Polymeren saknar en exakt smältpunkt.

Transkript

1 Vi har i tidigare kapitel i Plastforums artikelserie om de olika bearbetningsmetoderna följt plastens väg vid formsprutning från inlopp till intag. Därefter vidtar avsvalning och formning i formrummet. Hur påverkas hela förloppet av smältans reologi? Plastsmältans flytbarhet DE SVA RA MAKRO- MOLEKYLERNA Ett rätt placerat intag fastställs genom att studera tryckfallet i formrummet, vilket numer sker genom datorstyrd formfyllningsanalys. Med hjälp av mjukvaran kan konstruktören göra ändringar som leder till ett gynnsamt formfyllningsförlopp. Flödesbilden med flödeshinder, luftfickor och sammanflytningar framträder på skärmen och resulterar i ändringar. I många fall är konstruktionen finjusterad långt innan formverktyget beställs. Det vi kallar plast är blandningar av polymerer, fyllmedel, förstärkningsmedel och andra tillsatser. Den polymera delen kan betraktas som ett bindemedel eller en matris i plasten. Vanligen består plasten av en dominerande polymer, som ger plasten dess karaktär och egenskapsprofil. Polymerer består av makromolekyler, som har säregna egenskaper. Plaster skiljer sig därför från oorganiska konstruktionsmaterial som metaller och keramer när det gäller flytförmågan och flera andra egenskaper. Egenskaperna påverkar formningen av plastdetaljen i formsprutan men också plastdetaljens långtidsegenskaper, som berörs i ett kommande kapitel. Vilka är då plasternas säregna egenskaper? Polymeren är viskoelastisk. Polymeren är uppbyggd av mycket långa molekyler eller makromolekyler, ofta med sidokedjor, vilka bildar något som kan liknas vid ett trassel av trådar. Detta material har både vätskans och det fasta ämnets egenskaper - polymeren är viskoelastisk. Egenskapen gäller både då polymeren är i flytande och i fast tillstånd. Viskoelasticitet möter vi också hos metalliska material men först vid mycket höga temperaturer. Glas är också viskoelastiskt. Ett fönsterglas blir genom flytning tjockare nedtill om det får några hundra år på sig. Den flytande polymeren är en icke newtonsk vätska. Flytförmågan hos vätskor med hög molmassa (smälta högmolekylära polymerer) skiljer sig från flytförmågan hos ämnen med låg molmassa (lågmolekylära ämnen) som vatten, bensin, lösningsmedel o s v. Vi kallar de förra för icke newtonska vätskor (icke ideala vätskor) och de senare för newtonska vätskor (ideala vätskor). Polymeren saknar en exakt smältpunkt. Då vi tillverkar en polymer blir inte alla molekylkedjor av samma längd eller, med annat ord, molmassa. Molmassan uppträder statistiskt fördelad kring en medelmolmassa. Av denna anledning har inte plaster en exakt smältpunkt utan de smälter inom ett intervall (samma typ av polymer med hög molmassa har högre smältpunkt än en med lägre molmassa). Smältintervallet är emellertid betydligt snävare hos delkristallina plaster än hos amorfa plaster. Man anger t o m kristallina smältpunkter för de förra. Det var Staudinger som på talet införde begreppet makromolekyl, vilket förklarade smältintervallen. Många forskare tvivlade emellertid på makromolekylens existens. Det rådde vid den tiden en allmän uppfattning om att en organisk substans måste visa en exakt smältpunkt för att anses välkaraktäriserad. Varken ämnen, som förekom i naturen, t ex naturgummi eller vissa syntetiska organiska ämnen, visade en exakt smältpunkt och förkastades därför eftersom de inte ansågs vara rena ämnen. Staudinger visade att ett makromolekylärt ämne ej behövde ha en exakt smältpunkt. Polymeren har en låg värmeledningsförmåga. Polymerer är liksom andra elektriska isolatorer dåliga värmeledare. I metaller förekommer ett hav av fria elektroner, som ger både god elektrisk ledningsförmåga och hög värmekonduktivitet. I polymera material är elektronerna bundna till kovalenta bindningar. Värmekonduktiviteten är 300 till gånger mindre hos plaster än metaller. Den låga värmekonduktiviteten hos plastsmältan leder till att den kyls långsamt i formrummet, vilket betyder långa cykeltider och därmed dåligt utnyttjande av den höga investering som inköpet av en formspruta och tillverkningen av ett formverktyg innebär. Polymerer är temperaturkänsliga. Vid formsprutning måste termoplasten plasticeras, vilket kräver en relativt hög temperatur. Eftersom alla termoplaster har en låg termisk ledningsförmåga avleds värmen Med hjälp av datorstyrd formfyllnadsanalys behöver man inte längre vara specialist på finita elementanalyser eller ha lång och bred erfarenhet av verktygsutformning för att nå ett gott resultat. PLASTFORUM Nr

