Descifrando la prueba MFR: implicaciones en polímeros y plásticos

Las pruebas de velocidad de flujo de la masa fundida pueden ser calificadas las “Rodney Dangerfield” de los métodos de ensayo de materiales —no tiene ningún respeto. Gente de todas partes de la industria minimizan el valor de la prueba o denigran totalmente su utilidad.

Quienes instruyen a los profesionales de la industria de procesamiento son rápidos en señalar que el valor MFR de un material es un único punto en una curva que caracteriza la viscosidad en función de la velocidad de cizalla. Puesto que los plásticos son no newtonianos, la viscosidad varía con la velocidad de cizalla.

La prueba de velocidad de flujo mueve el material fundido en un solo velocidad de flujo, por lo tanto a sola una velocidad de cizalla, y no logra capturar la gama completa del comportamiento de un material en función del cambio de la velocidad de cizalla.

Desafíos y limitaciones del valor MFR

Para empeorar las cosas, la velocidad de cizalla aún no está controlada. Mientras que la carga en el material, o el esfuerzo de cizalla, es constante durante el transcurso de la prueba, la velocidad de cizalla es un resultado de la prueba. La MFR es un reflejo de la velocidad de cizalla utilizada durante el transcurso de la prueba, pero es un resultado de la prueba y no una entrada controlada.

A los académicos no les gustan las unidades. ¿Cómo se llega una medición de gramos/10 minutos a algo significativo en términos del comportamiento fundamental del polímero? He escrito extensamente sobre la relación relativa entre MFR y peso molecular. En ocasiones, esto me ha valido airados mensajes de profesores de la Universidad, que insisten en que explique cómo convertir g/10 min a unidades adecuadas de peso molecular, que son gramos/mol. Es una buena pregunta, que vamos a responder tan completamente como sea posible a lo largo de los próximos artículos.

De hecho, las pruebas de velocidad de flujo del fundido es una pobre herramienta para medir la capacidad de procesamiento, por razones que explicaremos en detalle más adelante en esta serie. Pero nunca fue pensada para ser una medición de la procesabilidad; se trata de una interpretación que ha sido aplicada por algunos en la comunidad de procesamiento.

La noción de que un equipo de prueba de la velocidad de flujo del fundido es algún tipo de reómetro capilar mediocre es fundamentalmente incorrecta. Además, la relación entre la MFR y el peso molecular promedio es relativa. Hay un montón de factores que pueden distorsionar esta relación y hacer difícil la interpretación.

Por ejemplo, añadir ingredientes a un compuesto, como fibras de vidrio, modificadores de impacto y ciertos aditivos puede alterar la MFR de un material sin cambiar nada el peso molecular promedio de un polímero.

Pero si la prueba es tan inútil, ¿por qué el valor aparece en muchas hojas de datos de materiales? No solo es un elemento más en la mayoría de hojas de datos, es a menudo la característica clave que distingue a un grado de material de otro dentro de una familia determinada de polímero.

En materiales tan diversos como policarbonato, acetal y poliestireno, la MFR puede ser el único valor en la hoja de datos que varía significativamente de un grado a otro dentro de una oferta de producto en particular. La razón es simple. Suponiendo que todos los demás factores se mantienen constantes, la MFR es un muy buen indicador del peso molecular promedio relativo del polímero. Ya que el peso molecular (MW) es la fuerza impulsora detrás de rendimiento en polímeros, resulta ser un número muy útil.

MFR en datasheets y decisiones de procesamiento

La velocidad de flujo en un polímero se relaciona inversamente con viscosidad. Los materiales de alta viscosidad fluyen con mayor resistencia y, por lo tanto, más lentamente, bajo un conjunto particular de condiciones, que los materiales de baja viscosidad. Por lo tanto, los polímeros con mayor MW tienen valores más bajos de MFR y los polímeros de bajo MW tienen mayor MFR.

Los procesadores de moldeo por inyección prefieren estos últimos porque es más fácil llenar las exigentes trayectorias de flujo en un molde con lo que nos referimos como materiales de "alto flujo".

Los procesadores por extrusión y moldeo por soplado se decantan más por materiales con mayor MW porque proporcionan mayor resistencia de flujo, un factor que facilita el control de la preforma o de un perfil complejo, sin importar las consideraciones de dilatación del extruido.

Los usuarios finales prefieren polímeros de mayor MW, sin saberlo a ciencia cierta, porque un MW más alto se correlaciona con mejor rendimiento del producto. La resistencia al impacto, el rendimiento de fatiga, resistencia ambiental al agrietamiento por esfuerzo (ESCR) y las propiedades de barrera (por nombrar algunos) mejoran con un mayor MW.

Mi primera experiencia con la importancia del MW como criterio de selección de material fue en la planta de moldeado hace más de 30 años. Moldeábamos carcasas para semáforos de un policarbonato de un grado inyección de alto MW. El MFR nominal del material era 5 g/10 min. La geometría de la pieza, junto con la edad de nuestras máquinas de moldeo hizo que fuera muy difícil de producir la pieza.

Impacto de la selección de MFR en el rendimiento del producto

Debido a que el rendimiento de la pieza era bastante crítico, se realizó una prueba de impacto de caída de dardo una vez cada hora para asegurarnos de que el proceso estaba bajo control. En la conclusión de la producción seleccionaríamos al azar 20 piezas del lote y repetiríamos la prueba de impacto. El resultado típico era que lo superaban 20 de 20 las piezas seleccionadas.

Un día decidimos experimentar qué sucedería si usábamos un grado con MW inferior. El razonamiento fue más o menos así: si podemos utilizar un material que fluye más fácilmente, podemos reducir la temperatura de fundido del material y las presiones asociadas con la inyección y el embalaje. Esto reduce el esfuerzo sobre el material y mejora el rendimiento al impacto de la pieza o al menos compensa la resistencia al impacto reducida del polímero de MW inferior.

Cuando tomamos muestras de un grado con un MFR nominal de 10 g/10 min, observamos, en efecto, que podríamos reducir la temperatura de fundido del material en 40°F (22°C), y la presión durante el llenado de la primera etapa se redujo en 10%. Pero cuando hicimos nuestra evaluación de desempeño de impacto en 20 piezas hechas de este material, sólo cuatro de ellas sobrevivieron a la prueba.

Este gran cambio en el comportamiento ocurrió a pesar del hecho de que los valores de resistencia al impacto con entalla Izod que estaban en las hojas de datos para estos dos grados eran los mismos. Esta disparidad entre el rendimiento real y las expectativas creadas por la hoja de datos se produce cada día en nuestra industria, y abordaremos las razones de esto en un artículo posterior.

En nuestro siguiente artículo describiremos el procedimiento de prueba de MFR y discutiremos algunas de las fortalezas y debilidades de la prueba. Vamos también a explicar la razón por la que muchos proveedores de materiales utilizan la propiedad, no sólo como un elemento que se describe en una frase, sino también como un parámetro clave para la certificación de calidad lote a lote.

Lea a continuación: Parte 2: cómo realizar la prueba MFR