MFR i MVR tworzyw sztucznych: co naprawdę mówią wskaźniki płynięcia?

Najważniejsze informacje

• MFR określa masę tworzywa przepływającego przez znormalizowaną dyszę w określonym czasie.
• MVR określa objętość tworzywa przepływającego w analogicznych, kontrolowanych warunkach.
• Temperatura badania i zastosowane obciążenie stanowią integralną część wyniku.
• Nie należy bezpośrednio porównywać wartości uzyskanych w różnych warunkach badania.
• Wyższy wynik oznacza większy przepływ przez dyszę pomiarową w zadanych warunkach — nie uniwersalnie lepszą przetwarzalność.
• W obrębie porównywalnych gatunków tego samego polimeru wyższy przepływ często odpowiada niższej lepkości stopionego tworzywa i może wiązać się z niższą masą cząsteczkową.
• MFR i MVR nie pozwalają samodzielnie przewidzieć udarności, wytrzymałości, odporności cieplnej ani jakości gotowego detalu.

Czym są MFR i MVR?

MFR, czyli masowy wskaźnik szybkości płynięcia, określa masę stopionego tworzywa termoplastycznego, która przepływa przez znormalizowaną dyszę w określonym czasie, przy zadanej temperaturze i obciążeniu. Wynik podaje się najczęściej w:

g/10 min

MVR, czyli objętościowy wskaźnik szybkości płynięcia, określa objętość materiału przepływającego przez dyszę. Wynik wyraża się zazwyczaj w:

cm³/10 min

Standardową metodę badania opisuje norma ISO 1133-1. Pomiar wykonuje się za pomocą plastometru wyposażonego w ogrzewany cylinder, tłok oraz znormalizowaną dyszę.

ISO 1133-1 opisuje dwie podstawowe procedury:

• Procedura A pozwala wyznaczyć MFR na podstawie masy wytłoczonego materiału.
• Procedura B pozwala wyznaczyć MVR na podstawie przemieszczenia tłoka w określonym czasie.

MFR można obliczyć na podstawie MVR, a MVR na podstawie MFR, jeżeli znana jest gęstość stopionego tworzywa w temperaturze badania.

MFR i MVR nie są wartościami wymiennymi

MFR odnosi się do masy, natomiast MVR do objętości. Różnica ma szczególne znaczenie podczas porównywania materiałów o różnej gęstości.

Może to dotyczyć na przykład porównania:

• tworzywa nienapełnionego z tworzywem zawierającym napełniacz mineralny;
• gatunku niewzmocnionego z gatunkiem wzmacnianym włóknem szklanym;
• materiałów zawierających różne rodzaje lub ilości napełniaczy.

ISO 1133-1 wskazuje, że MVR może być szczególnie użyteczny przy porównywaniu tworzyw o różnej zawartości napełniaczy. Nie oznacza to jednak, że MVR stanowi pełny opis zachowania reologicznego materiału.

Oba parametry opisują zachowanie tworzywa tylko w jednym, zdefiniowanym punkcie pomiarowym. Nie zastępują pełnej charakterystyki lepkości materiału.

Dlaczego warunki badania są tak ważne?

Wartość MFR lub MVR bez podania warunków badania jest niepełna.

Prawidłowy zapis w karcie technicznej powinien zawierać:

• temperaturę badania;
• zastosowane obciążenie;
• jednostkę;
• metodę badawczą.

Samo podanie:

MFR: 12 g/10 min

nie wystarcza do rzetelnego porównania materiałów.

Ten sam materiał może uzyskać inne wyniki przy zmianie temperatury lub obciążenia. Dlatego dwie wartości można bezpośrednio porównywać tylko wtedy, gdy zostały oznaczone przy zastosowaniu równoważnych metod i takich samych warunków badania.

Ma to szczególne znaczenie podczas porównywania kart technicznych różnych producentów lub różnych rodzin polimerów. Zbliżony wynik MFR nie oznacza automatycznie, że dwa materiały będą zachowywać się tak samo podczas wtryskiwania lub wytłaczania.

Czy wyższy MFR oznacza łatwiejsze przetwórstwo?

Przy takich samych warunkach badania wyższy MFR oznacza, że przez znormalizowaną dyszę przepłynęła większa masa tworzywa. Wyższy MVR oznacza przepływ większej objętości materiału.

Wskazuje to na większą płynność w konkretnych warunkach pomiaru.

Może być ona korzystna w aplikacjach obejmujących:

• cienkie ścianki;
• długie drogi płynięcia;
• skomplikowaną geometrię;
• formy wielogniazdowe;
• ograniczone dostępne ciśnienie wtrysku;
• krótki czas wypełniania formy.

