Politechnika Łódzka

Wydział Chemiczny

INSTRUKCJA LABORATORIUM

„Wyznaczanie współczynników płynięcia polimerów” (Melt flow index determination)

realizowanego w ramach Zadania nr 9

pn. „Doposażenie laboratorium pod nazwą Materiały i nanomateriały polimerowe jako materiały inżynierskie”

Instrukcję opracowała:

mgr inż. Marcin Masłowski

Łódź, 2010

SPIS TREŚCI

1. CEL ĆWICZENIA (Aim of studies)

2. WPROWADZENIE (Introduction)

2.1. Materiałoznawstwo tworzyw sztucznych

2.2. Reometria

2.3. Wskaźnik szybkości płynięcia WSP

3. PRZEBIEG ĆWICZENIA (Procedure)

3.1. Aparatura pomiarowa

3.2. Warunki wyznaczania wskaźnika szybkości płynięcia dla różnych tworzyw sztucznych.

3.3. Wykonanie pomiarów

4. OPRACOWANIE SPRAWOZDANIA (Report)

5. LITERATURA(References)

6. PRZYKŁADOWE PYTANIA SPRAWDZAJĄCE (Problems)

7. EFEKTY KSZTAŁCENIA (Learning outcomes)

8. TELEFONY ALARMOWE (Emergency numbers)

1. CEL ĆWICZENIA (Aim of studies)

Wyznaczanie wskaźnika szybkości płynięcia WSP (ang. MFI – Melt flow index) jest jedną z najczęściej stosowanych metod określających właściwości reologiczne polimerów w praktyce przemysłowej. Celem ćwiczenia jest wyznaczenie wskaźników szybkości płynięcia (masowego – MFR oraz objętościowego – MVR) według standardów A i B normy ISO 1133 dla różnych polimerów.

2. WPROWADZENIE (Introduction)

   1. Materiałoznawstwo tworzyw sztucznych

Polimery są materiałami, które wykazują złożone właściwości ciał stałych i cieczy w skali czasu, która umożliwia ich obserwację w życiu codziennym. Właściwości te ujawniają się praktycznie m.in. w procesach przetwórstwa polimerowych tworzyw sztucznych.

Tworzywa sztuczne są organicznymi lub pół-organicznymi materiałami o dużym ciężarze cząsteczkowym. Składają się z bardzo dużych cząstek (makrocząsteczki), które decydują o ich specyficznych właściwościach. Klasyfikacja tworzyw sztucznych przedstawiona na rys. 1 obejmuje wszystkie rodzaje tych materiałów (za podstawowe kryterium podziału przyjęto strukturę cząsteczkową).

Znana jest ogromna liczba rodzajów materiałów polimerowych bądź tworzyw sztucznych. Żadna inna ze znanych grup materiałowych, nawet w przybliżeniu nie prezentuje tak dużej różnorodności typów i odmian. Materiały polimerowe charakteryzują się maksymalną rozpiętością właściwości. W prawie wszystkich dziedzinach życia człowieka polimery znalazły zastosowanie jako tworzywa podstawowe lub specjalne materiały funkcjonalne.

Rys. 1. Klasyfikacja tworzyw sztucznych w zakresie materiałowym.

Na skutek złożonej struktury chemicznej i morfologicznej, jak również dużych różnic w składzie i wielkości modyfikacji materiałowej, tworzywa sztuczne zachowują się w sposób skomplikowany, co powinno być uwzględnione podczas ich stosowania i przetwórstwa. Można tu wymienić np. lepkosprężystość, i sprężystość entropową, płynięcie nienewtonowskie, kompleksowe starzenie się, stopień krystaliczności i ciekłokrystaliczności, anizotropię zależną od stopnia orientacji i modyfikacji i inne. Opis tych właściwości wymaga stosowania różnych metod kontrolnych, tak aby można było otrzymać jednopunktowe dane dotyczące oznaczanej właściwości lub oceny jej zmian w funkcji wybranych parametrów.

