آزمون آهنگ شارش مذاب (بخش چهارم)

بسپار- با این­که آزمون آهنگ شارش مذاب (MFR) می­تواند مفید باشد، اما همیشه کاربردی نیست. آزمون برای جرم مولکولی ­های مختلف گزارش شده است. عوامل متعددی می­توانند تفسیر نتایج را دشوار سازند. در این بخش، به این عوامل اشاره شده و در ادامه دلایل و مشکلات خاص مربوط به اندازه­ گیری شارش مذاب در نایلون آورده شده است.

عامل اول، بسپارهایی هستند که در ابتدا از طریق شکست زنجیر (chain scission) تخریب نمی­شوند و واکنش شیمیایی زنجیرهای بسپار را کوتاه­تر می­کند.

PVC مثال خوب این مورد است. تخریب در PVC با فرایند شناخته شده­ی هیدروکلرید­زدایی (dehydrochlorination) شروع می­شود و طی این واکنش، کلریدهیدروژن جدا می­شود. چنان­چه اتم­ های کلر و هیدروژن از زنجیر اصلی بسپار جدا شوند، پیوند­های دوگانه شکل گرفته و تغییر رنگ ایجاد می­شود. اما اکسایش که آغازگر شکست زنجیر است ممکن است تا زمانی که از دست دادن کلرید هیدروژن به میزان قابل توجهی نرسد، شروع نشود. بنابراین، ممکن است بسپار دچار تغییر قابل توجهی شود، بدون اینکه کاهش جرم مولکولی مشاهده شود.

مشکل دوم، واکنش­های رقابتی هستند که می­توانند افزایش و کاهش جرم مولکولی بسپار را هم­زمان موجب شوند. بسپارهایی مانند نایلون­ها و پلی­استرها می­توانند تحت واکنش­های پیچیده­ای قرار گیرند که این نوع رفتار را ایجاد می­کند. شکل 1 مقایسه دو پلی­ استر PBT مختلف را در حالت مذاب برحسب زمان نشان می­دهد. گرانروی مذاب به­صورت دوره­ای با استفاده از شارش­سنج موی­لوله­ای در یک آهنگ برشی ثابت اندازه­گیری شد. یکی از مواد، پایداری عالی و تغییرات گرانروی بسیار کمی در طول آزمون نشان داد. با این حال، ماده ­ی دیگر در ابتدا تحت کاهش سریع گرانروی ناشی از شکست زنجیر و سپس افزایش گرانروی در نتیجه­ی ایجاد اتصالات عرضی حاصل از اکسایش که موجب شکست اولیه زنجیرهای بسپار شده بود، قرار گرفت.

آزمون­های MFR انجام شده در زمان­های مختلف، برداشت­های بسیار متفاوتی از شرایط بسپار را فراهم می­کند. نمونه گرفته شده در زمان 20 الی 25 دقیقه، تخریب قابل توجهی را نشان می­دهد، در حالی­که نمونه گرفته شده در 40 دقیقه هیچ تغییری نشان نمی­دهد. هم­چنین نمونه گرفته شده در 55 دقیقه افزایش جرم مولکولی نشان می­دهد، با وجود این­که قطعه قالب­گیری شده در این شرایط می­تواند بسیار شکننده باشد.

[EasyDNNGallery|19580|Width|400|Height|400|position||resizecrop|False|lightbox|False|title|False|description|False|redirection|False|LinkText||]

شکل 1: مقایسه دو پلی ­استر PBT از طریق شارش­ سنج موی­ لوله ­ای

مواد بهبوددهنده ضربه می­توانند اثر مشابهی به همین دلیل ایجاد کنند. کائوچوی بوتادین و کائوچوی EPDM هر دو معمولا به عنوان بهبوددهنده ضربه استفاده می­شوند. هر دو ماده زمانی­که در معرض دمای زیاد قرار گیرند، قادرند اتصالات عرضی تشکیل دهند. ایجاد اتصالات عرضی می­تواند باعث کاهش مقدار MFR در طول فراورش شود، رفتاری که اغلب در موادی نظیر ABS، آمیخته­PPE/HIPS  و نایلون حاوی بهبوددهنده ضربه مشاهده می­شود. سایر ترکیبات مانند تاخیرانداز شعله می­تواند پاسخ مواد به فرایندکاری را پیچیده  ­تر کنند. به طور کلی، اکثر ترکیبات موجود در آمیزه، تفسیر نتایج آزمون MFR را دشوارتر می­سازند.