2 långsamt. Det finns därför en risk att plastsmältan förändras irreversibelt och bryts ned om den utsätts för en hög temperatur. Vanligen resulterar nedbrytningen i en lägre molmassa hos polymeren. Långa uppehållstider förvärrar situationen och även skjuvbelastningar kan orsaka nedbrytning. Nedbrytningen kan bero på oxidation eller att materialet inte torkats tillräckligt vid förbehandling av granulatet. Ett sådant material är polyamid, som måste torkas noggrant före formsprutning. Om polyamid innehåller även små mängder fukt (> 0,1 %) så leder detta till en märkbar degradering av materialet vid formsprutning. Oftast är det svagheter i polymerens kemiska uppbyggnad, som initierar nedbrytningen, vilken fortskrider genom termisk påverkan. Svagheter kan förekomma i förgreningar, ändgrupper och dubbelbindningar eller bero på kvarvarande rester från tillverkningsprocessen. Exempelvis leder spår av syre vid tillverkning av polystyren till svagheter i polymerkedjan. Ostabiliserad PVC avger HCl redan vid temperaturer strax över 100ºC och plasten missfärgas. ABS och acetalplast bryts ned vid temperaturer under 300ºC medan polyeten klarar sig något bättre. Trots att baspolymeren har en hygglig stabilitet vid en viss temperatur kan tillsatser försämra stabiliteten. Polymerer har låga densiteter. Polymerers densiteter varierar vanligen mellan 1 och 2 g/cm 3. Polyeten och polypropen flyter på vatten och polytetrafluoreten har något högre densitet än 2 g/cm 3. Glasfiberarmerade termoplaster har en densitet av ca 2,32 g/cm 3 och termoplaster fyllda med vissa mineral och metaller når densiteter av 6,2 g/cm 3. Jämförelsevis är aluminiums densitet 2,72 g/cm 3 och ståls 7,82 g/cm 3. De ofyllda termoplasternas låga densitet beror dels på att polymerens molekyler är uppbyggda av lätta atomer men dessutom på att atomerna bildar långa kedjor makromolekyler. De interatomära avstånden i kedjan är korta men de atomära avstånden mellan kedjorna är större. Totalt sett är det relativa avståndet mellan atomerna större än vad som förekommer i metaller, som är uppbyggda av tätpackade atomer med direkta kontakter mellan varandra. Makromolekylernas rörlighet (Brownska rörelser) och luckra struktur betyder att polymerens densitet varierar starkt med temperatur och tryck i jämförelse metaller, mineral, glas etc. Man brukar tala om olika polymera materials fria volym. Lars-Erik Edshammar Reologi Reologi (från grekiskans rhein, flyta) definieras som vetenskapen om olika materials deformations- och flytegenskaper genom påverkan av yttre krafter och tid. Studier omfattar vatten, olja, lera och berggrundens rörelser vid exempelvis en jordbävning. Reologi är således ett stort och brett område. Inom polymerteknologin innebär reologi studier av polymerens inre spänningar, deformationer och flytegenskaper då polymeren påverkas av krafter både i flytande, mjukt och fast tillstånd. Vid formsprutning är det framför allt smältans flytegenskaper vid högre temperatur som är av betydelse och vid formpressning och varmformning studeras polymerer som mjuknat vid något lägre temperatur. Reologiska studier görs med hjälp av avancerad matematisk analys till en omfattning, som ligger långt utanför denna artikel varför vi endast berör vissa begrepp. Kunskaper om plasters reologi, d v s deformationsegenskaper i fast, uppmjukad och smält form, är viktiga för råvarutillverkaren, tillverkaren av formsprutor och andra bearbetningsmaskiner samt för dem som framställer plastdetaljer. Råvarutillverkaren använder exempelvis viskositetsberäkningar för att analysera sin produkts jämnhet i egenskaper men också för att ge bearbetaren lämpliga bearbetningsparametrar. Plasterna har skilda egenskaper och för varje kompound anges särskilda bearbetningsdata. Tillverkaren av formsprutor behöver viskositetsdata för att