Показатель Текучести Расплава Полимеров: Полное Руководство и Таблицы по ГОСТ 11645-2021
Навигация по таблицам
- Таблица 1: Значения ПТР для различных полимеров и методов переработки
- Таблица 2: Условия испытаний по ГОСТ 11645-2021 для разных полимеров
- Таблица 3: Реологические характеристики основных термопластов
Таблица 1: Значения ПТР для различных полимеров и методов переработки
| Полимер | ПТР для литья под давлением, г/10 мин | ПТР для экструзии, г/10 мин | ПТР для выдувного формования, г/10 мин | Температура испытания, °C |
|---|---|---|---|---|
| Полиэтилен низкого давления (ПЭНД) | 5-20 | 0,3-3,0 | 0,2-1,5 | 190 |
| Полиэтилен высокого давления (ПЭВД) | 8-25 | 1,5-5,0 | 0,3-2,0 | 190 |
| Линейный полиэтилен низкой плотности (ЛПЭНП) | 10-30 | 1,0-4,0 | 0,5-2,5 | 190 |
| Полипропилен (ПП) | 10-35 | 2,0-8,0 | 0,5-3,0 | 230 |
| Полистирол (ПС) | 8-30 | 3,0-10,0 | 1,0-5,0 | 200 |
| АБС-пластик | 15-40 | 5,0-15,0 | 3,0-10,0 | 220 |
| Полиамид 6 (ПА-6) | 12-50 | 8,0-25,0 | — | 235 |
| Поликарбонат (ПК) | 6-20 | 4,0-12,0 | — | 300 |
| Полиэтилентерефталат (ПЭТ) | 15-40 | — | 0,7-1,5 | 275 |
| Поливинилхлорид (ПВХ) | 5-15 | 0,5-3,0 | — | 150-200 |
Таблица 2: Условия испытаний по ГОСТ 11645-2021 для разных полимеров
| Полимер | Температура испытания, °C | Нагрузка, кг | Длина капилляра, мм | Диаметр капилляра, мм |
|---|---|---|---|---|
| Полиэтилен низкого давления | 190 | 5,0 или 21,6 | 8,000 ± 0,025 | 2,095 ± 0,005 |
| Полиэтилен высокого давления | 190 | 2,16 | 8,000 ± 0,025 | 2,095 ± 0,005 |
| Полипропилен | 230 | 2,16 или 5,0 | 8,000 ± 0,025 | 2,095 ± 0,005 |
| Полистирол | 200 | 5,0 | 8,000 ± 0,025 | 2,095 ± 0,005 |
| АБС-пластик | 220 | 10,0 | 8,000 ± 0,025 | 2,095 ± 0,005 |
| Полиамиды | 235-275 | 2,16 или 5,0 | 8,000 ± 0,025 | 2,095 ± 0,005 |
| Поликарбонат | 300 | 1,2 | 8,000 ± 0,025 | 2,095 ± 0,005 |
| ПВХ (пластифицированный) | 150-190 | 2,16 или 5,0 | 8,000 ± 0,025 | 2,095 ± 0,005 |
Таблица 3: Реологические характеристики основных термопластов
| Полимер | Температура плавления, °C | Температура переработки, °C | Индекс течения (n) | Область применения |
|---|---|---|---|---|
| ПЭВД | 105-115 | 180-240 | 0,3-0,5 | Пленки, упаковка, тара |
| ПЭНД | 125-135 | 200-260 | 0,4-0,6 | Трубы, изделия литья, тара |
| Полипропилен | 160-170 | 220-280 | 0,35-0,55 | Автодетали, тара, волокна |
| Полистирол | — | 180-260 | 0,4-0,6 | Упаковка, посуда, игрушки |
| АБС-пластик | — | 200-260 | 0,35-0,5 | Корпуса, автодетали, электроника |
| Полиамид 6 | 215-220 | 240-290 | 0,3-0,45 | Механические детали, волокна |
| Поликарбонат | 220-230 | 280-320 | 0,4-0,55 | Оптика, медизделия, электроника |
| ПЭТ | 250-260 | 270-290 | 0,35-0,5 | Бутылки, волокна, пленки |
Оглавление статьи
- 1. Введение в реологию расплавов полимеров
- 2. Показатель текучести расплава: основные понятия и значение
- 3. Методы определения ПТР по ГОСТ 11645-2021
- 4. Реологические свойства и кривые течения полимеров
- 5. Применение ПТР в различных методах переработки
- 6. Факторы, влияющие на показатель текучести расплава
- 7. Практическое применение и контроль качества
- Часто задаваемые вопросы
1. Введение в реологию расплавов полимеров
Реология представляет собой науку о деформации и течении материалов под действием приложенных напряжений. В области полимерной промышленности реология расплавов играет критически важную роль, поскольку практически все методы переработки полимеров основаны на переводе материала в вязкотекучее состояние и формовании изделий именно в этом состоянии.