دیگر نمونه­ی مهم، تاثیر پرکننده است. از آن­جایی که پرکننده­ ها در دماهای فرایندکاری ذوب نمی­شوند، تمایل دارند گرانروی مذاب را افزایش دهند. این افزایش در هر آهنگ برشی قابل تشخیص است، اما در آهنگ­های برشی کمتر که نبودن جهت­گیری، ذرات پرکننده یا الیاف را در برابر شارش یافتن مقاوم­تر می­سازد، بارزتر است. این امر به­ویژه برای تقویت­کننده­هایی مانند الیاف شیشه درست است. فرایندکاری می­تواند طول زنجیر بسپار را کاهش دهد و این اولین دلیل برای انجام آزمون MFR روی قطعات تولید شده و مواد خام سازنده­ی آن است. هم­چنین فرایندها با برش زیاد (مانند قالب­گیری تزریقی) باعث کاهش طول الیاف می­شود و این کاهش با تغییر مقدار MFR همراه است. هر زمان که آزمون MFR روی مواد پر شده با الیاف شیشه انجام شود، مقدار اندازه­گیری شده ترکیبی از پاسخ بسپار و الیاف است. اگر درصد الیاف افزایش یابد، سهم این ترکیب مهم­تر می­شود.

معمولا در طول فرایند قالب­گیری، طول الیاف تا 50 درصد کاهش می­یابد. این الیاف کوتاه­تر راحت­تر از الیاف بلندتر در مواد خام پایه در دستگاه MFR جریان می­یابند. بنابراین، اعمال قانون 40 درصد در مواد پرشده ممکن نیست. حتی در بارگذاری 10 درصد الیاف شیشه، افزایش MFR ممکن است تا حدود 75 درصد باشد. افزایش مجاز MFR برای 30 درصد الیاف شیشه، ممکن است به بزرگی 200 درصد باشد. اختلاف این مقادیر و مقدار 40 درصد برای مواد پرنشده استفاده شد تا مقدار مجاز اثر کاهش طول الیاف بر گرانروی مذاب فراهم شود. هنگام کار با الیاف بلند شیشه­، عدم اطمینان حتی بیشتر می­شود. در حالی پرکننده­های ذره­ای مانند تالک ممکن است اختلاف کمتری نسبت به محصول پرنشده نشان دهند.

در حالت ایده­آل، آزمون MFR برای مواد پرشده انجام نمی­شود؛ درعوض، از طریق انحلال بسپار در حلال و حذف پرکننده تنها مقدار MFR بسپار درنظر گرفته می­شود. با این حال، آزمون MFR قابل دسترس است و به راحتی انجام می­شود و بسیاری از تامین ­کنندگان مواد پرشده هنوز هم از MFR به عنوان عامل کنترل کیفیت برای متوسط جرم مولکولی ​​استفاده می­کنند. بنابراین، داشتن روشی که اجازه دهد سهم کاهش طول الیاف را در MFR ماده پرشده درنظر بگیرید مفید است.