optimera formsprutans funktion och processens ekonomi så att formsprutan kan bearbeta alla plasttyper, åtminstone efter en viss modifiering. Data ligger till grund för utformning av plasticeringsenheten, motor och växellåda, formlåsning, munstyckets utformning etc. Dessutom görs reologiska studier för att utröna den nötning och korrosion, som plasten kan orsaka i formsprutans olika delar. Bearbetaren använder viskositetsmätningar för inledande kontroll av plastens flytförmåga och mätningar görs också som kontroll under tillverkningen. Viskoelasticitet Ett material, som är både visköst som en vätska och elastiskt som gummi eller ett fast ämne som stål kallas viskoelastiskt. Termoplaster visar även i fast form formförändringar och egenskaper som påminner om en vätska vid flytning, vilket man tar hänsyn till då det gäller att beräkna en plastdetaljs långtidsegenskaper. Låt oss belysa viskoelasticiteten med några enkla demonstrationer: En flytande polymer kan uppträda som en viskös vätska vid långsam och utdragen belastning men som ett solitt elastiskt material vid snabba belastningar. Ett tuggummi flyter ut med tiden och blir otrevligt klibbigt om det placeras på en bordskiva men det är elastiskt när det tuggas. Ett annat exempel är en märklig produkt kallad silly putty eller jumping putty, som såldes runt 1960-talet och blev en säljsuccé. Den bestod av ett högvisköst silikonbaserat material som förvarades i en ask. Materialet kunde hällas ur asken om det bara fick tid på sig och därmed visade sin viskösa egenskap. Då man befriade materialet från asken kunde det formas till en liten boll. Kastade man bollen mot ett hårt underlag, så studsade den flera gånger upp och ner som en elastisk gummiboll. Till slut tappade silikonbollen sin studsförmåga, den blev stillaliggande på marken och flöt ut som en vätska. Helst skulle man fånga upp materialet innan det flöt ut för att förpassa det till asken. Med vissa viskoelastiska polymerer (och även polymerer i lösning) kan man utföra märkliga experiment. Man fyller en bägare med en sådan polymer. Man lutar bägaren och låter polymeren rinna ner i en annan bägare. Polymeren flyter långsamt men då vätskan flyter jämnt och stadigt rätar man upp den första bägaren. Det märkliga är att polymeren fortsätter att flyta över kanten på den upprätade bägaren tills den är tom och den lägre bägaren är fylld. Materialtransporten påminner om den man åstadkommer med en rörformig hävert när det gäller vatten. Det viskösa vattnet behöver ett rör för att klara övergången. I det aktuella fallet behövs inget rör eftersom polymeren har en viss elasticitet. 76 PLASTFORUM Nr

3 Schematisk modell av laminärt flöde under skjuvning Volymelement under skjuvspänning Viskositet Då vatten strömmar bromsas rörelsen av vätskemolekylernas inbördes attraktion och sammanstötningar. Företeelsen benämns inre friktion (trögflytenhet) eller viskositet (latin, viscosus, klibbig). Då vatten flyter genom ett smalt rör så är flythastigheten proportionell mot det pålagda trycket. Sambandet formulerades av den engelske fysikern och matematikern Isaac Newton ( ) och gäller alla lättflytande vätskor. Proportionalitetsfaktorn i sambandet kallas viskositet. Viskositeten hos en smält polymer är ett mått på det inre motstånd, som motverkar dess flöde. För att underhålla flödet krävs å andra sidan en kraft. Kraften är beroende av makromolekylens medelstorlek eller molmassa men även andra parametrar som temperaturen. På sin väg genom plastformsprutan, formverktyget och slutligen formrummet utsätts plastmassan och plastsmältan för skjuvkrafter. Skjuvningen uppstår genom att plasten vidhäftar mot angränsande ytor, vilket illustreras med följande schematiska modell. En vätska förs in mellan två parallella plattor med plana ytor. Eftersom vi diskuterar en plastsmältas flöde påverkad av metallytor låter vi plattorna bestå av metall. Avståndet mellan plattornas plan är H. Det nedre planet står stilla, medan det övre rör sig med den konstanta hastigheten v. Ett tunt skikt av vätskan närmast det nedre planet står stilla på grund av vätskans inre friktion och vidhäftning till det stillastående planet. Av samma anledning kommer det