Расплавы полимеров обладают уникальными реологическими свойствами, существенно отличающимися от обычных низкомолекулярных жидкостей. Они представляют собой неньютоновские жидкости, вязкость которых зависит не только от температуры, но и от скорости сдвига, напряжения сдвига и предыстории материала. Это обусловлено особой структурой полимеров, состоящих из длинных макромолекулярных цепей.
Понимание реологического поведения полимерных расплавов необходимо для оптимизации технологических процессов переработки, таких как литье под давлением, экструзия, выдувное формование и ротационное формование. Правильный выбор материала с соответствующими реологическими характеристиками позволяет обеспечить качественное заполнение форм, минимизировать дефекты изделий и повысить производительность оборудования.
2. Показатель текучести расплава: основные понятия и значение
Показатель текучести расплава (ПТР), известный в международной практике как MFI (Melt Flow Index) или MFR (Melt Flow Rate), является основной стандартизированной характеристикой, описывающей реологическое поведение термопластичных полимеров. Это условная величина, которая определяется как масса полимера в граммах, выдавливаемая через стандартный капилляр при заданных температуре и нагрузке за 10 минут.
Физический смысл ПТР
Показатель текучести расплава характеризует вязкость полимера в расплавленном состоянии при определенных условиях испытания. Чем выше значение ПТР, тем более текучим является расплав и тем ниже его вязкость. Это свойство напрямую связано с молекулярной массой полимера: материалы с более высокой молекулярной массой имеют более низкий ПТР, поскольку длинные макромолекулярные цепи создают большее сопротивление течению.
ПТР = (600 × m) / t
где:
ПТР - показатель текучести расплава, г/10 мин
600 - стандартное время, равное 600 секундам (10 минут)
m - средняя масса экструдируемых отрезков, г
t - промежуток времени между двумя последовательными срезами отрезков, с
Связь ПТР с молекулярной массой
Между показателем текучести расплава и молекулярной массой полимера существует обратная корреляция. При увеличении молекулярной массы полимера значение ПТР снижается, поскольку более длинные макромолекулы создают большее сопротивление течению. Эта зависимость имеет важное практическое значение при выборе материала для конкретного метода переработки.
Ограничения метода ПТР
Важно понимать, что ПТР является условной характеристикой и имеет определенные ограничения. Этот показатель измеряется при одном фиксированном значении напряжения сдвига и характеризует только одну точку на кривой течения полимера в области относительно низких скоростей сдвига. Поэтому полимеры с одинаковым ПТР, но различающиеся по молекулярно-массовому распределению или степени разветвленности макромолекул, могут вести себя по-разному в реальных условиях переработки.
3. Методы определения ПТР по ГОСТ 11645-2021
В Российской Федерации определение показателя текучести расплава термопластов регламентируется актуальным стандартом ГОСТ 11645-2021 «Пластмассы. Методы определения показателя текучести расплава термопластов», который был введен в действие с 1 сентября 2022 года взамен ГОСТ 11645-73. Новый стандарт гармонизирован с международными стандартами ISO 1133-1:2011 и ASTM D1238, что обеспечивает сопоставимость результатов испытаний, проводимых в разных странах.
Оборудование для измерения ПТР
Для определения показателя текучести расплава используется специальный прибор, называемый экструзионным пластометром. В отечественной практике наиболее распространены приборы типа ИИРТ (Институт исследования резины и термопластов). Пластометр состоит из следующих основных элементов:
Экструзионная камера: цилиндрический резервуар с внутренним диаметром от 9,500 до 10,000 миллиметров (по ГОСТ 11645-2021), изготовленный из нержавеющей стали, в который загружается испытуемый полимер.
Капилляр: стандартизированная фильера длиной 8,000 ± 0,025 миллиметров и диаметром 2,095 ± 0,005 миллиметров, через которую продавливается расплав полимера.
Поршень: подвижный элемент с грузами, создающий необходимое давление на материал. Масса поршня и грузов стандартизирована и составляет от 0,325 до 21,6 килограмма в зависимости от испытуемого материала.
Система нагрева и термостатирования: обеспечивает поддержание заданной температуры испытания с точностью до 0,5 градусов Цельсия.
