Transcript FORMSPRUTNING

BEARBETNING FRÅN A TILL Ö
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?
A
Ö
Plastsmältans flytbarhet
°
DE SVARA MAKROMOLEKYLERNA
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.
kyler, 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.
■ 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 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 1920talet 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
Polymeren är viskoelastisk.
Polymeren är uppbyggd av mycket
långa molekyler eller makromole-
PLASTFORUM Nr 11 2004
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).
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.
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.
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 1 000 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
75
BEARBETNING FRÅN A TILL Ö
A
Ö
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 dubbel-
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.
76
bindningar 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/cm3.
Polyeten och polypropen flyter på
vatten och polytetrafluoreten har
något högre densitet än 2 g/cm3.
Glasfiberarmerade termoplaster
har en densitet av ca 2,32 g/cm3 och
termoplaster fyllda med vissa mineral och metaller når densiteter av
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
6,2 g/cm3 . Jämförelsevis är aluminiums densitet 2,72 g/cm3 och ståls
7,82 g/cm3. 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
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.
PLASTFORUM Nr 11 2004
Schematisk modell av laminärt flöde under skjuvning
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 (16421727) 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 tempe-
Volymelement under skjuvspänning
raturen. 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 m2
(Ns/m2). I det äldre CGS- systemet är enheten poise.
(En vätska har en viskositet av en poise då en kraft av 1
dyn/cm2 kan få två parallella ytor med ytorna 1 cm2 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 = 0,001002
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 100
000 Pa·s och termoplastsmältors viskositeter varierar
mellan 50 och 10 000 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
10 – 100 s-1
PLASTFORUM Nr 11 2004
Strängsprutning
Formsprutning
100 – 1 000 s-1
1 000 – 10 000 s-1
Eftersom termoplastsmältor har viskositeter mellan 50
och 10 000 Pa s erhålls motsvarande skjuvspänningar (τ):
τ = skjuvhastighet • viskositet = 1 000 50 till
10 000 • 10 000 = 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 m2/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.
77
BEARBETNING FRÅN A TILL Ö
A
Ö
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 (NonNewtonian 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
78
Avvikelser från den räta flödeskurvan
Flödeskurvor med lutningen η1 > η2 > η3
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 till-
stånd. 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 HagenPoiseuille. (Härledningen av ekvationen ges i bl a Plastics: Design and
Process Engineering, 191-194,
Harold Belovsky, ISBN 1-56990179-1.) I ekvationen betecknas
kapillärens radie med R, längden
med L, vätskans viskositet med η och
PLASTFORUM Nr 11 2004
Kapillärviskosimetern i princip
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 uppskatPLASTFORUM Nr 11 2004
Hagen-Poiseiulles ekvation för newtonsk vätska
ta 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
rs=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 prov79
BEARBETNING FRÅN A TILL Ö
A
Ö
Viskositetskurvor för amorft och delkristallint material
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..
Presentation av
viskositetsmätningar
Materialleverantörer presenterar
resultaten av viskositetsmätningar
vanligen i form av diagram där viskoHur tillsatser, tryck, temperatur, molmassa
och molmassafördelningen påverkar flytförmågan
Ostwald/de Waele–sambandet för icke newtonskt flöde
80
Viskositetskurvor för två polyetenkvaliteter (PELD)
siteten 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 η0 då skjuvhastigheten = 0.
Inom platåområdet är skjuvhastigheterna betydlig lägre än vad som gäller
vid formsprutning (<103 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.
PLASTFORUM Nr 11 2004
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 53735 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 11 2004
Ostwald/de Waele–sambandet för icke newtonskt flöde
Formsprutning
Rotationsgjutning
Filmextrudering
Formblåsning
Extrudering av profiler
5-100
5-20
0,5-6
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