Vor allem bei Fertigungsverfahren wie dem Spritzguss und der Extrusion ist der Schmelzflussindex eine entscheidende Eigenschaft von Kunststoffen. Denn er hilft dabei, zu bestimmen, wie gut ein Kunststoff in geschmolzenem Zustand fließt. Damit wirkt sich der Schmelzflussindex unmittelbar auf die Verarbeitung und die Qualität des Endprodukts aus. In diesem Beitrag erklären wir, was genau es mit dem Schmelzflussindex auf sich hat!
Was ist der Schmelzflussindex von Kunststoff?
Der Schmelzflussindex (MFI), auch bekannt als Schmelzindex (MI) oder Schmelzflussrate (MFR), gibt die Menge an geschmolzenem Kunststoff an, die unter bestimmten Gewichts- und Temperaturbedingungen innerhalb von zehn Minuten durch ein Rohr mit einem festgelegten Durchmesser fließt.
Der Schmelzflussindextest ist ein wichtiges Verfahren, um die Fließeigenschaften von thermoplastischen Materialien zu bestimmen. Er liefert Messwerte, die wesentlich sind, um die Verarbeitbarkeit und die Qualität von Kunststoffprodukten sicherzustellen.
Während ein höherer MFI bedeutet, dass der jeweilige Kunststoff leichter fließt, besagt ein niedrigerer MFI, dass der Kunststoff schlechter fließt. Damit ist die Schmelzflussrate ein wichtiger Hinweis auf die Fließfähigkeit eines Kunststoffmaterials unter Druck.
Sie hängt mit dem Molekulargewicht und der Viskosität zusammen und spielt eine Rolle, wenn wir geeignete Kunststoffe für die verschiedenen Fertigungsverfahren auswählen.
Inhalt:
Warum ist der Schmelzflussindex beim Spritzguss von Bedeutung?
Beim Spritzguss beeinflusst der Schmelzflussindex mehrere wichtige Aspekte des Formgebungsprozesses und die Qualität des Endprodukts:
- Der MFI misst die Fließfähigkeit des geschmolzenen Kunststoffs. Ein höherer Wert weist darauf hin, dass der geschmolzene Kunststoff besser fließt. Dadurch eignet er sich besser für komplizierte Formen und dünnwandige Teile.
- Der MFI wirkt sich auf die Temperatur- und Druckeinstellungen während des Formens aus. Einen Kunststoff mit einem hohen MFI können wir mit einer niedrigeren Temperatur und weniger Druck verarbeiten. Das spart Energie und schont die Maschinen.
- Kunststoffe mit einem höheren Schmelzflussindex füllen Formen in aller Regel schneller aus und kühlen schneller ab. Das verkürzt die Zykluszeiten und erhöht die Produktionseffizienz.
- Auf die mechanischen Eigenschaften des Endprodukts hat der MFI ebenfalls Einfluss. Ein Kunststoff mit einer hohen Schmelzflussrate kann kürzere Molekülketten und eine geringere Festigkeit oder Schlagfestigkeit haben. Denn ein hoher MFI geht mit einem niedrigen Molekulargewicht einher.
- Ein Kunststoff mit einer geeigneten Schmelzflussrate führt zu einer besseren Oberflächenqualität und verringert die Gefahr von Mängeln wie Fließspuren oder Hohlräumen. Er stellt eine gleichbleibende Verarbeitungs- und Produktqualität sicher und beugt Abweichungen vor, die die Funktionalität oder die Optik des fertigen Teils beeinträchtigen.
- Durch einen Vergleich der Schmelzflussraten eines Kunststoffs unter verschiedenen Bedingungen können wir beurteilen, wie sich das Molekulargewicht in der Breite verteilt. Auf dieser Basis können wir geeignete Materialien für die jeweiligen Anwendungen auswählen.
Wie wird der Schmelzflussindex eines Kunststoffs ermittelt?