översta tunna skiktet att släpas med i det övre planets rörelse med hastigheten v. Hastigheterna hos skikten mellan de parallella planen visar skjuvhastigheter som ökar kontinuerligt från det nedre till det övre planet enligt en schematisk laminär flödesmodell. Hur ett volymelement i vätskan mellan två plan deformeras framgår av den klarläggande figuren. Skjuvhastigheten är skillnaden mellan den övre och undre sidans hastigheter dividerad med volymelementets höjd ( v/ y). Skjuvspänningen, τ, är den kraft som behövs för att deformera volymelementet. Den övre plattan rör sig med hastigheten v under påverkan av en yttre kraft F. F verkar i rörelseriktningen och över arean A. Således är skjuvspänningen τ = F/A = η (dv/dy) = η v/h där η är viskositetskoefficienten eller kortare viskositeten. MÅTT PÅ VISKOSITET Som mått på viskositeten används viskositetstal enligt olika skalor. Enligt SI-systemet har viskositeten η enheten pascalsekund, Pa s eller newtonsekund per m 2 (Ns/m 2 ). I det äldre CGS- systemet är enheten poise. (En vätska har en viskositet av en poise då en kraft av 1 dyn/cm 2 kan få två parallella ytor med ytorna 1 cm 2 att röra sig med en hastighet av 1 cm/s i förhållande till varandra. Ytorna omsluter vätskan och avståndet är en cm mellan ytorna). En Pa s motsvarar 1000 centipoise (cp) eller 10 poise. Vatten av 20ºC är viskositetsstandard med en viskositet av 0,01002 poise = 0, Pa s. Ett kolväte som hexan har lägre viskositet än vatten. Viskositeten hos en olja SAE 10 är ca 0,005 Pa s. Polymerer har betydlig högre viskositeter. Gummi i ovulkat tillstånd har viskositeter mellan 100 och Pa s och termoplastsmältors viskositeter varierar mellan 50 och Pa s. De skjuvhastigheter som kommer i fråga för olika bearbetningsmetoder av termoplaster ger ett begrepp om den flytbarhet, som krävs vid bearbetning: Formpressning upp till 10 s -1 Kalandrering s -1 Strängsprutning s -1 Formsprutning s -1 Eftersom termoplastsmältor har viskositeter mellan 50 och Pa s erhålls motsvarande skjuvspänningar (τ): τ = skjuvhastighet viskositet = till = 0,05 till 100 MPa Dessa värden kan jämföras med det presstryck som används vid formsprutning, som är >140 MPa och det tryck som används vid strängsprutning, som är upp till 35 MPa. Inom hydrauliken används vanligen kinematisk viskositet, som är viskositeten i centipoise dividerad med vätskans densitet (masstäthet) vid samma temperatur. I SI-systemet är enheten 1 m 2 /s = 1 myriastok = 1 mast. I vissa normer för smörjoljor anges centistok (cst), som är en miljondels myriastok. En tung smörjolja kan ha en viskositet av 100 centistok. Kinematisk viskositet bestäms genom att mäta den exakta mängd vätska, som flyter genom en kapillär under inverkan av gravitationen. PLASTFORUM Nr

4 Flödeskurvor med lutningen η 1 > η 2 > η 3 Avvikelser från den räta flödeskurvan Newtonsk och icke newtonskt vätska Om vätskan mellan plattornas plan består av ämnen med låg molmassa t ex vatten, olja och lösningsmedel är skjuvspänningen linjärt relaterad till skjuvhastigheten och vi har en newtonsk vätska eller idealt viskös vätska (Newtonian fluid). Relationen mellan skjuvspänningen och skjuvhastigheten uttrycks i en rät s k flödeskurva, vars lutning är viskositeten η. Ovanstående diagram visar hur flödeskurvans lutning varierar med viskositeten enligt uttrycket för flödeslagen. För icke newtonska vätskor eller icke idealt viskösa vätskor (Non- Newtonian fluids) gäller ej denna linjäritet utan vi får kurvor med avvikelser från den räta linjen. Antingen sker avvikelsen uppåt, vilket betyder att viskositeten ökar snabbare än om vi följer den räta Newtonkurvan eller också sker avvikelsen nedåt. Termoplastsmältor är icke newtonska vätskor och har avvikelser nedåt d v s viskositeten avtar långsammare med skjuvhastigheten än för den newtonska vätskan. Polymerer upplösta i ett lösningsmedel kan också uppträda som icke newtonska vätskor. Av diagrammet framgår att avvikelserna inte påbörjas förrän vid en viss punkt på den räta Newtonkurvan. Punkten kallas på engelska lower Newtonian limit. Vid formsprutning av termoplaster gäller den nedre kurvan och viskositeten minskar således med skjuvhastigheten. Den