MELT INDEX: UN'INDICAZIONE (IMPORTANTE MA NON ESAUSTIVA) DELLA VISCOSITA' DEL FUSO DI UN MATERIALE TERMOPLASTICO
Il Melt index o indice di fluidità è una delle proprietà più comunemente usate per fornire un’indicazione della fluidità di un materiale termoplastico.
Il metodo di prova è descritto in norme quali la ASTM D1238 e ISO 1133 e, concettualmente, si tratta di una prova relativamente semplice: un campione di circa 5 grammi di materiale termoplastico (o di un compound su base materiale termoplastico) viene scaldato oltre la temperatura di fusione (o di rammollimento) e forzato a passare attraverso un capillare di dimensioni note, tramite un pistone mosso da un peso definito (in genere 2.16 o 5 kg).
Si valuta quindi il peso del materiale che è fluito attraverso l’ugello in 10 minuti.
Fig.1: rappresentazione schematica dell’apparecchio di prova (Melt Flow index tester)
Questo valore, espresso quindi in [grammi/10 minuti], è il valore di Melt Flow Index o MFI (dall’acronimo, in inglese, di Melt Flow Index) anche noto come Melt Flow Rate (dall’acronimo, in inglese, di Melt Flow Rate) o grado del materiale.
Spesso si parla anche di MVR (dall’acronimo, in inglese, di Melt Volume Rate) il cui valore è espresso in [cm3/10 minuti].
La relazione tra il MFI e MVR è la densità del materiale alle condizioni di prova (densità del fuso) cioè: MFI [g/10’] = MVR [cm3/10’] x densità fuso [g/cm3].
Un valore di MFI elevato indica quindi una bassa viscosità del fuso alle condizioni di prova e viceversa (se fluisce molto materiale il valore di MFI è alto e la viscosità del fuso, alle condizioni di prova, è bassa e viceversa).
Il valore di MFI è quindi inversamente proporzionale alla viscosità del fuso alle condizioni di prova.
Questa proprietà (MFI, MVR) viene spesso usata per valutare la costanza (qualità) del materiale di lotti diversi e anche per una preselezione di un materiale (soprattutto per le poliolefine è una proprietà spesso riportata sulla scheda tecnica).
Il valore di MFI è di utilità specifica anche per determinare se un materiale ha subito un processo di degradazione (che modifica il peso molecolare e quindi la viscosità del polimero) durante la trasformazione (per esempio durante lo stampaggio ad iniezione di un pezzo finito)
Va comunque tenuto conto che il valore di MFI, per quanto sia un’indicazione importante della viscosità del fuso di un materiale termoplastico, rappresenta solamente un singolo punto (valore) di viscosità di quella che è l’intera curva reologica del materiale (non considerando il fatto che passare dal valore di MFI al valore di viscosità è fattibile solo attraverso correlazioni approssimate).
Il valore di MFI indica quindi il valore puntuale di viscosità del fuso ottenuto in specifiche condizioni, cioè quelle di prova, ovvero il valore ottenuto ad una data temperatura e ad una data velocità di deformazione (determinata dal peso applicato per la geometria definita dalla norma di prova).
Fig.2: esempio di curva reologica di un materiale pseudoplastico (viscosità vs shear rate in scala bilogaritmica)
In generale quando si parla di curva reologica (Fig.2) si considera la curva che rappresenta la viscosità del fuso, indicata in genere con il simbolo [η] (“eta”) ed espressa in [Pa*s], in funzione della velocità di deformazione in genere indicata con il termine inglese ”shear rate” e con il simbolo [γ*] (“gamma punto”) ed espressa in [1/s]. A diverse temperature si hanno chiaramente curve reologiche diverse. (Fig.2) considerando che la viscosità del fuso dipende in maniera sensibile (esponenziale) dalla temperatura.
A seconda dello specifico processo produttivo (estrusione, stampaggio ad iniezione, soffiaggio, ecc.) i valori di shear rate in gioco possono essere significativamente diversi e quindi lo saranno i valori di viscosità del materiale, considerando il comportamento non newtoniano dei materiali polimerici (considerando in specifico i materiali pseudoplastici o “shear thinning”).
In termini generali per esempio il campo di shear rate dei processi di estrusione è dell’ordine di 102 -103 [s-1] mentre per i processi di stampaggio ad iniezione si parla di shear rate dell’ordine di 103 -104 [s-1]
I diversi metodi di prova a loro volta permettono una valutazione della viscosità in diversi campi di shear rate: con il MFI si arriva a valori di shear rate dell’ordine delle decine di [s-1] (a seconda del peso applicato), con la reometria capillare si arriva a valori di shear rate dell’ordine decine di migliaia di [s-1] mentre con la reometria rotazionale si può scendere a valori molto piccoli di shear rate (dell’ordine di 10-2 [s-1]).
Questo comporta che il valore di MFI può non essere indicativo del comportamento del materiale nel processo specifico come pure può far sembrare due materiali come simili in termini di fluidità anche se in effetti non lo sono o far suppore che un materiale sia più fluido (meno viscoso) di un altro quando invece è vero il contrario nell’intervallo di shear rate di specifico interesse.
Fig.3: curva reologica di materiali generici.
Per esempio considerando le curve riportate nella Fig.3 si nota che i materiali A e B pur avendo lo stesso valore di MFI hanno viscosità del fuso significativamente diversa ad alti valori di shear rate (il materiale A ha una viscosità inferiore al materiale B ad alti shear rate).
Di contro il materiale C pur avendo una viscosità minore (MFI maggiore) rispetto al materiale A (e B) nelle condizioni di velocità di deformazione corrispondenti al MFI ha una viscosità maggiore del materiale A (e B) ad alti shear rate.
Va detto che la determinazione e la valutazione della curva reologica non è sempre semplice o immediata.
In RDLab137 possiamo supportare nella determinazione della curva reologica, a diverse temperature, con varie tecniche quali la reometria rotazionale e la reometria capillare, e quindi a valutare (e confrontare) in maniera più completa il comportamento reologico di materiali di interesse.
Ing. Luca Ciceri - RDLAB137 srl
Ultima revisione: 20/12/2020