Tworzywa sztuczne można poddawać procesom przetwórczym, takim jak: obróbka wstępna, przetwarzanie i obróbka całkowita. Znana jest ogromna liczba metod i sposobów przetwarzania tych materiałów. Dominują metody kształtowania pierwotnego i wtórnego tworzyw sztucznych, które w ramach energooszczędnych procesów umożliwiają wysoka wydajność produkcji wraz z bardzo dobrym wykorzystaniem surowców, jak również małą liczbę etapów procesu. Kształtowanie i przetwarzanie tworzyw (np. wulkanizowanie, utwardzanie) w określonych warunkach przetwórstwa przebiega jednocześnie. Szczególnie dla tworzyw termoplastycznych istnieją sprzyjające warunki recyklingu w zamkniętych obiegach tworzyw. Należy brać pod uwagę możliwość wpływania warunków procesu na jakość produktu. Tak więc, optymalizacja parametrów procesów technologicznych i zapewnienie odpowiedniej jakości wyrobu gotowego powinny mieć decydujące znaczenie.

Skuteczne formowanie części z tworzyw sztucznych wymaga korelacji między właściwym doborem rodzaju surowca, a proponowanym procesem produkcji. Jest to wynikiem szczególnych właściwości poszczególnych tworzyw sztucznych, które determinują warunki prowadzenia procesu przetwórczego.

Koszty produkcji wyrobów polimerowych w znacznym stopniu zależą od kosztów surowców. Jednocześnie z czynnikami ekonomicznymi coraz częściej trzeba uwzględniać czynniki ekologiczne. Celowy wybór materiałów i konstrukcji materiałooszczędnych – to skuteczne metody wpływające na ekonomikę produkcji i ekologiczne stosowanie tworzyw sztucznych. Szczególne właściwości tworzyw sztucznych umożliwiają integrację działań prowadzącą do zmniejszenia liczby etapów produkcji i tym samym ograniczenie kosztów. Podobne działania obejmują zagadnienia konstrukcyjne wyrobów, które uwzględniają dodatkowo wymogi recyklingu.

Proces przetwórstwa polimerów składa się z trzech charakterystycznych faz:

• wstępnej obróbki surowców,

• wytwarzania i obrabiania wyrobu

• obróbki wykończeniowej

Podczas obróbki wstępnej nadaje się tworzywom postać potrzebną do ich dalszego przetwórstwa. Na tym etapie na ogół łączy się polimer ze środkami modyfikującymi jego właściwości. Jeśli podczas przetwarzania zachodzą w polimerze przemiany chemiczne, to zmieniają właściwości tłoczywa w stosunku do założonych. W razie potrzeby przerabia się półprodukty z tworzyw na wyroby końcowe przez przetwarzanie wtórne, obróbkę wirową, spawanie i inne. Można także montować lub konfekcjonować pojedyncze części formowane, obrabiane i/lub półprodukty do postaci produktów końcowych. Podczas trwania fazy wykończającej, zgodnie z założeniami, przeprowadza się obróbkę ostateczną (np. okrawanie), powierzchniową i uszlachetniającą (np. metalizacja, zadrukowywanie, flokowanie) oraz zamianę właściwości materiałów (np. kondycjonowanie, wygrzewanie). Tworzywa mogą przyjmować postać proszku, przemiału, suchej sproszkowanej mieszanki, aglomeratu, granulatu (tabletek), prepregu, prefiksu, pasty, roztworu, zawiesiny, emulsji, lateksu i innych.

1. Reometria

Reometria jest nauką o pomiarach właściwości reologicznych materiałów, a więc o pomiarach naprężeń i odkształceń. Są one realizowane za pomocą reometrów.

