Содержание статьи
- Введение в вязкость расплава
- Индекс текучести расплава (MFI): основные понятия
- Влияние температуры на вязкость расплава
- Скорость сдвига и неньютоновское поведение
- Выбор материала для различных процессов переработки
- Методы измерения вязкости расплава
- Практические примеры и рекомендации
- Оптимизация процессов переработки
- Часто задаваемые вопросы
Введение в вязкость расплава
Вязкость расплава является одним из ключевых параметров, определяющих технологичность переработки полимерных материалов. Понимание реологического поведения расплавов критически важно для переработчиков, занимающихся литьем под давлением, экструзией, выдувным формованием и другими технологиями.
Вязкость расплава характеризует сопротивление материала течению при заданных условиях температуры и напряжения сдвига. Этот параметр напрямую влияет на производительность оборудования, качество готовых изделий, энергозатраты и стабильность технологического процесса. Для полимерных расплавов характерен широкий диапазон вязкости, который может изменяться на три и более порядка в зависимости от условий переработки.
Индекс текучести расплава (MFI): основные понятия
Индекс текучести расплава (MFI, также известный как MFR – Melt Flow Rate или ПТР – показатель текучести расплава) представляет собой условную величину, характеризующую способность термопластичного полимера к течению при определенных условиях. MFI измеряется в граммах материала, выдавливаемого через стандартный капилляр экструзионного пластометра за 10 минут при заданных температуре и нагрузке.
Методика определения MFI
Измерение проводится согласно международным стандартам ISO 1133 и ASTM D1238, а также российскому ГОСТ 11645-73. Испытательная установка включает:
- Нагретый цилиндр с термостатированием
- Капилляр стандартных размеров (диаметр 2,095 мм, длина 8 мм)
- Поршень с грузом определенной массы
- Систему измерения массы экструдата
| Полимер | Температура испытания, °C | Нагрузка, кг | Стандарт |
|---|---|---|---|
| Полиэтилен (ПЭ) | 190 | 2,16 или 5,0 или 21,6 | ISO 1133, ГОСТ 11645-73 |
| Полипропилен (ПП) | 230 | 2,16 | ISO 1133, ГОСТ 11645-73 |
| Полистирол (ПС) | 190 или 200 | 5,0 | ISO 1133, ASTM D1238 |
| АБС-пластик | 220 | 10,0 | ISO 1133, ASTM D1238 |
| Поликарбонат (ПК) | 300 | 1,2 | ISO 1133 |
| Полиамид (ПА) | 235 или 275 | 2,16 | ISO 1133 |
Интерпретация значений MFI
Значение MFI обратно пропорционально вязкости расплава: чем выше MFI, тем ниже вязкость и легче течет материал. Это связано с молекулярной массой полимера – более высокомолекулярные образцы имеют низкий MFI и высокую вязкость, что обеспечивает лучшие механические свойства готовых изделий, но затрудняет переработку.
Связь MFI с молекулярной массой
Для полимеров с молекулярной массой выше критической вязкость пропорциональна M3,4, где M – средневесовая молекулярная масса. При молекулярных массах ниже критической зависимость становится линейной. Это означает, что небольшое изменение молекулярной массы высокомолекулярного полимера приводит к значительному изменению вязкости и MFI.
Влияние температуры на вязкость расплава
Температура оказывает значительное влияние на вязкость полимерных расплавов. Зависимость вязкости от температуры описывается уравнением Аррениуса или его модификациями. Для большинства полимеров вязкость снижается в 10 раз при повышении температуры на 60-80°C.
Энергия активации вязкого течения
Энергия активации вязкого течения показывает, насколько сильно вязкость зависит от температуры. Для различных полимеров этот параметр варьируется в широких пределах от 15 до 290 кДж/моль в зависимости от химической структуры и гибкости цепей. Чем выше энергия активации, тем сильнее снижается вязкость при нагревании материала.