Z tego powodu gatunki o wysokiej płynności są często projektowane do cienkościennych detali i szybkich procesów wtryskiwania.

Wyższy MFR nie gwarantuje jednak łatwiejszego przetwórstwa.

ISO 1133-1 wskazuje, że szybkości ścinania występujące podczas standardowego badania są znacznie niższe niż w typowych procesach przemysłowych. Dwa materiały o podobnych wartościach MFR lub MVR mogą więc zachowywać się inaczej przy znacznie wyższych szybkościach ścinania występujących we wtryskarce.

Na rzeczywiste wypełnianie formy wpływają również:

• temperatura stopionego tworzywa;
• temperatura formy;
• prędkość i ciśnienie wtrysku;
• wymiary oraz położenie przewężki;
• konstrukcja układu wlewowego;
• grubość ścianek;
• długość drogi płynięcia;
• odpowietrzenie formy;
• zawartość włókien lub napełniaczy;
• wilgotność i przygotowanie materiału.

MFR lub MVR mogą być pomocne przy wstępnej selekcji materiału, ale nie zastępują prób technologicznych ani pełnej analizy reologicznej.

Czy wyższy MFR oznacza niższą masę cząsteczkową?

W przypadku porównywalnych gatunków należących do tej samej rodziny polimerów, badanych w identycznych warunkach, wyższa płynność często wiąże się z niższą lepkością stopionego tworzywa i może wskazywać na niższą średnią masę cząsteczkową.

Dłuższe łańcuchy polimerowe tworzą zazwyczaj więcej wzajemnych splątań i stawiają większy opór podczas przepływu. Krótsze łańcuchy mogą w tych samych warunkach przepływać łatwiej.

Zależność ta nie ma jednak charakteru uniwersalnego.

Badania komercyjnych tworzyw termoplastycznych wykazały, że użyteczne korelacje można wyznaczyć dla polimerów liniowych o zbliżonym rozkładzie masy cząsteczkowej. Zależność staje się bardziej złożona w przypadku polimerów rozgałęzionych oraz materiałów o różnej budowie cząsteczkowej.

Na MFR wpływa nie tylko średnia masa cząsteczkowa, ale również:

• rozkład masy cząsteczkowej;
• stopień rozgałęzienia łańcuchów;
• budowa kopolimeru;
• napełniacze i wzmocnienia;
• modyfikatory oraz dodatki przetwórcze;
• wilgoć;
• zanieczyszczenia;
• historia cieplna i przetwórcza materiału.

MFR nie powinien być zatem przedstawiany jako bezpośredni pomiar masy cząsteczkowej. Do jej oznaczania stosuje się odpowiednie metody analityczne, takie jak chromatografia żelowa, jeżeli jest właściwa dla danego materiału.

Prawidłowy wniosek brzmi:

W obrębie porównywalnej rodziny materiałów i zbliżonej formulacji wyższy MFR może wiązać się z niższą masą cząsteczkową. Nie jest to uniwersalna reguła pozwalająca porównywać różne tworzywa lub mieszanki.

Czy MFR pozwala przewidzieć właściwości mechaniczne?

MFR i MVR nie pozwalają samodzielnie przewidzieć właściwości mechanicznych gotowego detalu.

ASTM D1238 wskazuje, że wyniki pomiaru szybkości płynięcia są przydatne do oceny powtarzalności przepływu polimeru. Nie powinny jednak służyć do wnioskowania o powtarzalności innych właściwości bez potwierdzonej korelacji z dodatkowymi wynikami badań.

Gatunek o wyższej płynności może różnić się od gatunku o niższej płynności pod względem:

• wytrzymałości na rozciąganie;
• wydłużenia;
• udarności;
• odporności zmęczeniowej;
• odporności na pełzanie;
• odporności na środowiskowe pękanie naprężeniowe;
• właściwości w obszarze linii łączenia;
• długotrwałej odporności cieplnej.

Kierunek i skala tych różnic zależą od rodzaju polimeru, formulacji oraz sposobu zaprojektowania konkretnego gatunku. Nie należy więc zakładać, że wyższy MFR zawsze oznacza niższą wytrzymałość ani że dwa gatunki o podobnym MFR zapewnią takie same właściwości mechaniczne.

Wymagania mechaniczne i cieplne należy weryfikować na podstawie odpowiednich parametrów w karcie technicznej, a w razie potrzeby również w gotowym detalu.