استال که امروزه به عنوان POM شناخته شده است، مشکل متفاوتی نشان می­دهد. MFR اغلب برای تمایز بین انواع بسپارها استفاده می­شود. با این حال، آزمون MFR برای تشخیص تخریب ناشی از فرایند در استال مفید نیست. در واقع، روش­های حتی بسیار پیچیده­تر مانند سوا­نگاری (کروماتوگرافی) ژل تراوایی (GPC) نیز اغلب هیچ گونه تغییر قابل اندازه­گیری در جرم مولکولی این بسپار نشان نمی­دهد. زیرا آهنگ کاهش جرم مولکولی در استال­ها در شرایط فرایندی بسیار سریع است، به­طوری که جرم مولکولی زنجیرهای بسپار در حال تخریب آن قدر سریع کم می­شود که گرانروی مذاب بسپار را تحت تاثیر قرار نمی­دهد. مقدار قابل توجهی زنجیر با طول متوسط ​​در استالِ تخریب شده، وجود ندارد. روش­های تحلیلی دیگری که می­تواند تخریب در POM را تشخیص دهد، وجود دارد. اما روش­هایی مانند MFR، گرانروی محلول و GPC برای تعیین جرم مولکولی کارایی ندارند.

با این حال، تخریب استال که در حالت جامد رخ می­دهد، برای تولید مقدار قابل توجهی زنجیر با طول متوسط، به قدر کافی آهسته است. مثال خوب دیگر، در معرض قرار گرفتن مداوم با آب گرم است، به ویژه اگر محیط آبی کمی اسیدی باشد. در این وضعیت، کاهش متوسط جرم مولکولی، ناشی از ایجاد ترکیبات با جرم مولکولی کم که آزمون MFR برای تشخیص آن طراحی شده، به اندازه کافی آهسته است. چنان­چه قطعات قالب­گیری شده در آب 90 درجه سانتی­گراد به مدت 1000 ساعت غوطه­ور شوند، همگن­بسپار استال، افزایش 100 درصدی در MFR نشان می­دهد.

در حالی که در داده­برگ­های اکثر گرمانرم­های تجاری، مقدار MFR گزارش شده است، برخی از مواد هیچ اشاره­ای به این مقدار نکرده­اند. در ادامه دلایل این بحث و برخی از مشکلات خاص مربوط به اندازه ­گیری شارش مذاب در نایلون آورده شده است.

مواد تجاری که مقدار MFR را به عنوان بخشی از خواص منتشر کرده­ اند، گواه سودمندی انجام این آزمون هستند. در واقع، برای هر نوع ماده در خانواده­ی بسپارها این داده­ ها فراهم شده و در فهرست داده ­برگ­ها تقریبا همیشه مقدار MFR برای هر قطعه آورده شده است. اما چندین بسپار وجود دارند که مقدار MFR آن­ها با مقدار تامین ­کننده یکی نیست و مقادیر MFR بسپارهای اندکی نیز توسط هیچ تامین­ کننده­ای گزارش نشده است.

دلایل این امر متفاوت است. برخی از آن­ها قراردادی است. برای مثال، تولیدکنندگان PET اَریخت (آمورف) استفاده از گرانروی ذاتی (IV) را به جای استفاده از MFR انتخاب می­کنند. این آزمون شامل ساختن محلول رقیق از بسپار در حلال مناسب و سپس مقایسه آهنگ شارش این محلول با آهنگ شارش حلال خالص از طریق یک ظرف شیشه­ای با ابعاد استاندارد است. هر چه تفاوت بین این آهنگ­های شارش بیشتر باشد، به معنی IV بیشتر و متوسط جرم مولکولی بیشتر بسپار است. انجام آزمون IV به دلیل نیاز به دستگاه حساس و استفاده از برخی مواد شیمیایی بسیار سمی دشوارتر است. با این حال، این آزمون را می­توان در دمای محیط انجام داد. در نتیجه نیاز به خشک کردن مواد به عنوان یک مرحله­ی مقدماتی ندارد، مرحله­ای که در هنگام آزمون در حالت مذاب مورد نیاز است.

مثال دیگر، مواد پر شده هستند که در آن­ها نیز آزمون MFR اغلب اجتناب می­شود. 

در صورت تمایل به دریافت نسخه نمونه رایگان و یا دریافت اشتراک با شماره های 02177523553 و 02177533158 داخلی 3 سرکارخانم ارشاد تماس بگیرید. امکان اشتراک آنلاین بر روی صفحه اصلی همین سایت وجود دارد