| Полимер | Температурный диапазон переработки, °C | Типичное снижение вязкости при нагреве на 50°C | Энергия активации, кДж/моль |
|---|---|---|---|
| Полиэтилен НД | 160-240 | В 5-8 раз | 25-45 |
| Полиэтилен ВД | 140-220 | В 6-10 раз | 30-50 |
| Полипропилен | 200-280 | В 6-9 раз | 35-60 |
| Полистирол | 180-260 | В 4-7 раз | 80-100 |
| Поликарбонат | 260-320 | В 8-12 раз | 120-170 |
| Полиамид 6 | 220-280 | В 5-8 раз | 70-100 |
Практический пример: влияние температуры на экструзию полиэтилена
При экструзии трубы из полиэтилена низкой плотности повышение температуры расплава с 180°C до 220°C приводит к снижению вязкости примерно в 6 раз. Это позволяет увеличить производительность линии на 25-35%, но требует контроля за разбуханием экструдата и качеством поверхности изделия. Оптимальная температура подбирается экспериментально с учетом геометрии изделия и скорости формования.
Температурная стабильность полимеров
При выборе температурного режима переработки необходимо учитывать термическую стабильность материала. Перегрев может вызвать термоокислительную деструкцию, что приводит к изменению цвета, снижению молекулярной массы и ухудшению физико-механических свойств готовых изделий. Особенно чувствительны к перегреву поливинилхлорид, полиамиды и некоторые марки полипропилена.
Скорость сдвига и неньютоновское поведение
Полимерные расплавы относятся к неньютоновским жидкостям, для которых вязкость зависит от скорости сдвига. Это принципиально отличает их поведение от простых жидкостей, таких как вода или минеральные масла.
Псевдопластичность полимерных расплавов
Большинство термопластов проявляют псевдопластичное поведение: с увеличением скорости сдвига вязкость снижается. Это явление называется аномалией вязкости или эффектом разжижения при сдвиге. Физическая причина – ориентация и распутывание макромолекул под действием сдвиговых напряжений.
| Процесс переработки | Типичная скорость сдвига, с-1 | Характерное изменение вязкости |
|---|---|---|
| Компрессионное формование | 1-10 | Близко к нулевой вязкости |
| Экструзия (зона дозирования) | 10-100 | Снижение в 2-5 раз |
| Экструзия (формующая головка) | 100-1000 | Снижение в 5-20 раз |
| Литье под давлением (канал) | 1000-10000 | Снижение в 20-100 раз |
| Литье под давлением (литник) | 10000-100000 | Снижение до 100-1000 раз |
Оценка скорости сдвига в капилляре
Для ньютоновской жидкости в цилиндрическом капилляре скорость сдвига на стенке рассчитывается по формуле:
γ = 32Q / (πD³)
где Q – объемный расход (см³/с), D – диаметр капилляра (см).
Для неньютоновских жидкостей применяется поправка Рабиновича, учитывающая степень неньютоновского поведения материала.
Влияние скорости сдвига на переработку
При литье под давлением высокие скорости сдвига приводят к значительному снижению вязкости, что облегчает заполнение формы и позволяет получать тонкостенные изделия. Однако при этом повышается диссипация энергии и нагрев материала за счет внутреннего трения. В экструзии, где скорости сдвига ниже, эффект разжижения менее выражен, и выбор материала основывается в большей степени на вязкости при низких скоростях сдвига.
Выбор материала для различных процессов переработки
Правильный выбор марки полимера с подходящими реологическими характеристиками критически важен для обеспечения технологичности процесса и качества готовых изделий. Основным критерием обычно служит значение MFI, хотя для точной оценки рекомендуется использование данных капиллярной или ротационной реометрии.
Рекомендации по выбору материала
| Процесс переработки | Рекомендуемый диапазон MFI, г/10 мин | Характеристики материала | Типичные изделия |
|---|---|---|---|
| Экструзия труб | 0,2-0,5 | Высокая молекулярная масса, хорошая прочность расплава | Напорные трубы, газопроводы |
| Экструзия пленки | 0,3-2,0 | Средняя молекулярная масса, баланс прочности и текучести | Упаковочная пленка, пакеты |
| Экструзия профилей | 0,5-3,0 | Средняя вязкость, хорошее качество поверхности | Оконные профили, панели |
| Выдувное формование | 0,3-1,5 | Высокая прочность расплава, сопротивление провисанию | Бутылки, канистры, баки |
| Литье под давлением (толстостенные) | 2-8 | Умеренная текучесть, хорошие механические свойства | Ящики, поддоны, корпуса |
| Литье под давлением (тонкостенные) | 10-40 | Высокая текучесть, легкое заполнение формы | Одноразовая посуда, упаковка |
| Литье под давлением (технические детали) | 5-20 | Баланс текучести и прочности, точность размеров | Автокомпоненты, электротехника |
Практический пример: выбор полипропилена для литья
Для производства тонкостенных контейнеров методом литья под давлением требуется полипропилен с MFI 20-30 г/10 мин. Такой материал обеспечивает быстрое заполнение формы при давлении впрыска 80-120 МПа. Использование марки с MFI 5 г/10 мин потребовало бы повышения температуры расплава на 30-40°C и давления впрыска до 150-180 МПа, что увеличивает энергозатраты и износ оборудования.
