ). Ve svých dalších d�sledcích to vede, zejména u kompozitních materiál� s vyztu�ujícím plnivem a termoplastickou matricí, ke vzniku anizotropie smršt�ní (rozdílné smršt�ní podél toku a kolmo k toku polymerní taveniny,podélné smršt�ní má menší hodnotu ne� kolmé) a v jejím d�sledku a� k deformacím výst�iku.

Vliv teploty taveniny se u polymerních látek projevuje strukturními zm�nami, kdy dochází ke zm�nám základních mechanických a deforma�ních vlastností, jako je elasticita (pru�nost), tekutost a ta�nost. Teplota taveniny ovliv�uje nejen zatékavost (která se zvyšuje se zvyšující se teplotou), ale rovn� diferenciální tlakové ztráty, které vznikají v tavenin� vlivem zm�ny, co� má na výstupu vliv na celkový vst�ikovací tlak. Nastavení teploty taveniny je závislé na druhu polymeru a její rozp�tí je uvád�no v hodnotách technologických parametr� doporu�ených výrobcem granulátu. Zde si dovolím malé odbo�ení – �íselné doporu�ení hodnot tlak� a vst�ikovacích rychlostí v podkladech výrobc� nebo dodavatel� vst�ikovacích materiál� není korektní, proto�e je v�dy vzta�eno ke konkrétnímu vst�ikovacímu stroji – korektní vyjád�ením jsou pojmy – nízký, st�ední, vysoký tlak; nízká, st�ední, vysoká vst�ikovací rychlost – tomu potom odpovídají hodnoty, které konkrétní vst�ikovací stroj dovoluje realizovat.    

Z výše uvedených technologických parametr� má na tokové chování tavenin plast� nejmenší vliv teplota formy. Z reologického pohledu, teplota formy ovliv�uje tok polymerní taveniny, v�etn� její okam�ité teploty. V závislosti na definované teplot� formy a vst�ikovacím tlaku je mo�no sestrojit diagramy – viz obrázek �íslo 15, které definují nejmenší tlouš�ku st�ny výst�iku takovou, aby tavenina plastu bez problém� zaplnila i nejvzdálen�jší lokální tvar v tvarové dutin� formy. Vzdálenost se hodnotí od ústí vtoku do dutiny formy.

Obr. �. 15 : Závislost tlouš�ky st�ny výst�iku na reologických vlastnostech polymerních tavenin pro r�zné typy PA

Hovo�íme-li o hodnotách ITT a zatékavosti polymerních tavenin, je nutno se pro úplnost, krátce zmínit o spirálové zkoušce zatékavosti polymerních tavenin, která stejn� jako hodnoty ITT m��e slou�it (p�i znalostech o jejich omezeních) k vzájemnému porovnávání materiál� vhodných pro technologii vst�ikování mezi sebou.     

Spirálová zkouška zabíhavosti polymerních tavenin je �ist� technologickou zkouškou,která umo��uje hodnotit tokové chování tavenin polymer� za podmínek, které jsou prakticky shodné s podmínkami p�i vlastním vst�ikování. Krom� toho také dává mo�nost prov��it vliv zm�ny technologických parametr�, pop�ípad�,nap�íklad,dodate�né aditivace na zm�nu zatékavosti hodnoceného polymeru (aditivace = fyzikální proces míšení, p�i kterém se k základnímu polymeru p�idávají aditiva,p�ísady).

Spirálová zkouška probíhá p�ímo na vst�ikovacím stroji, polymerní tavenina je vst�ikována za definovaných technologických parametr� do osy formy, její� tvarovou dutinu tvo�í plochá Archimédova spirála, teoreticky nekone�né délky a o daném pr��ezu – ší�ka x výška. Pro zkoušku se volí takové technologické podmínky, aby nedošlo k zapln�ní spirály v celé její délce. M��ítkem zabíhavosti je délka spirály – viz obrázek �íslo 16. Velkým nedostatkem zkoušky je její subjektivita, proto�e nejsou normovány rozm�ry pr��ezu spirál a hodnotitelé mohou pou�ívat r�zné pr��ezy, co� neumo��uje vzájemné porovnání. V p�ípad� hodnocení na jedné konkrétní spirále je to velmi pr�kazná metoda.