Celem badań reometrycznych jest wyznaczanie charakterystyk reologicznych materiału. Są to funkcje materiałowe:

• modułu relaksacji naprężeń G(t),

• modułów i lepkości dynamicznych: modułu zespolonego G*(ω), modułu zachowawczego G’(ω) i modułu stratności G’’(ω) oraz lepkości zespolonej η*(ω), lepkości dynamicznej η’(ω) i lepkości sprężystej η’’(ω),

• Lepkości poprzecznej (przy ścinaniu) η(γ) oraz współczynnik pierwszej i drugiej różnicy naprężeń normalnych ψ₁(γ), ψ₂(γ),

• Lepkości podłużnej (przy rozciąganiu) η_e(ε),

Podstawowe znaczenie w opisie procesów przetwórstwa tworzyw mają wiskozymetryczne funkcje lepkości poprzecznej i współczynników różnic naprężeń normalnych oraz funkcja lepkości podłużnej.

Badania reometryczne są zwykle realizowane przez pomiar sił lub momentów, które reprezentują stan naprężenia w materiale oraz pomiar przemieszczeń lub prędkości, reprezentujących odkształcenia lub prędkości odkształcenia tego materiału. Istnieje także grupa metod optycznych, w których przedmiotem pomiaru podczas eksperymentu są pewne optyczne właściwości próbki. Wykorzystuje się wówczas zjawiska absorpcji energii, rozpraszania promieniowania lub dwójłomności optycznej.

Metody reometryczne można podzielić na dwie grupy, w zależności od warunków kinetycznych pomiaru:

• metody realizowane w warunkach ścinania,

• metody realizowane w warunkach rozciągania.

Metody reometryczne umożliwiają wyznaczanie złożonych charakterystyk (funkcji) materiałowych polimerów, np. funkcji lepkości i współczynników naprężeń normalnych. Są one jednak kosztowne i czasochłonne. Dlatego też często w praktyce przemysłowej stosuje się metody umownej oceny właściwości reologicznych tworzyw, na podstawie tzw. wskaźników płynięcia. Podstawowe znaczenie ma wskaźnik szybkości płynięcia WSP (Melt Flow Index, MFI). Znane są również metody przybliżonego wyznaczania krzywych lepkości na podstawie tylko jednego reometrycznego punktu pomiarowego, np. WSP. Obie metody można zaliczyć do jednopunktowych metod reometrycznych.

1. Wskaźnik szybkości płynięcia WSP

Dokładne wyznaczanie krzywych lepkości tworzyw, tzn. zależności lepkości od szybkości ścinania jest kosztowne i czasochłonne. Dlatego w praktyce przemysłowej większość tworzyw jest charakteryzowana w tym zakresie jedynie przez wskaźnik szybkości płynięcia WSP. Jest on definiowany przez masowe natężenie przepływu tworzywa wypływającego z kapilary w znormalizowanych warunkach.

Wskaźnik szybkości płynięcia – WSP (Melt Flow Index – MFI)

Liczba wyrażająca ilość tworzywa termoplastycznego, będącego w stanie plastycznym, przepływającego przez dyszę kołową o ustalonych wymiarach (stosunek długości dyszy do jej średnicy wynosi 3,8 lub 6,8), w ciągu danego czasu, pod określonym ciśnieniem oraz w danej temperaturze. Należy do najstarszych wskaźników przetwarzalności i jest powszechnie stosowana w przetwórstwie tworzyw termoplastycznych

Wyróżniamy:

• masowy wskaźnik szybkości płynięcia (MFR)

Masa tworzywa termoplastycznego przepływającego przez dyszę kołową w znormalizowanych warunkach. Wyrażony w jednostce masy odniesionej do jednostki czasu (g/10min).

• objętościowy wskaźnik szybkości przepływu (MVR)

Objętość tworzywa termoplastycznego przepływającego przez dyszę kołową w znormalizowanych warunkach. Wyrażony w jednostce objętości odniesionej do jednostki czasu (cm³/10min).

Wskaźnik szybkości płynięcia jest miarą płynności materiału, a więc odwrotności lepkości. Reprezentuje on jeden punkt na krzywej lepkości tego materiału określonej w temperaturze pomiaru (Rys. 2). Nie definiuje on jednoznacznie badanego materiału i może być taki sam dla tworzyw o różnych charakterystykach lepkości.