С другой стороны, для крупногабаритных толстостенных изделий предпочтительны марки с MFI 3-8 г/10 мин, которые обеспечивают лучшие механические свойства и меньшую усадку при охлаждении.
Особенности различных полимеров
Полиэтилен низкого давления характеризуется более высокой вязкостью по сравнению с полиэтиленом высокого давления при том же MFI из-за различий в молекулярной структуре. Полипропилен при температуре переработки имеет более низкую вязкость, чем полиэтилен с аналогичным MFI. Поликарбонат даже при температуре 280-300°C сохраняет высокую вязкость, что требует применения мощного оборудования с высоким усилием впрыска.
Методы измерения вязкости расплава
Для полной характеристики реологического поведения полимеров используются различные методы измерения вязкости, каждый из которых имеет свои преимущества и области применения.
Капиллярная реометрия
Капиллярная реометрия является наиболее распространенным методом для измерения вязкости при высоких скоростях сдвига, характерных для большинства процессов переработки. Метод основан на продавливании расплава через калиброванный капилляр под контролируемым давлением или с постоянной скоростью.
- Измерения при скоростях сдвига 10-10000 с-1, соответствующих реальным условиям переработки
- Возможность работы с высоковязкими материалами
- Определение температурной зависимости вязкости
- Оценка эффекта разбухания экструдата
- Относительно простая конструкция и надежность
Ротационная реометрия
Ротационные реометры позволяют измерять вязкость при низких скоростях сдвига и проводить динамические испытания для оценки вязкоупругих свойств. Используются различные геометрии: конус-плита, параллельные пластины, коаксиальные цилиндры.
Метод определения MFI
Измерение MFI представляет собой упрощенный вариант капиллярной реометрии при одной температуре и одной нагрузке. Несмотря на ограниченность получаемой информации, метод широко используется для контроля качества сырья благодаря простоте, быстроте и низкой стоимости оборудования.
| Метод измерения | Диапазон скоростей сдвига, с-1 | Основное применение | Ограничения |
|---|---|---|---|
| MFI (пластометр) | 10-50 | Контроль качества, приемка сырья | Одна точка измерения, ограниченная информация |
| Капиллярный реометр | 10-100000 | Моделирование литья и экструзии | Высокая стоимость оборудования |
| Ротационный реометр | 0,01-1000 | Исследование вязкоупругости, качественный анализ | Ограничение по скорости сдвига |
| Встроенные вискозиметры | Зависит от процесса | Онлайн-контроль в производстве | Сложность калибровки и интерпретации |
Практические примеры и рекомендации
Пример 1: Оптимизация экструзии полиэтиленовых труб
Задача: Повысить производительность линии экструзии труб диаметром 110 мм из полиэтилена низкого давления при сохранении требуемых механических свойств.
Решение:
- Исходный материал: ПЭ100 с MFI 0,3 г/10 мин (190°C/5 кг)
- Температура переработки повышена с 190°C до 210°C
- Вязкость снизилась в 4,5 раза, что позволило увеличить скорость экструзии на 35%
- Контроль качества показал сохранение прочности при внутреннем давлении
- Экономический эффект: рост производительности с 320 до 432 кг/час
Важные наблюдения: Критическим фактором оказалась равномерность охлаждения трубы в калибрующей втулке. При повышенной скорости экструзии потребовалась оптимизация системы охлаждения для предотвращения деформации профиля.
Пример 2: Литье тонкостенной упаковки из полипропилена
Задача: Обеспечить стабильное заполнение литьевой формы для контейнера с толщиной стенки 0,5 мм.