Zastosowanie MFR i MVR w kontroli jakości

MFR i MVR są powszechnie wykorzystywane w kontroli jakości, ponieważ pozwalają stosunkowo szybko ocenić, czy zachowanie materiału podczas płynięcia mieści się w ustalonym zakresie.

Parametry te można wykorzystywać do:

• porównywania partii produkcyjnych;
• kontroli powtarzalności dostarczanego materiału;
• wykrywania zmian w zachowaniu tworzywa;
• wspierania analizy problemów procesowych;
• monitorowania materiału pochodzącego z recyklingu lub materiału ponownie wprowadzanego do procesu względem zatwierdzonego poziomu odniesienia.

Nieoczekiwana zmiana MFR lub MVR może wskazywać, że zmienił się materiał albo jego stan. Sam wynik nie pozwala jednak określić przyczyny.

Na zmianę mogą wpływać między innymi różnice w formulacji, budowie cząsteczkowej, wilgotności, stopniu degradacji, zawartości napełniacza, poziomie zanieczyszczenia albo sposobie wykonania badania. Przed sformułowaniem wniosku konieczna jest dalsza analiza.

Materiały wrażliwe na wilgoć i temperaturę

Niektóre tworzywa termoplastyczne są szczególnie wrażliwe na wilgoć lub czas przebywania w podwyższonej temperaturze podczas badania.

Nieprawidłowe suszenie albo zbyt długi czas przebywania materiału w ogrzewanym cylindrze mogą prowadzić do zmian zachodzących już podczas pomiaru. Hydroliza, rozpad łańcuchów, kondensacja lub sieciowanie mogą zmienić zachowanie reologiczne tworzywa.

Norma ISO 1133-2 opisuje dokładniej kontrolowaną metodę przeznaczoną dla materiałów, których zachowanie reologiczne jest wrażliwe na wilgoć lub historię czasowo-temperaturową. Wprowadza ona bardziej rygorystyczną kontrolę temperatury, czasu badania oraz przygotowania próbki.

Uzyskanie powtarzalnych wyników dla wrażliwych tworzyw konstrukcyjnych wymaga:

• przygotowania zgodnego z zaleceniami producenta materiału;
• kontrolowanego suszenia, jeżeli jest wymagane;
• powtarzalnego sposobu postępowania z próbką;
• kontrolowanego czasu przebywania w temperaturze badania;
• zastosowania odpowiedniej metody;
• udokumentowania warunków pomiaru.

Wynik uzyskany z nieprawidłowo przygotowanej próbki może opisywać stan powstały podczas badania, a nie właściwości pierwotnego granulatu.

Jak technolodzy powinni wykorzystywać MFR i MVR?

MFR i MVR przynoszą największą wartość jako element szerszego procesu doboru materiału oraz walidacji procesu.

Przed porównaniem wartości należy sprawdzić:

1. Rodzinę polimeru
   Czy materiały są oparte na tym samym polimerze lub rzeczywiście porównywalnej formulacji?
2. Metodę badawczą
   Czy oba wyniki uzyskano zgodnie z tą samą właściwą normą?
3. Temperaturę i obciążenie
   Czy warunki pomiaru były identyczne?
4. Jednostkę
   Czy podano MFR w g/10 min, czy MVR w cm³/10 min?
5. Stan materiału
   Czy próbki zostały wysuszone i przygotowane w porównywalny sposób?
6. Wzmocnienia i dodatki
   Czy porównywane gatunki są nienapełnione, wzmacniane, uniepalnione, modyfikowane udarnościowo lub różnią się innymi dodatkami?
7. Wymagania mechaniczne i cieplne
   Czy materiał spełnia wymagania dotyczące udarności, sztywności, wytrzymałości, odporności cieplnej, palności i warunków środowiskowych?
8. Konstrukcję detalu i formy
   Czy droga płynięcia, grubość ścianek, układ wlewowy oraz przewidywane linie łączenia są odpowiednie dla materiału?
9. Walidację procesu
   Czy materiał został sprawdzony w docelowej formie, rzeczywistym oknie procesowym i końcowej aplikacji?

Najczęstsze błędy interpretacyjne

Porównywanie wartości zmierzonych w różnych warunkach

Wartości MFR oznaczonej przy określonej temperaturze i obciążeniu nie można rzetelnie porównywać z wynikiem uzyskanym w innych warunkach.

Traktowanie MFR jako uniwersalnej wartości lepkości

MFR jest empirycznym pomiarem przepływu wykonywanym w jednym punkcie. Nie stanowi pełnej krzywej lepkości i nie opisuje zachowania materiału w całym zakresie szybkości ścinania występujących podczas przetwórstwa.