Lepkość jest miarą oporów stawianych przez materiał podczas płynięcia. Wyrażona jest jako stosunek naprężenia do szybkości odkształcenia.

gdzie:

τ - naprężenie ścinające

γ - szybkość ścinania

Lepkość polimerów zależy od:

1. Szybkości ścinania

2. Temperatury i ciśnienia

3. Ciężaru cząsteczkowego i stopnia polidyspersji

4. Stopnia usieciowania.

5. Właściwości fizykochemicznych polimeru

Tabela 1. Przykładowe wielkości wskaźnika płynięcia

Proces jednostkowy	Produkt	Zalecany wskaźnik płynięcia
Wytłaczanie	Rury	<0,1
	Płyty, butelki	0,1 – 0,5
	Druty, kable	0,1 - 1
	Folie	9 - 15
Formowanie wtryskowe	Artykuły formowane cienkościenne	1 - 2
	Wyroby grubościenne	3 - 6
Laminaty	Papier laminowany	9 - 15
Formowanie próżniowe	Artykuły	0,2 – 0,5

2. PRZEBIEG ĆWICZENIA (Procedure)

Zasada pomiaru i działania urządzenia polega w pierwszej kolejności na ogrzaniu cylindra do odpowiedniej temperatury oraz umieszczeniu wewnątrz cylindra odpowiedniej ilości polimeru. Następnie tak przygotowane tworzywo dociskamy tłokiem, po czym tłok dociążamy określoną masą. Stopiony polimer w wyniku działającego ciśnienia wypływa poprzez dyszę kołową. Urządzenie tnące obcina wypływającą strugę w określonych odstępach czasu. W trakcie pomiaru rejestrowane są: masowe (MFR) oraz objętościowe (MVR) natężenie przepływu przez dyszę kołową. Temperatura oraz obciążenie tłoka dobiera się indywidualnie dla każdego tworzywa sztucznego.

1. Aparatura pomiarowa

MELT-FLOW-INDEX TESTER

MeltFloW @on plus

1-zestaw obciążników

2-ruchoma platforma

3-podnośnik

4-cylinder

5-regulatory temperatury

6-piec

7-zamykacz dyszy

8-urządzenie tnące

9-podstawa

1. Warunki wyznaczania wskaźnika szybkości płynięcia dla różnych tworzyw sztucznych.

Tabela 2.

Tworzywo sztuczne	Temperatura [C^0]	Obciążenie tłoka [kg]
PE	190	2,16
PP	230	2,16
PMMA	230	3,80
ABS	220	10,00

1. Wykonanie pomiarów.

1. Włączyć urządzenie MeltFlow @on plus

2. Ustawić żądaną temperaturę pieca

3. Włożyć dyszę, oraz tłok dociskowy do cylindra w celu ich ogrzania do odpowiedniej temperatury

4. Poczekać na stabilizację temperatury (ok. 15 min.)

5. Włączyć komputer

6. Włączyć program K-BASE

7. Ustawianie parametrów testu

8. Rozpocząć test

a) wybrać żądaną masę obciążników

b) wyjąć tłok z cylindra

c) napełnić cylinder określoną ilością polimeru (3-8g)

d) włożyć tłok do cylindra i połączyć go z przetwornikiem

e) w przypadku polimerów o wysokim wskaźniku szybkości płynięcia należy zamknąć wylot dyszy

f) czekać aż upłynie czas wstępnego ogrzewania (240s)

g) otworzyć wylot dyszy. Uwaga! W przypadku gdy wylot dyszy nie zostanie otwarty urządzenie tnące ulegnie zniszczeniu.

g) po upływie czasu wstępnego ogrzewania wybrany zestaw obciążników automatycznie opuści się na tłok

h) urządzenie tnące automatycznie po określonym czasie rozpocznie cięcie wypływającej strugi polimeru