Решение:
- Выбран гомополимер полипропилена с MFI 25 г/10 мин (230°C/2,16 кг)
- Температура расплава 240°C, температура формы 40°C
- Скорость впрыска 300 мм/с, давление впрыска 110 МПа
- При таких параметрах скорость сдвига в литнике достигает 15000 с-1
- Вязкость снижается до 20 Па·с, что обеспечивает полное заполнение формы
Критические моменты: Высокие скорости сдвига приводят к значительному разогреву материала (до 30°C дополнительно), что требует точного контроля температуры расплава для предотвращения термодеструкции.
Пример 3: Переработка вторичного полиэтилена
Задача: Использовать вторичный полиэтилен высокого давления для производства пленки при сохранении качества.
Проблема: Вторичный материал имеет неоднородное распределение MFI (от 1,5 до 4,0 г/10 мин) из-за различной степени деструкции.
Решение:
- Смешение вторичного материала с первичным ПЭВД (MFI 2,0 г/10 мин) в соотношении 70:30
- Усредненное значение MFI смеси составило 2,3 г/10 мин
- Снижение температуры переработки на 10°C для компенсации повышенной текучести
- Введение стабилизаторов для предотвращения дальнейшей деструкции
Результат: Получена пленка с удовлетворительными прочностными характеристиками при снижении себестоимости на 15%.
Оптимизация процессов переработки
Эффективная переработка полимеров требует комплексного подхода к управлению реологическими параметрами. Основные направления оптимизации включают:
Контроль температурного профиля
Температурный профиль экструдера или литьевой машины должен обеспечивать постепенное снижение вязкости материала без перегрева. Типичная схема для экструзии: температура в зоне загрузки на 20-30°C ниже, чем в зоне дозирования и формующей головке. Это обеспечивает эффективный транспорт материала и предотвращает преждевременное плавление в зоне загрузки.
Согласование скорости процесса с вязкостью материала
При литье под давлением скорость впрыска следует выбирать с учетом вязкости материала и геометрии изделия. Для высоковязких материалов требуется снижение скорости впрыска или повышение температуры для предотвращения высоких напряжений сдвига, которые могут привести к дефектам поверхности или деградации материала.
Использование добавок и модификаторов
Реологические модификаторы могут улучшить текучесть без изменения молекулярной массы базового полимера. Для полиолефинов применяют скользящие добавки на основе эрукамида, стеарата кальция. Для инженерных пластиков используют специальные технологические добавки, снижающие вязкость на 15-25% при сохранении механических свойств готовых изделий.
Мониторинг вязкости в процессе производства
Современные экструдеры и литьевые машины оснащаются датчиками давления расплава, которые позволяют косвенно оценивать изменение вязкости в процессе переработки. Повышение давления при неизменных настройках оборудования может указывать на снижение MFI партии сырья или засорение фильтрующих сеток.
Часто задаваемые вопросы
MFI (Melt Flow Index) или индекс текучести расплава – это показатель, характеризующий способность термопластичного полимера к течению при стандартных условиях. Измеряется в граммах материала, вытекающего через капилляр за 10 минут. MFI обратно пропорционален вязкости: чем выше MFI, тем ниже вязкость и легче течет материал.
Высокий MFI (например, 30 г/10 мин) означает низкую вязкость и хорошую текучесть, что подходит для литья тонкостенных изделий. Низкий MFI (0,3-1,0 г/10 мин) соответствует высокой вязкости и используется для экструзии труб и пленок, где важна прочность расплава.
Полимеры относятся к неньютоновским жидкостям с псевдопластичным поведением. При увеличении скорости сдвига (то есть при более быстром течении) длинные полимерные цепи ориентируются вдоль направления потока и частично распутываются. Это снижает сопротивление течению, и вязкость уменьшается.
Практическое следствие: при литье под давлением, где скорости сдвига очень высоки (10000-100000 с⁻¹), вязкость может быть в 100 раз ниже, чем при экструзии (скорость сдвига 10-1000 с⁻¹). Именно поэтому один и тот же материал может легко литься, но плохо экструдироваться, и наоборот.
С повышением температуры вязкость полимерных расплавов снижается по экспоненциальному закону. Для большинства полимеров повышение температуры на 60-80°C приводит к снижению вязкости примерно в 10 раз. Это связано с увеличением подвижности сегментов макромолекул при нагревании.