övre avvikande kurvan visar hur viskositeten ökar snabbt då skjuvhastigheten ökar, d v s ju hastigare vätskan rör sig, ju mer viskös blir den. Sådana vätskor kallas dilatanta och fenomenet kallas dilatans. Kvicksand visar ett dilatant flöde och dess viskositet ökar med skjuvhastigheten. Hamnar man i kvicksand gäller det att röra sina extremiteter med snabba rörelser tills hjälpen är framme. Är man stillastående, glider sandkornen lätt förbi varandra och man sjunker allt djupare ned i sanden. Vid höga skjuvhastigheter packar sig kornen och sanden klarar belastningen bättre. Denna avvikelse finns ej hos polymera material. Polymera material avviker i stället enligt den nedre kurvan i diagrammet. Smältan blir mindre viskös ju snabbare vätskan rör sig, vilket beror på att de i vila trassliga makromolekylerna sträcks ut vid skjuvbelastning och kan glida förbi varandra. Förloppet med den sjunkande kurvan brukar kallas pseudoplastiskt. Materialet blir så att säga tunnare och effekten har en målande benämning på engelska genom att kallas shear-thinning. Egenskapen tillämpas i droppfria eller tixotropa färger och tixotropa smörjmedel. Ju snabbare en tixotrop vätska rör sig ju lägre blir viskositeten. De tixotropa färgerna är viskösare då de befinner sig i penseln än då de penslas mot en yta. Smörjmedel blir mer lättflytande ju snabbare de smorda delarna rör sig i förhållande till varandra. Ett annat exempel är en flaska med ketchup. Först kommer ingenting, se n kommer ingenting och se n kommer allt. Enklast är att skaka flaskan för att innehållet ska bli lättflytande men när ketchupen hamnar på hamburgaren blir den åter mer trögflytande (trots att hamburgerköttet är varmt). Viskosimetri Den viktigaste materialegenskapen för att beskriva flöden är viskositeten. Formrummets fyllning är särskilt påverkad av reologin och viskositeten är den viktigaste egenskapen. Om man begränsar sig till viskositeten så finns det mätinstrument, s k viskosimetrar (på engelska viscometer eller viscosimeter) för att bestämma viskositeten hos olika plaster i mer eller mindre smält tillstånd. Använder man sig av reometrar kan man också bestämma plastsmältans elasticitet. (Ofta förekommer reometern och viskosimetern som synonyma begrepp). Här begränsar vi oss till viskosimetern. Viskositeten är avgörande för formsprutans insprutningstryck och formlåsningkraft samt hur tunna partier och långa flytvägar man kan tillåta sig i formrummet. Mätning av plastsmältans viskositet sker i en kapillärviskosimeter eller rotationsviskosimeter. I kapillärviskosimetern trycks plastsmältan genom en cylindrisk kapillär eller genom en kapillär med ett rektangulärt tvärsnitt och flödet liknar det som förekommer i fördelningskanaler, intag och formrum. Kapillär-viskosimetern är det vanligaste instrumentet för att karaktärisera material i samband med formsprutning. I rotationsviskosimetern utsätts plastsmältan för en släpande rörelse (drag flow) mellan metallytor som roterar. Det finns tre huvudtyper av rotationsviskosimetrar baserade på kon mot platt, platta mot platta och couetteviskosimetern. Förutsättningar för att viskosimetrarna ska fungera är att polymersmältan klibbar fast mot de väggar den står i kontakt med, att temperaturen är konstant och att smältans kompressibilitet är noll. I kapillärviskosimetern tar man således inte hänsyn till eventuellt energiutbyte eller vätskans kompressibilitet. Kapillären har ett definierat tvärsnitt och en viss längd. Om vätskan betraktas som en newtonsk vätska beräknas volymflödet med en ekvation enligt Hagen- Poiseuille. (Härledningen av ekvationen ges i bl a Plastics: Design and Process Engineering, , Harold Belovsky, ISBN ) I ekvationen betecknas kapillärens radie med R, längden med L, vätskans viskositet med η och 78 PLASTFORUM Nr