Obr. �. 16 : Spirálová zkouška zabíhavosti polymerních tavenin – zleva – tvarová dutina ve tvaru Archimédovy spirály, materiál s vyšší hodnotou ITT , materiál s ni�ší hodnotou ITT

Ve specifických p�ípadech je mo�no tokové vlastnosti konkrétního granulátu vyjád�ené ITT zvýšit p�idáním funk�ního aditiva, nap�íklad z po�adavku na vlastnosti výst�iku bude vycházet nutnost pou�ití materiálu, který je primárn� ur�en pro zpracování technologií vytla�ování, tj. má velmi nízký index toku taveniny, obvykle do cca 2 g/10 minut a� 3 g/10 minut p�i teplot� a zatí�ení odpovídajícím danému materiálu. Nízký index toku taveniny obvykle také znamená, �e výsledný díl má dobré mechanické vlastnosti. V p�ípad�,�e takový materiál neumo�ní vyplnit p�i vst�ikování všechny tvary – výst�ik má nap�íklad velmi malé tlouš�ky st�n – je mo�no ovlivnit, zvýšit jeho zatékavost,respektive ITT pomocí vhodného funk�ního aditiva.  

Hodnota indexu toku polymerní taveniny nám také umo��uje zhodnotit mo�ný vliv na tokové vlastnosti kompozitních materiál� s polymerní matricí, které v závislosti na mno�ství, tvaru a velikosti plniva ovliv�ují nejen mechanické, elektrické a tepelné vlastnosti, co� platí zejména pro vyztu�ující typy plniv, u �ásticových plniv se obvykle jedná o levn�jší náhradu za dra�ší polymerní materiál, v menší mí�e o zvýšení vlastností, ale také dispergaci plniv a aditiv v polymerní tavenin�, respektive v granulátu p�íslušného vst�ikovaného materiálu.  

Obecn� m��e polymerní matrice s vysokým ITT napomoci ú�inn� dispergovat, rozptýlit plnivo a aditiva s dobrou kompatibilitou, vzájemnou slu�itelností. Zatímco polymer s nízkým ITT vede ke špatné disperzi a nedostate�né kompatibilit� s plnivy. Podobn� m��e hodnotu ITT ovlivnit i smíchání recyklovaných polymerních materiál� s p�vodními polymerními materiály vzatými od jejich výrobce, zejména kdy� má recyklovaný materiál – zejména  regranulát - nízkou molekulovou hmotnost ve srovnání s p�vodním nerecyklovaným polymerním materiálem.

Pro osv�ení naší pam�ti si zde dovolím uvést �ty�i základní podmínky, které definují recyklovaný plastový materiál:

- vyrábí se z plastu sbíraného k recyklaci, má tr�ní hodnotu nebo je podporován legislativním na�ízením

- m��e být zpracován komer�n� – recykla�ními procesy

- je t�íd�n a agregován,seskupován do definovaných tok� pro recykla�ní procesy

- recyklovaný plast se stává surovinou pou�itelnou pro výrobu nových produkt�

Proto�e se v poslední dob� hodn� hovo�í i o recyklovatelných a biologicky rozlo�itelných plastech uvedu i u nich definice rozlo�itelnosti - materiál nebo kone�ný produkt je pova�ován za biologicky rozlo�itelný, pokud se po likvidaci úpln� rozlo�í, obvykle do jednoho roku. Biologicky rozlo�itelné materiály mohou být �áste�n� nebo zcela odvozeny z rostlin, p�i�em� ale i n�které plastové výrobky s ropným základem mohou být upraveny za ú�elem dosa�ení biologické rozlo�itelnosti. N�které biologicky rozlo�itelné materiály jsou také kompostovatelné, co� znamená �e se mohou rozlo�it na p�du upravující materiál a to typicky b�hem šesti m�síc�. Slo�ení takových materiál� je specifikováno v normách ASTM (American Society for Testing and Materials) D 6400, D 6868, v�etn� EN 13432.

Testování ITT je rozhodující pro ur�ení, jak proces recyklace ovliv�uje kvalitu materiálu. Index toku taveniny se m��e sní�it, co� znamená �e se materiál stává viskózn�jším a obtí�n�ji zpracovatelným, nebo �ast�ji, zvýšit, tj. recyklovaný materiál obvykle lépe zatéká, je lépe zpracovatelný, ale má sní�ené u�itné vlastnosti.

P�i mechanické recyklaci – obvykle s vyu�itím r�zných typ� mlýn�, nej�ast�ji no�ových – s následnou regranulací, s mo�ností p�idávání aditiv – nap�íklad barevné koncentráty, antistatika, r�zné stabilizátory, atd. – prochází granulát nebo dr� ji� t�etí teplotní a smykovou zát�í – první byla p�i jeho výrob�, druhá p�i první výrob� výst�ik� a t�etí p�i regranulaci, nap�íklad, na dvojšnekovém extruderu, vytla�ovacím stroji s regranula�ní hlavou a rota�ním no�em pro sekání vytla�ených strun a další budou následovat p�i výrob� výst�ik�, následné regranulaci, co� se m��e dále opakovat. Takováto teplotní a smyková degradace výrazn� zvyšuje hodnoty ITT regranulát�, p�i�em� ji ješt� m��e zvýšit i degradace oxida�ní. Obrázek �íslo 17 ukazuje zm�nu ITT v závislosti na recykla�ních cyklech pro dva typy vytla�ovacího polypropylenu.