Выбор температуры переработки – это компромисс между технологичностью и качеством. Более высокая температура облегчает переработку, снижает энергозатраты и давление в оборудовании, улучшает качество поверхности. Однако перегрев может вызвать термическую деструкцию материала, ухудшение цвета и механических свойств.
Рекомендуется начинать с температур, указанных производителем полимера в технической документации, и корректировать их на основе фактических результатов переработки. Обычно оптимальная температура находится в диапазоне на 20-40°C выше температуры плавления кристаллических полимеров или температуры стеклования аморфных полимеров.
Выбор зависит от конкретного процесса и геометрии изделия:
Для экструзии: требуются материалы с низким MFI (0,2-3,0 г/10 мин), которые обеспечивают высокую прочность расплава и сопротивление провисанию. Для труб оптимален MFI 0,2-0,5, для пленки 0,3-2,0, для профилей 0,5-3,0.
Для литья под давлением: используются материалы с более высоким MFI для облегчения заполнения формы. Для толстостенных изделий подходит MFI 2-8, для тонкостенной упаковки 10-40, для технических деталей 5-20.
Важно понимать, что более высокий MFI обычно означает более низкую молекулярную массу и несколько худшие механические свойства готового изделия. Поэтому выбор – это компромисс между технологичностью переработки и требованиями к прочности конечного продукта.
MFI дает только приблизительную оценку текучести при одной температуре и одной скорости сдвига (обычно около 10-50 с⁻¹). Это полезно для первичного отбора материала и контроля качества, но недостаточно для точного прогнозирования поведения при переработке.
Для полной характеристики реологических свойств рекомендуется:
- Капиллярная реометрия – измерение вязкости в широком диапазоне скоростей сдвига (10-100000 с⁻¹) и температур. Это позволяет моделировать реальные условия литья и экструзии.
- Ротационная реометрия – для оценки вязкоупругих свойств, особенно при низких скоростях сдвига.
- Коэффициент текучести (FRR) – отношение MFI при двух разных нагрузках, характеризующее чувствительность материала к напряжению сдвига.
В производственных условиях для большинства стандартных применений MFI достаточен. Капиллярная реометрия необходима при разработке новых изделий сложной геометрии, оптимизации процессов или работе с новыми материалами.
Вторичные (рециклированные) полимеры обычно имеют более высокий MFI и более низкую вязкость по сравнению с первичным материалом. Это происходит из-за термомеханической деструкции при переработке, которая приводит к разрыву полимерных цепей и снижению молекулярной массы.
Каждый цикл переработки может повышать MFI на 10-30% в зависимости от условий. Например, полипропилен с исходным MFI 5 г/10 мин после одного цикла переработки может иметь MFI 6-7 г/10 мин, после второго – 8-10 г/10 мин.
Практические рекомендации при работе с вторичкой:
- Контролировать MFI каждой партии вторичного материала
- Смешивать вторичный материал с первичным в контролируемой пропорции для стабилизации свойств
- Использовать стабилизаторы для предотвращения дальнейшей деструкции
- Снижать температуру переработки на 10-15°C для компенсации повышенной текучести
- Учитывать неоднородность вязкости при настройке оборудования
Разбухание экструдата (эффект Баруса) – это увеличение диаметра экструдируемого профиля после выхода из формующей головки. Диаметр экструдата может быть в 1,5-3 раза больше диаметра фильеры. Это явление связано с вязкоупругой природой полимерных расплавов.
При течении через капилляр или фильеру полимерные цепи сильно ориентируются и деформируются. После выхода из фильеры, когда напряжение сдвига снимается, цепи стремятся вернуться в исходное свернутое состояние, что вызывает разбухание струи. Степень разбухания зависит от вязкоупругих свойств материала, скорости экструзии и температуры.
Материалы с высокой молекулярной массой и низким MFI обычно демонстрируют большее разбухание. Это необходимо учитывать при проектировании формующих головок – диаметр фильеры делают меньше требуемого диаметра изделия с учетом коэффициента разбухания.
При течении вязкой жидкости происходит диссипация механической энергии – она превращается в тепло из-за внутреннего трения между слоями расплава. Чем выше скорость сдвига и вязкость материала, тем больше выделяется тепла.