Zakładanie, że najwyższa wartość oznacza najlepszy materiał

Gatunek o bardzo wysokiej płynności może pomagać w wypełnianiu formy, ale aplikacja może wymagać innego poziomu udarności, odporności na pełzanie, odporności chemicznej lub długotrwałej trwałości.

Uznawanie zmiany MFR za dowód degradacji

Zmiana MFR może być zgodna ze zjawiskiem degradacji, ale nie stanowi jego jednoznacznego potwierdzenia. Na wynik mogą również wpływać wilgoć, zanieczyszczenia, różnice w formulacji i zmienność pomiaru.

Porównywanie niepowiązanych materiałów wyłącznie na podstawie MFR

Identyczne wartości liczbowe nie czynią dwóch różnych polimerów równoważnymi technicznie. Ich zachowanie reologiczne, skurcz, krystalizacja oraz właściwości cieplne i mechaniczne mogą pozostać całkowicie odmienne.

Najczęściej zadawane pytania

Czym różnią się MFR i MFI?

MFI, czyli melt flow index, jest powszechnie używanym określeniem branżowym. Aktualna terminologia ISO rozróżnia MFR — masowy wskaźnik szybkości płynięcia — oraz MVR — objętościowy wskaźnik szybkości płynięcia. Karta techniczna powinna jednoznacznie wskazywać rodzaj parametru, jednostkę i warunki badania.

Czy wysoki MFR jest lepszy do wtryskiwania?

Nie zawsze. Wyższy MFR może ułatwiać wypełnianie cienkich ścianek lub długich dróg płynięcia, ale powodzenie procesu zależy również od geometrii detalu, konstrukcji formy, parametrów przetwórstwa i zachowania materiału przy szybkościach ścinania występujących podczas wtryskiwania.

Czy można porównywać MFR różnych polimerów?

Można porównać same liczby, ale wynik może mieć niewielkie znaczenie techniczne. Bezpośrednie porównanie jest najbardziej wiarygodne dla podobnych materiałów badanych w identycznych warunkach. MFR nie powinien samodzielnie decydować o możliwości zastąpienia jednego polimeru innym.

Czy wyższy MFR zawsze oznacza niższą masę cząsteczkową?

Nie. Taka zależność może występować w obrębie porównywalnych gatunków tej samej rodziny polimerów. Na MFR wpływają jednak również rozkład masy cząsteczkowej, rozgałęzienie łańcuchów, dodatki, napełniacze, wilgoć oraz historia materiału.

Czy MFR pozwala ocenić przydatność materiału z recyklingu?

MFR może wspierać kontrolę jakości i wskazać zmianę właściwości płynięcia. Nie potwierdza jednak samodzielnie składu, poziomu zanieczyszczeń, stopnia degradacji, właściwości mechanicznych ani przydatności materiału do konkretnej aplikacji.

Czy materiały o takim samym MFR można przetwarzać przy identycznych parametrach?

Niekoniecznie. Podobne wartości MFR nie gwarantują identycznej lepkości przy szybkościach ścinania występujących podczas przetwórstwa ani równoważnych właściwości cieplnych, mechanicznych i skurczowych. Parametry procesu należy ustalać dla konkretnego gatunku i aplikacji.

Czy MVR jest lepszy od MFR dla materiałów napełnionych?

MVR może być szczególnie przydatny podczas porównywania materiałów zawierających różne ilości napełniaczy, ponieważ odnosi się do objętości, a nie masy. Nadal należy jednak uwzględnić gęstość, warunki badania oraz pełny skład materiału.

MFR jest narzędziem doboru, a nie ostateczną decyzją

MFR i MVR dostarczają użytecznych informacji o przepływie polimeru w znormalizowanych warunkach. Wspierają porównywanie gatunków, kontrolę jakości oraz wstępną ocenę zachowania materiału podczas przetwórstwa.

Nie powinny być jednak traktowane jako uniwersalne wskaźniki jakości, przetwarzalności, masy cząsteczkowej ani właściwości gotowego detalu.

Prawidłowa decyzja materiałowa powinna łączyć informacje dotyczące płynięcia z:

• pełną kartą techniczną;
• geometrią detalu;
• konstrukcją formy;
• rzeczywistymi warunkami procesu;
• wymaganiami mechanicznymi i cieplnymi;
• wymaganiami regulacyjnymi;
• próbami w docelowej aplikacji.

Zespół Danje-Polymer wspiera klientów w interpretacji danych technicznych, doborze odpowiednich gatunków oraz walidacji materiałów w konkretnych zastosowaniach.