Rheologische Prüfungen an Kunststoffen

Rheologische Prüfungen an Kunststoffen erfassen das Fließverhalten und Verarbeitungsfähigkeit von Kunststoffschmelzen.

Das IKET führt folgende Prüfungen durch:

Schmelzindex

Der Schmelzindex ist die gebräuchlichste Kenngröße, um die Fließfähigkeit einer thermoplastischen Kunststoffschmelze zu bestimmen. Er wird in der Regel in der Wareneingangskontrolle eingesetzt, um Schwankungen in der Verarbeitungsfähigkeit von Charge zu Charge zu erfassen.

Bei der Schmelzindexprüfung wird der Thermoplast (in Form von Granulat oder Pulver) in einen beheizbaren Zylinder gegeben und bei einer für den jeweiligen Kunststoff vorgegebenen Prüftemperatur aufgeschmolzen. Ein ebenfalls für den Kunststoff vorgegebene Masse auf dem Kolben des Zylinders treibt die Schmelze durch eine definierte Düse. Das Gewicht der ausgetriebenen Schmelze pro 10 Minuten ergibt die Schmelze-Massefließrate (MFR-Wert). Dividiert man den MFR-Wert durch die Schmelzdichte, so erhält man die Schmelze-Volumenfließrate (MVR-Wert).

Ein Beispiel ist der MFR/260/2,16-Wert (Prüftemperatur 260 °C, Masse 2,16 kg) von Pocan® B4225 000000 (PBT-GF20 FR), der 15 g/10 min beträgt. Der MFR-Wert wird im Allgemeinen im Materialdatenblatt angegeben.

Der Schmelzindex gilt jedoch immer nur für einen bestimmten Kunststoff und kann nicht direkt mit dem Wert eines anderen Kunststoffs verglichen werden.

Lösungsviskosität / Viskositätsabbauprüfung

Die Fließfähigkeit einer thermoplastischen Kunststoffschmelze steht in Korrelation zur mittleren molaren Masse (Molekulargewichtsverteilung). Durch zu hohe Scherkräfte und/oder eine zu hohe bzw. zu lange thermische Belastung werden die Kunststoffmoleküle verkürzt. Die Bestimmung der Viskositätszahl (VZ-Wert) mittels Lösungsviskosimetrie ist eine hochgenaue Methode zur Charakterisierung des mittleren Molekulargewichts eines Kunststoffs. Dieses Verfahren wird insbesondere zur Erfassung des Materialabbaus während des Fertigungsprozesses genutzt.

Die Viskositätszahl beschreibt das Verhältnis der Viskosität einer Polymerlösung zur Viskosität des reinen Lösungsmittels. In der Regel gilt: Je höher der VZ-Wert, desto höher ist das mittlere Molekulargewicht und desto zäher ist die Schmelze eines Thermoplasts.

Eine Erniedrigung der Viskositätszahl um mehr als 10 Prozent deutet in der Regel auf eine nicht mehr akzeptable Schädigung des Kunststoffs hin. Doch auch ein geringerer Abbau kann je nach Anwendung bereits ein Problem darstellen. Dies gilt jedoch nur für Materialien aus der gleichen Charge im Vergleich von Granulat zu spritzgegossenen Bauteilen. Idealerweise sollte das Granulat zeitgleich mit dem Bauteil aus dem Fertigungsprozess entnommen werden, da selbst innerhalb einer Charge Schwankungen auftreten können.

Vor der Messung müssen die Kunststoffproben getrocknet werden. Bei glasfaserverstärkten Kunststoffen muss zudem der Glasfasergehalt über den Glührückstand ermittelt werden.

Die Bestimmung der Lösungsviskosität ist jedoch nur bei Thermoplasten möglich, die sich durch ein Lösemittel lösen lassen.

Schmelzviskosität

Anders als bei Kapillarviskosimetern, bei denen eine Druckströmung vorliegt, nutzen Rotationsviskosimeter eine Scherströmung zur Viskositätsmessung. Bei der Rotationsviskosimetrie wird die Kunststoffschmelze zwischen zwei relativ zueinander rotierenden Platten, einem Kegel und einer Platte oder zwei Koaxialzylindern geschert. Durch die Messung des dabei auftretenden Drehmoments und der Winkelgeschwindigkeit können die Schubspannung und die Schergeschwindigkeit bestimmt werden. Mit diesen beiden Größen lässt sich die Viskosität der Schmelze berechnen.

Rotationsviskosimeter finden sowohl bei der Qualitätskontrolle von Kunststoffen als auch bei der Materialentwicklung Anwendung.