При литье под давлением, где скорости сдвига достигают 10000-100000 с⁻¹, температура расплава может повыситься на 20-40°C по сравнению с температурой в цилиндре. Это явление называется саморазогревом или адиабатическим нагревом расплава.
Практические следствия:
- Необходимость контроля фактической температуры расплава в момент заполнения формы
- Риск термической деструкции при чрезмерно высоких скоростях впрыска
- Возможность снижения температуры нагрева цилиндра на 10-20°C при высоких скоростях переработки
- Улучшение текучести за счет саморазогрева, особенно для высоковязких материалов
В экструзии это явление также используется – некоторые полимеры перерабатываются в режиме, близком к адиабатическому, когда до 50% необходимого тепла генерируется за счет диссипации энергии во вращающемся шнеке.
Даже при одинаковом значении MFI литьевые и экструзионные марки могут существенно отличаться по другим параметрам:
Литьевые марки:
- Содержат внутренние смазки для легкого извлечения из формы
- Оптимизированы для высоких скоростей сдвига
- Имеют более узкое молекулярно-массовое распределение
- Быстрая кристаллизация для сокращения цикла литья
Экструзионные марки:
- Высокая прочность расплава для предотвращения провисания
- Более широкое молекулярно-массовое распределение
- Оптимизированы для низких и средних скоростей сдвига
- Меньшее разбухание экструдата
При использовании литьевой марки для экструзии могут возникнуть проблемы: нестабильность размеров профиля, провисание экструдата, низкое качество поверхности из-за внешних смазок. При использовании экструзионной марки для литья возможны трудности с извлечением из формы и заполнением тонкостенных участков.
Рекомендация: всегда следуйте рекомендациям производителя полимера относительно применения марки. В спорных случаях проводите пробные испытания.
Существует несколько типов добавок, которые могут улучшить реологические свойства полимеров:
1. Технологические добавки (процессинг-айды):
- Фторполимеры (0,05-0,5%) – снижают вязкость ПВХ и полиолефинов на 15-25%
- Силиконовые добавки – улучшают течение и качество поверхности
- Специальные полимерные модификаторы – оптимизируют вязкоупругие свойства
2. Смазки:
- Внутренние смазки (эрукамид, стеараты) – снижают вязкость расплава
- Внешние смазки (воски, парафины) – уменьшают трение о стенки оборудования
3. Пластификаторы:
- Снижают температуру стеклования и вязкость
- Применяются в основном для ПВХ и некоторых других полимеров
Важно: введение добавок требует тщательного тестирования, так как они могут влиять не только на технологичность, но и на конечные свойства изделий. Концентрация добавок обычно составляет 0,1-2% от массы полимера.
Важная информация
Назначение статьи: Данная статья носит исключительно ознакомительный и образовательный характер. Информация предназначена для общего понимания реологических свойств полимерных материалов и не может служить руководством к действию без учета специфики конкретного оборудования, материалов и технологических процессов.
Рекомендации по применению: Перед внесением изменений в технологический процесс настоятельно рекомендуется консультация с технологами, инженерами-материаловедами и производителями полимерного сырья. Каждый процесс переработки имеет свои особенности, и универсальные рекомендации могут требовать адаптации под конкретные условия производства.
Актуальность данных: Информация, представленная в статье, актуальна на 2025 год и основана на современных научных данных, отраслевых стандартах и практическом опыте переработки полимеров. Развитие технологий и появление новых материалов может вносить коррективы в приведенные рекомендации.
Источники информации
При подготовке статьи использовались следующие источники:
- Международные стандарты ISO 1133-1, ISO 1133-2 (Определение скорости течения расплава термопластов)
- Стандарт ASTM D1238 (Метод определения скорости течения расплава термопластов экструзионным пластометром)
- ГОСТ 11645-73 (Пластмассы. Метод определения показателя текучести расплава термопластов)
- Технические публикации Netzsch Analyzing & Testing (Методы реометрии полимеров)
- Научные исследования в области реологии полимеров, опубликованные в профильных изданиях
- Техническая документация производителей испытательного оборудования ZwickRoell и Malvern Panalytical
- Справочные материалы по переработке полимеров и технологии экструзии
- Отраслевые руководства по выбору и переработке полимерных материалов