5 Kapillärviskosimetern i princip Hagen-Poiseiulles ekvation för newtonsk vätska tryckfallet är p i kapillärens längd. Man antar att flödet är laminärt utan turbulens. Det går att beräkna både skjuvspänning och skjuvhastighet vid väggen enligt Hagen-Poiseulle men eftersom formeln gäller för newtonska vätskor blir den beräknade skjuvhastigheten vid väggen lägre än om vätskan betraktas som en icke newtonsk vätska. Formlerna för skjuvspänningen och skjuvhastighet vid kapillärväggen ger därför skenbara flödeskurvor (apperant flow curves). För noggranna beräkningar behövs emellertid verkliga flödeskurvor för den aktuella polymeren. Data för olika plastsammansättningars viskositeter ges i allmänhet av materialleverantören. Dessa data ges i tabeller eller i grafisk form men i de flesta fall ges endast skenbara värden. I grafisk form avsätts skjuvviskositet mot mätinstrumentets vägg som funktion av den skenbara skjuvhastigheten. Dessa skjuvviskositeter är således skenbara och inte korrigerade för ett icke newtonskt (pseudoplastisk) beteende. Dessutom tar man sällan hänsyn till tryckets inverkan på viskositeten, vilket inte är försumbart. För att ta fram en verkligare viskositetskurva som tar hänsyn till det icke newtonska beteendet används vanligen två metoder. En av dessa är Rabinowitschs metod. Metoden är relativt besvärlig och sker genom stegvis grafisk differentiering av den skenbara flödeskurvan. För två enkla geometrier gäller emellertid följande uttryck: Cylindrisk kanal: η verklig = [4n / (3n + 1)]η skenbar Rektangulär kanal: η verklig = [3n / (2n + 1)]η skenbar där n = 1 för newtonskt flöde och n< 1 för pseudoplastiskt flöde. I allmänhet är det fördelaktigt att använda korrigerade viskositetsvärden vid beräkningar. Ibland kan det emellertid räcka med okorrigerade värden när man endast vill uppskatta trenden i ett tryckfall och inte behöver det absoluta värdet. Man kan också bestämma viskositet hos den pseudoviskösa vätskan med hjälp av Hagen-Poiseuilles ekvation genom att använda representativa värden. Metoden är mindre exakt men enklare än föregående. Med metoden erhålls viskositeter bestämda ur värden, som erhålls en bit in i kanalen i stället för vid väggen. Det representativa läget befinner sig i skärningspunkten där skjuvhastigheten för den newtonska vätskan och den icke newtonska vätskan är densamma d v s vid r s =πr/4 markerad i de två figurerna (den nedre är ett förtydligande). Vi mäter således skjuvhastigheten av den icke newtonska vätskan i denna punkt i kanalen. Med hjälp av skjuvspänningen kan vi beräkna den verkliga viskositeten. Det kan vara nödvändigt att göra ytterligare en korrigering beroende på var tryckgivaren i viskosimetern är placerad och vilken utformning kapillären har. Om samverkande tryckgivare är placerade så att de registrerar trycket i kapillären behövs ingen korrigering, vilket är det vanliga när kapillärens tvärsnitt är rektangulärt och felen elimineras. Om en tryckgivare däremot är monterad mot tryckkammaren och kapillären har cirkulärt tvärsnitt görs en korrigering enligt Bagley. Övergången från tryckcylindern med stor diameter till den fina kapillären medför en tryckförlust. Förlust i trycket kan elimineras genom att använda två kapillärer av olika längd och samma diameter och korrigera pressförlusten med hjälp av Bagleys formel. Kon-plattaviskosimetern består av en stationär platta och en roterande kon enligt ovanstående figur. Konspetsen berör plattan och konen roterar med konstant hastighet. Provet befinner sig mellan konen och plattan. Skjuvhastighet och skjuvspänning är funktion av Läget i kapillären där skjuvhastigheten är lika för newtonsk och icke newtonsk värska Bagleys korrigering för tryckförlust Kon-plattaviskosimeter och Couetteviskosimeter radien r. Rotationshastigheten ger skjuvhastigheten och vridmomentet ger skjuvspänningen. Till fördelarna hör konstant skjuvhastighet oberoende av radien, små prov- PLASTFORUM Nr

6 Viskositetskurvor för amorft och delkristallint material Viskositetskurvor för två polyetenkvaliteter (PELD) mängder, snabb rengöring och byte av prov. Eftersom skjuvhastigheten är konstant i hela mellanrummet behövs ingen korrigering för pseudoplastiskt tillstånd. I platta-plattaviskosimetern är konen utbytt mot en andra platta. Coetteviskosimetern består av två koncentriska cylindrar. Den ena är stationär och den andra roterar med konstant hastighet. Rotationshastigheten och vridmomentet ger värden för vidare behandling. Flödet är laminärt i koncentriska lager men störs något av botten på viskosimetern.. Hur