Методика проведения испытания
Процедура определения ПТР включает несколько последовательных этапов. Сначала экструзионную камеру нагревают до заданной температуры испытания и выдерживают в течение 15 минут для стабилизации температурного режима. Затем в камеру загружают навеску испытуемого полимера. Величина навески зависит от предполагаемого значения ПТР и составляет от 3 до 8 граммов.
После загрузки материала в камеру вводят поршень с грузом и выдерживают систему под давлением в течение времени, указанного в стандарте на конкретный материал. Для полиэтилена это время составляет 4-5 минут, для полистирола - 10 минут. За это время полимер полностью расплавляется, а температура системы стабилизируется после введения холодного материала.
После окончания времени выдержки начинают основное измерение. Нагруженный поршень под действием силы тяжести опускается, продавливая расплав через капилляр. Экструдат, выходящий из капилляра, отрезают через равные промежутки времени. Для получения достоверного результата необходимо получить не менее трех отрезков. Каждый отрезок взвешивают с точностью до 0,001 грамма, после чего рассчитывают среднюю массу.
Пример расчета для полипропилена:
Условия испытания: T = 230°C, нагрузка = 2,16 кг
Масса трех отрезков: 0,285 г, 0,290 г, 0,288 г
Средняя масса: m = (0,285 + 0,290 + 0,288) / 3 = 0,288 г
Время между срезами: t = 30 с
ПТР = (600 × 0,288) / 30 = 5,76 г/10 мин
Стандартные условия испытаний
ГОСТ 11645-2021 регламентирует стандартные условия испытаний для различных термопластов. Наиболее часто используются следующие условия: для полиэтилена низкого давления температура испытания составляет 190 градусов Цельсия при нагрузке 5,0 или 21,6 килограмма, для полиэтилена высокого давления - 190 градусов при нагрузке 2,16 килограмма, для полипропилена - 230 градусов при нагрузке 2,16 или 5,0 килограмма.
4. Реологические свойства и кривые течения полимеров
Для полного понимания реологического поведения полимерных расплавов необходимо рассмотреть их характеристики в широком диапазоне скоростей и напряжений сдвига. Расплавы полимеров являются неньютоновскими жидкостями, то есть их вязкость не остается постоянной, а изменяется в зависимости от условий течения.
Неньютоновское поведение полимеров
Ньютоновской называется жидкость, для которой выполняется простое соотношение между напряжением сдвига и скоростью сдвига, описываемое законом Ньютона. Коэффициент пропорциональности в этом уравнении представляет собой динамическую вязкость, которая остается постоянной при данных температуре и давлении. Примерами ньютоновских жидкостей являются вода, минеральные масла и другие низкомолекулярные жидкости.
Расплавы полимеров не подчиняются закону Ньютона. Их вязкость зависит от скорости сдвига, напряжения сдвига, времени воздействия и предыстории материала. Это обусловлено особенностями структуры полимеров, состоящих из длинных гибких макромолекулярных цепей, которые могут изменять свою конформацию и ориентацию под действием течения.
Кривые течения и вязкости
Зависимость напряжения сдвига от скорости сдвига называется кривой течения, а зависимость вязкости от скорости или напряжения сдвига - кривой вязкости. Для большинства расплавов полимеров характерна так называемая аномалия вязкости или псевдопластичное поведение, при котором вязкость снижается с увеличением скорости сдвига.
Типичная кривая вязкости для полимерного расплава в логарифмических координатах имеет S-образную форму и включает три характерные области. Первая область при низких скоростях сдвига соответствует наибольшей ньютоновской вязкости, когда вязкость практически не зависит от скорости деформации. Вторая область характеризуется значительным снижением вязкости с ростом скорости сдвига - это область псевдопластичного течения. Третья область при очень высоких скоростях сдвига соответствует наименьшей ньютоновской вязкости.
Индекс течения
Для практических расчетов часто используется степенной закон течения, также известный как модель Оствальда-де-Виля. Показатель степени n в этом уравнении называется индексом течения и характеризует степень отклонения поведения расплава от ньютоновского. Для ньютоновских жидкостей индекс течения равен единице. Для большинства расплавов полимеров значение n находится в диапазоне от 0,3 до 0,6, что указывает на выраженное псевдопластичное поведение.
Вязкоупругие свойства
Расплавы полимеров обладают не только вязкими, но и упругими свойствами. При деформировании полимера одновременно развиваются три вида деформации: мгновенная упругая деформация, высокоэластическая деформация и необратимая вязкая деформация. Наличие упругой составляющей приводит к ряду специфических эффектов, таких как разбухание экструдата при выходе из фильеры, эффект Вайсенберга при вращении вала в расплаве, а также восстановление формы после снятия нагрузки.