Obr. �. 17 : Závislost zm�ny ITT ( MFI ) na po�tu regranulací pro dva typy vytla�ovacího polypropylenu

Zm��ené hodnoty ITT jsou u kompozit� a jejich slo�ek d�le�ité nejen z pohledu teplotních parametr� a doby výdr�e na zpracovatelské teplot� – tepelná zát�, ale i z pohledu smykové zát�e p�i p�íprav� polymerní taveniny, p�i nastavení parametr� plastikace – zp�tný odpor na šneku, obvodová rychlost šneku a z ní vyplývající otá�ky šneku – která má, mimo jiné, vliv i na dispergaci plniv a aditiv v polymerní tavenin�, v�etn� délkové degradace vláknitých plniv. Vyšší hodnoty parametr� plastika�ní fáze vst�ikovacího procesu na jedné stran� zlepšují dispergaci, ale na stran� druhé zvyšují smykové namáhání polymerní taveniny. P�íklad zm�ny ITT v závislosti na dob� výdr�e materiálu na zpracovatelské teplot� ukazuje obrázek �íslo 18.

Obr. �. 18 : Vliv teploty a doby výdr�e na zpracovatelské teplot� na ITT pro PP

Nap�íklad – ITT recyklátu z PET lahve (ITT = 145 g/10 min za daných podmínek zkoušky) je cca p�tkrát vyšší ne� u b�ného vst�ikovacího PET granulátu (ITT = 32 g/10 min,stejné podmínky zkoušky). D�vodem je sní�ení molekulové hmotnosti hydrolytickou degradací p�i mechanické recyklaci. Takovýto nep�íznivý ú�inek na ITT recyklovaného PET je mo�no �ešit p�i recyklaci p�idáním funk�ního aditiva,kterým se prodlou�í makromolekulární �et�zce. Prodlu�ování �et�zce se také osv�d�ilo p�i zvyšování molekulové hmotnosti u b�ného granulátu PET. Podobné sní�ení ITT bylo pozorováno u biodegradabilního polyesteru PLA (PLA ,kyselina polymlé�ná). I u ní se pro zvýšení molekulové hmotnosti pou�ívá prodlu�ova� makromolekulárního �et�zce. Výb�r nevhodného prodlu�ova�e �et�zce m��e vést ke zvýšení ITT tím, �e p�sobí jako zm�k�ovadlo.

Jak ji� bylo uvedeno p�i zpracování polymerních materiál� vst�ikováním je vst�ikovaný   materiál vystaven teplotám, oxida�ní i smykovou degradaci, které mohou zp�sobovat molekulární št�pení a tím i sní�ení molekulové hmotnost. Pokles molekulové hmotnosti je obecn� charakterizovaný zm�nami ITT daného granulátu.

Z uvedeného vyplývá, �e zm�na indexu toku polymerní taveniny p�i vst�ikování konkrétního výst�iku m��e také být kontrolní jakostní hodnotou pro kvalitativní hodnocení daného výst�iku, respektive jeho vst�ikovacího procesu a optimáln� nastavených technologických procesních parametr�. Takové nep�ímé hodnocení kvality výst�ik� je výhodné pou�ívat u materiál� náchylných k degradaci, zejména k degradaci smykové (krom� p�ípravy polymerní taveniny v plastika�ní komo�e vst�ikovacího stroje je kontrolováno i pln�ní tvarové dutiny formy p�es rozvodný systém vst�ikovací formy,zejména vtokového ústí). Z hodnoty ITT zjišt�né p�i vst�ikování OK výst�iku, který byl vyhodnocen na základ� p�edepsaných kvalitativních kritérií a porovnané s hodnotou ITT zjišt�ného p�i pr�chodu od�ezk� z práv� vyrobeného výst�iku kapilárním viskozimetrem je mo�no usoudit, zda je molekulová hmotnost u obou výst�ik� porovnatelná (mají stejné ITT,respektive jsou v ur�eném toleran�ním poli) a tedy i jejich kvalitativní vlastnosti budou stejné.   

Konec �tvrté �ásti. Pokra�ování poslední �ásti 27. 12. 2024 

První �ást naleznete zde. 

Druhou �ást naleznete zde.

T�etí �ást naleznete zde. 

Ilustra�ní foto: AI