1. Po zakończeniu pomiaru należy zebrać wszystkie skrawki obciętej strugi polimeru, następnie po uprzednim zważeniu wprowadzić wartość masy granulek do programu K-BASE celem dokładniejszego wyznaczenia wartości MFR

2. Czynności z punktu 8 i 9 powtórzyć dla wszystkich badanych polimerów:

• Polietylen

• Polipropylen

• Polimetakrylan metylu

• Kopolimer akrylonitryl-butadien-styren

1. Wyczyścić wszystkie części składowe urządzenia

Wyznaczenie wskaźników szybkości płynięcia (masowego – MFR oraz objętościowego – MVR) odbywa się zgodnie ze standardami A i B normy ISO 1133 dla następujących polimerów:

• Polietylen

• Polipropylen

• Polimetakrylan metylu

• Kopolimer akrylonitryl-butadien-styren

(Warunki wyznaczania wskaźników szybkości płynięcia w/w. polimerów zgodnie z obowiązującą normą przedstawiono w tabeli 2)

2. OPRACOWANIE SPRAWOZDANIA (Report)

• Wstęp teoretyczny

• Cel ćwiczenia

• Opis przeprowadzonych doświadczeń wraz z analizą wyników. Wyznaczanie indeksów płynięcia poszczególnych polimerów.

• Opis aparatury użytej do przeprowadzenia badań laboratoryjnych

• Opis podstawowych parametrów prowadzenia procesu (temperatura pieca, obciążenie tłoka, czas wstępnego ogrzewania, itp.)

• Uzyskane wyniki obserwacji należy umieścić w Tabeli 3.

Tabela 3.

Nazwa polimeru	MFR, g/10min	MVR, cm^3/10min

• Wnioski

2. LITERATURA (References)

[1] Przetwórstwo Tworzyw Polimerowych, Praca zbiorowa pod red. R. Sikory, WPL, 2006

[2] Współczesna Wiedza o Polimerach, J.F. Rabek, PWN, 2008

[3] Reologia w przetwórstwie tworzyw sztucznych, K. Wilczynski, WNT, 2001

[4] Tworzywa sztuczne – Poradnik, Saechtling, WNT, 2000

[5] A. Shenoy; Mat. and Struct. 2000, 33, 425-429

[6] M.A. Barrera, J.F. Vega; J. of Mat. Proc. Tech., 2006, 174, 171-177

2. PRZYKŁADOWE PYTANIA SPRAWDZAJĄCE (Problems)

• Wskaźnik szybkości płynięcia – definicja i znaczenie w technologii tworzyw sztucznych

• Rodzaje wskaźnika szybkości płynięcia i ich definicje

• Polimery i tworzywa sztuczne – definicje, podział, przetwórstwo i zastosowania.

• Reometria – definicja, metody badawcze, związek z WSP.

2. EFEKTY KSZTAŁCENIA (Learning outcomes)

Po odbytym ćwiczeniu student powinien wiedzieć: na czym polega i w jakim celu wykonuje się badanie oznaczania indeksów płynięcia polimerów, jaką metodą oraz przy użyciu jakiego aparatu wykonuje się badania oznaczania indeksów płynięcia polimerów oraz jakie rodzaje wskaźników szybkości płynięcia wyróżniamy. Ponadto, student powinien umieć: przeprowadzić badania oznaczania indeksów płynięcia polimerów (MFR, MVR) z wykorzystaniem aparatu MeltFlow @on plus a także analizować uzyskane obserwacje i sformułować logiczne wnioski.

2. TELEFONY ALARMOWE (Emergency numbers)

• Pogotowie ratunkowe: 999

• Straż pożarna: 998

• Policja: 997

• Straż miejska: 986

• Pogotowie ciepłownicze: 993

• Pogotowie energetyczne: 991

• Pogotowie gazowe:992

• Pogotowie wodociągowe:994

• Numer alarmowy z telefonu komórkowego: 112