5. Применение ПТР в различных методах переработки
Показатель текучести расплава является ключевым параметром при выборе марки полимера для конкретного метода переработки. Различные технологические процессы предъявляют разные требования к реологическим свойствам материала, что находит отражение в рекомендуемых диапазонах значений ПТР.
Литье под давлением
Литье под давлением является одним из наиболее распространенных методов переработки термопластов. Этот процесс требует быстрого заполнения формы расплавом полимера через узкие каналы литниковой системы. Для успешного литья необходим материал с достаточно высокой текучестью, чтобы обеспечить полное заполнение формы до начала затвердевания.
Для литья под давлением обычно используют марки полимеров с показателем текучести расплава в диапазоне от 5 до 40 граммов за 10 минут, в зависимости от конкретного полимера и сложности изделия. Полиэтилен низкого давления для литья имеет ПТР 5-20, полипропилен 10-35, полистирол 8-30, АБС-пластик 15-40 граммов за 10 минут. Более сложные изделия с тонкими стенками требуют материалов с более высоким ПТР для обеспечения полного заполнения формы.
Экструзия
Экструзия представляет собой процесс непрерывного продавливания расплава полимера через формующую головку для получения изделий с постоянным поперечным сечением, таких как трубы, профили, пленки и листы. В отличие от литья под давлением, экструзия требует материалов с более низкой текучестью, чтобы обеспечить стабильность формы выходящего экструдата и предотвратить его провисание или деформацию.
Для экструзии труб используют полимеры с ПТР в диапазоне 0,3-1,5 граммов за 10 минут, для производства пленок методом экструзии с раздувом рекомендуется ПТР 1,5-5,0 граммов за 10 минут. Полипропилен для экструзии профилей имеет ПТР 2,0-8,0, полистирол для листовой экструзии - 3,0-10,0 граммов за 10 минут. Более низкие значения ПТР обеспечивают лучшую прочность расплава и стабильность размеров готового изделия.
Выдувное формование
Выдувное формование применяется для производства полых изделий, таких как бутылки, канистры, емкости и другие контейнеры. Процесс включает экструзию трубчатой заготовки, называемой преформой или рукавом, с последующим раздувом ее воздухом в форме. Для выдувного формования требуются материалы с особыми реологическими свойствами.
Расплав полимера для выдувного формования должен обладать достаточной прочностью, чтобы преформа не провисала под собственным весом и не рвалась при раздуве. Это достигается использованием марок полимеров с относительно низким ПТР в диапазоне от 0,2 до 3,0 граммов за 10 минут. Полиэтилен высокого давления для выдувных бутылок имеет ПТР 0,3-2,0, полипропилен 0,5-3,0, полистирол 1,0-5,0 граммов за 10 минут.
Ротационное формование
Ротационное формование используется для производства крупногабаритных тонкостенных изделий из порошкообразных или жидких полимеров. Метод основан на загрузке материала в форму, которая вращается в двух плоскостях внутри печи. Для ротоформования обычно используют полимеры в виде тонкого порошка с относительно низким ПТР 3-10 граммов за 10 минут, что обеспечивает хорошее спекание частиц и формирование однородной структуры изделия.
6. Факторы, влияющие на показатель текучести расплава
Показатель текучести расплава не является постоянной характеристикой материала, а зависит от множества факторов, которые необходимо учитывать при работе с полимерами.
Молекулярная масса и молекулярно-массовое распределение
Молекулярная масса полимера является основным фактором, определяющим его реологические свойства. Существует четкая обратная зависимость между молекулярной массой и показателем текучести расплава. При увеличении молекулярной массы полимера значение ПТР снижается. Это объясняется тем, что более длинные макромолекулярные цепи создают большее сопротивление течению за счет большего количества межмолекулярных зацеплений и взаимодействий.
Молекулярно-массовое распределение также влияет на реологическое поведение. Полимеры с узким молекулярно-массовым распределением имеют более выраженную зависимость вязкости от скорости сдвига по сравнению с полимерами, имеющими широкое распределение. Для характеристики молекулярно-массового распределения используют соотношение показателей текучести расплава при разных нагрузках, называемое FRR (Flow Rate Ratio).
Температура
Температура оказывает значительное влияние на вязкость расплавов полимеров. С повышением температуры вязкость снижается, что приводит к увеличению показателя текучести расплава. Зависимость вязкости от температуры для большинства полимеров описывается экспоненциальным уравнением Аррениуса. Энергия активации течения для полимерных расплавов составляет от 30 до 80 килоджоулей на моль.