tillsatser, tryck, temperatur, molmassa och molmassafördelningen påverkar flytförmågan Ostwald/de Waele sambandet för icke newtonskt flöde Presentation av viskositetsmätningar Materialleverantörer presenterar resultaten av viskositetsmätningar vanligen i form av diagram där viskositeten avsätts mot skjuvhastigheten (deformationshastigheten) vid olika temperaturer. Diagrammet upprättas oftast i logskala för att täcka ett större område. I ovanstående figur görs en jämförelse mellan ett amorft material (polystyren) och ett delkristallint (polypropen) med sådana diagram. Observera att det amorfa materialet har brantare kurvor än det delkristallina. I allmänhet minskar viskositeten snabbare för amorfa än för delkristallina med ökad skjuvhastighet. Materialleverantörerna ger också kurvor som illustrerar flödet med skjuvhastigheten avsatt mot skjuvspänningen. Betrakta kurvan för polypropen, som beskriver viskositetens beroende av skjuvhastigheten vid den konstanta temperaturen 200ºC. Vid låga skjuvhastigheter har kurvan en närmast horisontell platå och materialets viskositetet är relativt konstant, vilket tyder på att det uppför sig som en newtonsk vätska. Platån har på engelska benämningen zero-shear viscosity och viskositeten betecknas med η 0 då skjuvhastigheten = 0. Inom platåområdet är skjuvhastigheterna betydlig lägre än vad som gäller vid formsprutning (<10 3 s - ). Vid högre skjuvhastigheter sjunker viskositeten märkbart och formsprutning sker normalt vid högre skjuvhastigheter än 1000 s -, där smältan är pseudoplastisk. Man kan urskilja två karaktäristiska drag hos kurvan. Först en horisontell del med viskositeten konstant och senare en lutande pseudoplastisk del. Mellan dessa delar har vi en övergång som på engelska kallas transition shear rate. Förloppet framkommer tydligare i viskositetskurvorna för de två polyetenkvaliteterna där den horisontella platån ligger i ett område med skjuvhastigheter som är lägre än t o m de, som är aktuella vid formpressning. Gällande skjuvhastighetsområden för olika bearbetningsmetoder anges i figuren. Kurvorna för polystyren och polypropen visar att materialens viskositet minskar då temperaturen stiger. Allmänt gäller att viskositeten ökar då trycket ökar. Tryckets inverkan är emellertid märkbart först vid tryck över 35 MPa. Amorfa polymerer som PVC och PMMA visar en kraftigare viskositetsökning vid en tryckökning än delkristallina polymer som PE och PP. Viskositeten minskar vid tillsatser av mjukningsmedel, som gör plasten mer lättflytande. Viskositeten ökar med högre molmassa samt vid högre halter av fyllmedel och förstärkande tillsatser (fyllmedel och t ex glasfiber har ju viskositet noll). Det kan därför vara nödvändigt att öka trycket vid bearbetning av fyllda material. Molmassan har ett avgörande inflytande på flytförmågan. Längre molekyler, d v s högre molmassa, är mer tilltrasslade än kortare molekyler och ger sämre flytförmåga. Om molmassafördelning är snäv har material med hög molmassa hög viskositet. Om molmassafördelning däremot är bred fås en lägre viskositet kortare molekyler hjälper nämligen de längre att flyta och de fungerar som smörjmedel eller som mjukningsmedel. Den nämnda platån med newtonskt beteende är framträdande vid snäva molmassafördelningar men försvinner vid en bred molmassafördelning enligt figuren. Det förekommer som omtalat flödeskurvor där skjuvhastigheten avsätts mot skjuvspänningen. Dessa kurvor upprättas också i log-diagram. Kurvorna består också här av i stort sett två räta linjer med en mellanliggande övergångszon. Lutningen av den övre delen på kurvan, som är den intressanta, betecknas med m och ingår i ett uttryck som kallas Ostwald och de Waeles lag. Φ i uttrycket kallas flödesparameter och m är flödesexponent. Flödeskurvor ges för polystyren där m = 5 gäller för formsprutning. 80 PLASTFORUM Nr

