Rheometer: viscositeit en stromingsgedrag van kunststof meten

Wat is een rheometer?

Een rheometer is een meetinstrument dat het stromings- en vervormingsgedrag van een materiaal vastlegt onder gecontroleerde schuifsnelheid, schuifspanning en temperatuur. Het vakgebied daarachter heet reologie. Binnen het aanbod polymeertest- en analyseapparatuur is de rheometer het instrument dat de meeste informatie over een polymeersmelt oplevert.

Het verschil met een simpele viscositeitsmeting zit in de controle. Een rheometer legt een bekende kracht of snelheid op en meet de respons van het monster, zodat je viscositeit als functie van schuifsnelheid krijgt in plaats van één losse waarde. Daarmee zie je hoe een materiaal zich gedraagt bij de snelheden die in een extruder of spuitgietmachine voorkomen.

Wat meet een rheometer precies?

Een rheometer meet in de eerste plaats de viscositeit van een smelt, en wel over een reeks schuifsnelheden. Polymeersmelten zijn vrijwel altijd niet-Newtons: de viscositeit daalt naarmate de schuifsnelheid stijgt. Dat gedrag heet afschuifverdunning en bepaalt direct hoe een materiaal door een die, een matrijs of een hotrunner stroomt.

Daarnaast meet een rheometer schuifspanning, en bij oscillatiemetingen op een rotatiereometer ook het visco-elastische gedrag van het materiaal. Je ziet dan welk deel van de respons elastisch is, zoals bij een veer, en welk deel viskeus, zoals bij een vloeistof. Voor gevulde compounds en rubbermengsels is ook de vloeispanning meetbaar: de spanning waaronder het materiaal nog niet gaat stromen.

Omdat temperatuur de smeltviscositeit sterk beïnvloedt, worden metingen bij meerdere temperaturen uitgevoerd of tijdens een temperatuurprofiel. Zo krijg je een beeld van verwerkbaarheid, van thermische degradatie bij lange verblijftijd en van batchverschillen tussen leveringen van hetzelfde granulaat.

Hoe werkt een reometer?

Een reometer werkt volgens één principe, ongeacht het type: het monster wordt in een vaste geometrie gebracht, er wordt een gecontroleerde beweging of druk opgelegd en de reactie van het materiaal wordt gemeten. Uit de combinatie van opgelegde grootheid en gemeten respons berekent de software de schuifsnelheid, de schuifspanning en daaruit de viscositeit.

Bij een rotatiereometer draait of oscilleert een plaat, kegel of cilinder tegen een stilstaand oppervlak, en meet het instrument het benodigde koppel. Bij een capillaire rheometer perst een zuiger de smelt door een nauwe doorlaat, en meet een drukopnemer de drukval. Een viscometer doet in principe hetzelfde, maar bij één of enkele vaste condities.

De temperatuurregeling is bij alle typen bepalend voor de nauwkeurigheid. Een afwijking van enkele graden in de smelt geeft al een meetbaar andere viscositeit, waardoor resultaten alleen vergelijkbaar zijn als het monster volledig op temperatuur is voordat de meting start.

Welke typen rheometers worden in de kunststofverwerking gebruikt?

In de kunststofverwerking worden vooral drie typen rheometers gebruikt: de rotatiereometer voor lage schuifsnelheden, de capillaire rheometer voor hoge schuifsnelheden en de online rheometer die continu op het proces meet. Elk type dekt een ander deel van het schuifsnelheidsbereik en beantwoordt daarmee een andere vraag.

Rotatiereometer

Een rotatiereometer meet bij lage tot middelhoge schuifsnelheden en is daardoor het instrument voor materiaalonderzoek en formuleringswerk. Het monster zit tussen twee meetoppervlakken, bijvoorbeeld een kegel of vlakke plaat op een onderplaat, en wordt in rotatie of oscillatie belast.

Juist de oscillatiemeting maakt dit type waardevol: je bepaalt er bij kleine amplitude visco-elastische eigenschappen mee zonder de structuur van het materiaal te breken. Voor de dagelijkse procescontrole in een verwerkend bedrijf is een rotatiereometer meestal niet de eerste keuze, omdat de schuifsnelheden in een extruder of spuitgietmachine ver boven het meetbereik liggen.

Capillaire rheometer

Een capillaire rheometer meet bij de hoge schuifsnelheden die tijdens extrusie en spuitgieten optreden en is daarmee het gangbare labinstrument voor kunststofverwerkers. Een verwarmde cilinder smelt het granulaat en houdt de smelt op temperatuur, een zuiger perst de smelt met een ingestelde snelheid door een capillair en een drukopnemer boven de doorlaat meet de druk.