Пример для полипропилена:
При температуре 230°C: ПТР = 12 г/10 мин
При температуре 250°C: ПТР = 25 г/10 мин
Увеличение температуры на 20°C приводит к росту ПТР примерно в 2 раза.
Разветвленность макромолекул
Степень разветвленности макромолекулярных цепей существенно влияет на реологические свойства полимера. Разветвленные полимеры, такие как полиэтилен высокого давления, имеют более низкую вязкость и более высокий ПТР по сравнению с линейными полимерами той же молекулярной массы. Это связано с тем, что разветвленные молекулы имеют более компактную структуру и меньше межмолекулярных зацеплений.
Наполнители и добавки
Введение наполнителей и различных добавок в полимерную композицию изменяет ее реологические характеристики. Минеральные наполнители, такие как мел, тальк, каолин, обычно снижают текучесть расплава и уменьшают значение ПТР. Волокнистые наполнители, такие как стекловолокно, оказывают еще более выраженное влияние, создавая пространственную структуру в расплаве.
Специальные добавки, называемые процессинговыми или пластифицирующими, могут увеличивать текучесть расплава. Эти добавки действуют как внутренняя смазка, снижая сдвиговые напряжения между макромолекулами полимера. Их использование позволяет перерабатывать материалы с низкой исходной текучестью при более низких температурах и давлениях.
Влажность материала
Присутствие влаги в полимере может существенно влиять на его реологические свойства и качество переработки. Многие полимеры, особенно полиамиды, поликарбонат, полиэтилентерефталат, обладают высокой гигроскопичностью и способны поглощать влагу из окружающей среды. При нагреве влажного материала происходит гидролиз полимерных цепей, что приводит к снижению молекулярной массы и повышению ПТР.
7. Практическое применение и контроль качества
Определение показателя текучести расплава является важнейшей процедурой контроля качества полимерного сырья на всех этапах производственного цикла, от входного контроля материала до мониторинга стабильности процесса переработки.
Входной контроль сырья
При поступлении полимерного сырья на предприятие переработки обязательно проводится входной контроль, включающий определение ПТР. Это позволяет убедиться в соответствии материала заявленной марке и выявить возможные отклонения от стандартных характеристик. Значение ПТР сравнивается с паспортными данными производителя полимера. Допустимое отклонение обычно составляет 10-15 процентов от номинального значения.
Особенно важен контроль ПТР при использовании вторичных полимеров, поскольку переработанные материалы часто имеют нестабильные характеристики из-за неоднородности состава, термической и механической деструкции при предыдущих циклах переработки. Определение ПТР позволяет оценить степень деструкции материала и принять решение о возможности его использования.
Контроль стабильности процесса
Периодическое определение ПТР образцов готовых изделий или расплава в процессе переработки позволяет контролировать стабильность технологического процесса. Изменение значения ПТР может указывать на различные проблемы, такие как термическая деструкция полимера из-за перегрева, загрязнение материала посторонними примесями, неправильная дозировка добавок или смешивание разных марок полимера.
Оптимизация рецептур композиций
При разработке полимерных композиций с наполнителями, красителями и различными добавками показатель текучести расплава используется для оценки перерабатываемости полученного материала. Измерение ПТР на разных стадиях компаундирования позволяет подобрать оптимальное соотношение компонентов, обеспечивающее требуемые технологические свойства при сохранении физико-механических характеристик готового изделия.
Прогнозирование поведения при переработке
Хотя показатель текучести расплава характеризует только одну точку на кривой течения полимера, он позволяет сделать первичную оценку пригодности материала для конкретного метода переработки. Существуют эмпирические корреляции, связывающие ПТР с параметрами процессов литья под давлением, экструзии и выдувного формования.
Для более точного прогнозирования реологического поведения полимера в условиях переработки используют дополнительные методы испытаний, такие как капиллярная вискозиметрия при различных скоростях сдвига, ротационная вискозиметрия, динамические механические испытания. Эти методы позволяют получить полную кривую течения материала и определить значения вязкости в широком диапазоне условий.
Документирование результатов
Результаты определения ПТР должны быть оформлены в виде протокола испытаний, в котором указываются все условия проведения измерения: марка и производитель материала, температура испытания, нагрузка, время выдержки, масса отдельных отрезков экструдата и рассчитанное значение ПТР. Протоколы испытаний хранятся как часть документации системы контроля качества предприятия и могут использоваться для анализа тенденций изменения свойств материалов и выявления проблем в технологическом процессе.