7 Smältindex Den mest utbredda metoden att bestämma flytbarheten hos plastsmältor är med hjälp av smältindex, som förkortas MFI, MI eller MFR (Melt Flow Index, Melt Flow Rate). Mätmetoden är standardiserad enligt ISO R1133, DIN och ASTM D1238. Bearbetare använder metoden för att kontrollera materialleveranser och för att få en grov uppskattning av processbarheten. Råvarutillverkaren använder smältindex i sina datablad. Mätmetoden innebär att en viss mängd material uppvärms under exempelvis 10 minuter och pressas med hjälp av en kolv med pålagda vikter genom ett trångt munstycke. Det utpressade materialet vägs. Lättflytande material ger högre värden än de som är svårsmälta och tröga. Standardmunstycket har diametern 2,095 mm och är 8 mm långt. Kolven belastas med standardiserade vikter, som utövar krafter från 3,19 N till 121 N och smältans temperatur varierar mellan 150ºC och 300ºC. Vikten hos det extrudat som pressas ut genom munstycket per 10 minuter anges som smältindex. Det är viktigt att förutsättningarna för provningen specificeras så att resultaten från flera provningar ska kunna jämföras. För ett LDPE-prov som smälts vid 190ºC och provningskraften är 2,16 N ges angivelsen MI(190,2.16) = 3.5 om 3,5g av materialet pressats ut genom munstycket under 10 minuter. Ursprungligen användes metoden för att karaktärisera PE. När det gäller andra plaster med helt andra viskositeter måste man ändra mätbetingelserna. Mätvärden som framtagits med olika förutsättningar är naturligtvis ej jämförbara. Smältindexet tas fram under temperaturer och tryckförhållanden som ej överensstämmer med de förhållanden som råder vid formsprutning. Mätmetoden har därför brister men smältindex anges ofta i datablad. Mätmetoden och har blivit accepterad på grund av sin enkelhet men den lämpar sig ej för klassificering av plaster med mycket låga smältviskositeter som polyamider. Mätmetoden ska alltid utföras med torrt prov och med de värden på belastningar och temperaturer, som har föreslagits av råvarutillverkaren. Smältindex för material som ska formsprutas ligger i området 5100 g/10 min. För andra bearbetningsmetoder gäller lägre smältindex enligt följande tabell: PLASTFORUM Nr Ostwald/de Waele sambandet för icke newtonskt flöde Formsprutning Rotationsgjutning Filmextrudering Formblåsning Extrudering av profiler ,5-6 0,1-1 0,1-1 Spiralprovet För att utröna en plasts flytbarhet införde formsprutaren tidigt spiralprovet. Formsprutning av spiralen sker i ett formverktyg vars ena halva innehåller en kanal, som för enkelhetens skull har ett tvärsnitt av en halvcirkel med diametern 4,8 mm. Spiralen har formen av en Archimedes spiral och dess radie ökar med 1,25 cm per varv. Kanallängden är 196 cm och formverktyget har yttermåtten 30cm x 23cm. Formverktyget har en kontrollerad uppvärmning. Formverktyget monteras i en mindre maskin i vilken cylindertemperatur, spruttryck, matning och cykeltid kan registreras. Skottkapaciteten ska motsvara den maximala mängd material som kan fylla spiralen. Då formsprutningen intrimmats sprutas 10 spiraler för att uppskatta flytbarheten vid ett visst tryck och en viss temperatur. Liknande flytbarheter fås vid andra tryck och temperaturer. Resultaten införs i grafer med spirallängden avsatt mot cylindertemperaturen. Graferna ger ett empiriskt mått på processbarheten hos en speciell plastkvalitet. I det bifogade diagrammet kan vi dessutom utläsa följande: 1. Linjen för polyeten med MFI 20 har en svag lutning över ett stort temperaturområde. Materialet är lätt att bearbeta eftersom även en stor temperaturändring har liten inverkan på flytförmågan. 2. Styv PVC, som också har en svagt lutande kurva men i ett snävt temperaturområde, är svår att bearbeta och kräver maximalt tryck. 3. Nylon 6 och 66 visar branta kurvor och speciellt 66 måste bearbetas inom ett snävt temperaturområde med noggrann temperaturkontroll. Det förekommer även formverktyg med utbytbara insatser så att spiralens tjocklek kan ändras. Spirallängden avsätts mot spiralens tjocklek. Resultaten kan användas för att jämföra flytegenskaper och förutsättningar för bearbetning av olika plastkompound. Resultaten kan hjälpa konstruktören att placera intaget rätt, speciellt när det gäller jämntjocka detaljer. En komplikation ligger i att fördelningskanalerna ofta orsakar den största delen av tryckfallet i ett formverktyg. Sådana spiralkurvor ges av materialleverantörerna och ger en allmän information om polymerers flytegenskaper. Spiralflödeskurvor Spiralprovet med formhalva (Källa ICI-manual) 81