Uit zuigersnelheid, capillairafmetingen en gemeten druk volgt de viscositeitscurve over een breed schuifsnelheidsbereik. De Laboratory Capillary Rheometer is het labinstrument dat Rokoma hiervoor levert, geschikt voor onderzoek, materiaalontwikkeling en kwaliteitsanalyse.

Online rheometer

Een online rheometer meet continu op het proces zelf in plaats van op een losstaand monster in het lab. Het instrument wordt op de extruder gemonteerd, meet in de smelt van het lopende proces en bootst daarbij de condities van een melt flow test of een capillaire meting na.

De Visco Indicator online rheometer levert zo real-time waarden voor melt flow rate, schijnbare viscositeit of intrinsieke viscositeit, direct tijdens de productie. Daarnaast levert Rokoma de Continuous Melt Rheometer, die de smelt continu bemonstert en de resultaten via een eigen besturingseenheid aan externe systemen kan doorgeven. Beide instrumenten zijn bedoeld voor procesbewaking en kwaliteitscontrole, niet als vervanging van laboratoriumonderzoek.

Wat is het verschil tussen een rheometer en een melt flow indexer?

Het verschil tussen een rheometer en een melt flow indexer is dat de melt flow indexer één getal geeft en de rheometer een complete curve. Een melt flow indexer meet hoeveel gram smelt in tien minuten door een vaste doorlaat stroomt bij één belasting en temperatuur. Die melt flow index is snel te bepalen en daarom de standaard voor ingangscontrole en batchvrijgave.

Een rheometer meet de viscositeit bij meerdere schuifsnelheden en laat daardoor zien hoe twee materialen met dezelfde MFI toch verschillend kunnen verwerken. Voor routinematige kwaliteitscontrole volstaat een melt flow indexer vaak; zodra je een verwerkingsprobleem wilt verklaren of een nieuw materiaal wilt karakteriseren, heb je de rheometer nodig.

Waar wordt een rheometer in de maakindustrie ingezet?

Een rheometer wordt in de maakindustrie ingezet overal waar de verwerkbaarheid van een polymeer vooraf bekend moet zijn of tijdens productie bewaakt moet worden. Bij extrusie vertelt de viscositeitscurve of een nieuwe grade dezelfde druk en doorzet geeft als de huidige. Bij spuitgieten helpt de curve bij het beoordelen van vulgedrag van dunwandige producten en lange vloeiwegen.

Bij compounding en masterbatchproductie gebruik je de rheometer om het effect van vulstoffen, additieven en glasvezel op de smeltviscositeit te meten. Bij de verwerking van recyclaat maakt de rheometer batchvariatie en degradatie zichtbaar voordat het materiaal in de machine zit.

Tot slot levert de rheometer in materiaalontwikkeling en R&D de data waarmee je formuleringen vergelijkt, verwerkingsvensters vaststelt en simulaties voedt. Hoe eerder in het traject je meet, hoe minder proefdraaien er nodig zijn op de productielijn.

Welke rheometer past bij jouw toepassing?

Welke rheometer bij jouw toepassing past, hangt af van de vraag die je wilt beantwoorden en van de plek waar je wilt meten. Wil je een volledige viscositeitscurve over het schuifsnelheidsbereik van je proces, voor onderzoek of het verklaren van verwerkingsproblemen, dan is een capillaire rheometer in het lab de juiste keuze.

Wil je tijdens productie direct zien of de smelt binnen specificatie blijft, dan kies je een online rheometer op de extruder. Heb je alleen een kengetal nodig voor ingangscontrole of batchvrijgave, dan is een melt flow indexer voldoende. In de praktijk vullen de instrumenten elkaar aan: het lab karakteriseert, de lijn bewaakt.

Rheometers van Rokoma

Rokoma levert rheometers en melt flow indexers als officieel Dynisco-dealer in Nederland, met technici aan de telefoon die het verschil tussen een capillaire, online en rotatiemeting uit de praktijk kennen. Je krijgt dus geen verkoopverhaal maar een eerlijk advies over welk instrument jouw vraag beantwoordt en welk instrument je kunt overslaan.

Wil je weten welke rheometer bij jouw materialen en proces past, neem dan contact op met Rokoma of vraag direct een offerte aan via de productpagina van het instrument. Vermeld daarbij welk materiaal je verwerkt en of je wilt meten in het lab of op de lijn, dan is het advies meteen gericht.