Fachartikel vom 05.03.2015

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Warum Viskositätskurven messen? Was der MFI nicht leisten kann

Dipl.-Wirt.-Ing. Oliver Kast, Prof. Dr.-Ing. Christian Bonten, IKT - Institut für Kunststofftechnik, Universität Stuttgart

Der Schmelzeindex (engl. „melt flow index“, MFI) ist ein in vielen Praxisanwendungen noch immer beliebtes Instrument zur Werkstoffbeurteilung. Sowohl zur Auswahl einer geeigneten Kunststofftype als auch zur Wareneingangskontrolle wird er herangezogen. Die Gründe liegen scheinbar auf der Hand: Der Wert findet sich auf jedem Datenblatt, das Prüfverfahren ist einfach und man erhält einen einzelnen, leicht zu interpretierenden Wert. Doch ist es wirklich so einfach? Tatsächlich verhalten sich Kunststoffschmelzen in der Verarbeitung oftmals nicht so, wie man es anhand des MFI erwarten dürfte; Probleme bei der Prozessführung sind die Folge.

Der MFI "macht es sich zu einfach"
Tatsächlich sind MFI-Werte untereinander kaum vergleichbar – selbst innerhalb der gleichen Werkstoffgruppe nicht! Die wirkliche Aussagekraft von MFI-Werten ist sehr gering, was unter anderem folgende Gründe hat:

  • Der MFI wird bei einer sehr geringen Schergeschwindigkeit gemessen – in der Verarbeitung ist diese weitaus höher!
  • Der MFI gilt nur für die Prüftemperatur, die oft nicht der Verarbeitungstemperatur entspricht.
  • Der MFI wird für verschiedene Kunststoffe bei unterschiedlichen Temperaturen gemessen (Polyethylen: 190 °C, Polypropylen: 210 °C).
  • Der MFI hängt vom Belastungsgewicht bei der Prüfung ab. Gerade für hochviskose Werkstoffe wird oft bei höherem Gewicht als den normgemäßen 2,16 kg gemessen.
  • Der MFI berücksichtigt nicht den herrschenden Prozessdruck.

All dies führt zur schlechten Vergleichbarkeit und Anwendbarkeit der Werte. Die Viskosität von Kunststoffschmelzen hängt stark von der Temperatur, der Schergeschwindigkeit und auch dem Druck ab. Grund hierfür ist der molekulare Aufbau von Polymeren, der sich selbst zwischen verschiedenen Polypropylen- oder Polyethylentypen unterscheiden kann.

Viskositätskurven: vollständig und vergleichbar
Sich schneidende Viskositätskurven zweier Polypropylen-Typen
Sich schneidende Viskositätskurven zweier Polypropylen-Typen
Viskositätskurven zeigen den tatsächlichen Verlauf der Viskosität bei unterschiedlichen Schergeschwindigkeiten und können mittels einer Kurvenverschiebung leicht für verschiedene Temperaturen betrachtet werden. Das Bild zeigt am Institut für Kunststofftechnik (IKT) der Universität Stuttgart gemessene Kurven für zwei kommerziell erhältliche Polypropylen-Typen für die Extrusion und deren jeweiligen MFI-Werte. Hier zeigt sich schnell das Dilemma des MFI: Der Werkstoff mit dem geringeren MFI (= geringere Fließfähigkeit) hat nur für den Bereich ganz links auch tatsächlich eine höhere Viskosität. Da die Kurven sich aber schneiden, verhält sich diese PP-Type im verarbeitungsrelevanten Bereich hingegen weniger viskos als die mit dem höheren MFI. Es ist deutlich, dass der MFI nicht genügt, um die für die Verarbeitung relevanten Schmelzeeigenschaften zu beschreiben. Wer einen Werkstoff anhand des MFI auswählt und sich auf diesen verlässt, kann daher schnell eine unliebsame Überraschung erleben. Eine Werkzeug- oder Prozessauslegung auf Basis solcher Werte führt meist nicht zu zufriedenstellenden Ergebnissen. Die Viskositätskurve hingegen deckt den gesamten Verarbeitungsbereich ab und liefert daher vollständige und miteinander vergleichbare Informationen. Insbesondere als Grundlage für die Auslegung sind Viskositätskurven unentbehrlich; auch zur Qualitätskontrolle und Werkstoffauswahl sind sie MFI-Werten weit überlegen.

Keine Scheu vor Rheometern!
Ein wesentlicher Grund dafür, dass der MFI sich nach wie vor großer Beliebtheit in der Anwendung erfreut, ist seine Einfachheit. Berücksichtigt man aber, dass dieser Wert täuschen und somit zu Fehleinschätzungen und Folgekosten führen kann, lohnt sich der nur geringfügig höhere Messaufwand mit dem Rheometer durchaus. Am Institut für Kunststofftechnik stehen sowohl Rotations- als auch Hochdruckkapillarrheometer zur Verfügung, um solche Messungen im Auftrag von Anwendern durchzuführen. Der Abschied vom MFI lohnt sich!


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