Um zu messen, wie leicht ein thermoplastischer Kunststoff schmilzt und fließt, wird üblicherweise ein standardisiertes Testverfahren angewendet. Dabei wird der Kunststoff in ein Metallrohr mit einem bestimmten Durchmesser eingefüllt und der Zylinder so lange erhitzt, bis der Kunststoff geschmolzen ist.
Anschließend wird ein Gewicht, in aller Regel ein Kilogramm, auf einen Kolben im Inneren des erhitzten Zylinders aufgebracht. Der Kolben bewegt sich daraufhin mit gleichbleibender Geschwindigkeit nach unten und drückt den flüssigen Kunststoff durch eine Düse mit standardisiertem Durchmesser.
Die Menge an Kunststoff, die in zehn Minuten aus der Düse austritt, wird gesammelt und gewogen. Das Gewicht in Gramm ergibt den Schmelzflussindex. Weil der Durchmesser des Metallzylinders, die Belastung durch das Gewicht auf dem Kolben und die Temperatur konstant bleiben, ermöglicht die Methode, auch weitere Parameter zu messen.
Dazu gehören die Schmelzmassenflussrate, die Schmelzvolumenflussrate, die Schmelzdichte, die Viskosität sowie die Schergeschwindigkeit und die Scherspannung.
Ein höherer MFI heißt im Normalfall, dass der jeweilige Kunststoff kürzere Molekülketten und eine geringere Viskosität hat.
In der Praxis greifen wir auf den Schmelzflussindex zurück, um die Qualität eines Kunststoffmaterials zu überprüfen, die Produktqualität während des Spritzgießens zu kontrollieren und zu testen, ob recyceltes Material beigemischt ist.
Außerdem kann der MFI eine mögliche Erklärung liefern, wenn vor oder nach dem Spritzguss Verschlechterungen auftreten.
Wie verändert sich der Schmelzflussindex bei der Kunststoffverarbeitung?
Wir können uns Kunststoff so vorstellen, als ob er aus langen Molekülketten besteht, die miteinander verwoben sind. Ähnlich wie Spiralfedern verwickeln sich diese Molekülketten umso stärker miteinander, je länger sie sind. Sind die Ketten fester miteinander verwoben, führt das gleichzeitig dazu, dass sie stärker zusammenhalten. Dadurch fließt der geschmolzene Kunststoff langsamer.
Läuft der Kunststoff nun durch eine Spritzgussmaschine, kann die Schnecke die Ketten brechen und so die Fließeigenschaften des Kunststoffmaterials beeinflussen. Messen wir den Schmelzflussindex eines Kunststoffs nach dem Formen, ist er je nach Material und Verarbeitungsbedingungen um etwa 20 bis 30 Prozent höher als vorher.
Auch gefärbte Kunststoffe haben meistens einen höheren Schmelzflussindex als ungefärbte Kunststoffe. Wurde das Material hingegen schon im Zuge der Produktion eingefärbt, bleibt die Schmelzflussrate niedriger, weil der Kunststoff kein zweites Mal geschmolzen werden muss.
Der oben beschriebene Schmelzflusstest ist Standard, um die Fließeigenschaften von Thermoplasten zu bewerten.
Er hilft dabei, zu bestimmen, wie gut ein Kunststoff mit Standardverfahren verarbeitet werden kann. Kunststoffteile, die recyceltes Material enthalten, haben nach dem Formen oft einen um mehr als 50 Prozent höheren Schmelzflussindex als zuvor.
Auch Feuchtigkeit kann die Schmelzflussrate beeinflussen. Deshalb ist es wichtig, das Kunststoffmaterial vor dem Test gut zu trocknen.
Die Länge des Tests spielt ebenfalls eine Rolle. Kurze Tests können Ergebnisse liefern, die ungenau sind. Längere Tests führen zu präziseren Ergebnissen, erfordern aber mehr Proben. Insgesamt sind Schmelzflusstests in der Kunststoffverarbeitung unverzichtbar.
Denn die bestimmen die Fließfähigkeit von Polymeren und tragen so dazu bei, dass wir geeignete Materialien auswählen und die Effizienz der Produktion optimieren können.