Le materie plastiche sono presenti in quasi tutti gli aspetti della nostra vita quotidiana, dagli imballaggi per alimenti ai mobili, ai materiali da costruzione, alle automobili, ai dispositivi medici e persino all’abbigliamento (solo per citarne alcuni). Le materie plastiche sono solitamente costituite da polimeri sintetici che consistono in piccole molecole collegate tra loro in una struttura ripetitiva e sono note per essere leggere, forti, flessibili, durevoli e spesso trasparenti, oltre che resistenti agli agenti chimici e alla corrosione. Le materie plastiche possono essere facilmente prodotte e modellate in innumerevoli forme, rappresentando la soluzione ideale per una vasta gamma di applicazioni. Per produrre questi beni di consumo di uso quotidiano, i polimeri vengono comunemente lavorati a temperature elevate in uno stato fuso, chiamato “polimero fuso”.
Capire come i polimeri fusi fluiscono e si deformano è la chiave per lavorarli efficacemente e trasformarli in prodotti finiti.
Oggi il comportamento del flusso del polimero viene comunemente quantificato attraverso l‘indice di fluidità (Melt Flow Index, MFI), indicato anche come indice di fusione (Melt Index, MI) o velocità di flusso di fusione (Melt Flow Rate, MFR). L’MFI è una misura della facilità con cui un polimero termoplastico fuso fluisce sotto pressione ed è definito come la massa di polimero che passa attraverso una matrice capillare in un periodo di dieci minuti (espresso in unità di g/10 minuti, sebbene sia comunemente visualizzato senza unità). Di conseguenza, l’indice di fusione è inversamente proporzionale alla viscosità del polimero, dove un indice di fusione elevato è correlato a una bassa viscosità del fuso e viceversa.
Sebbene l’indice di fusione sia diventato un elemento centrale nella maggior parte dei laboratori di controllo della qualità dei polimeri, si tratta ancora di una tecnica piuttosto limitata. Il problema è che l’indice di fusione è una misura di viscosità a punto singolo condotta a una temperatura con una velocità di taglio relativamente bassa (in genere tra 1 e 100 s-1, sebbene ciò dipenda fortemente dal materiale e dallo strumento), mentre l’MFI viene spesso misurato in condizioni molto diverse dai parametri di lavorazione effettivi. A peggiorare le cose, la viscosità dei polimeri fusi dipende anche fortemente dalla velocità di taglio, che può variare di ordini di grandezza durante un processo di estrusione. Inoltre, il test MFI non è in grado di quantificare direttamente la ramificazione del polimero o di tenere conto di lievi differenze nella distribuzione del peso molecolare.
I moderni reometri rotazionali, come il reometro rotazionale HAAKE MARS IQ di Thermo Scientific, invece, consentono un’indagine più completa del comportamento di flusso dei polimeri. I polimeri fusi sono fluidi non newtoniani e le loro viscosità sono fortemente dipendenti dalla velocità di taglio, dalla storia del taglio e/o dalla storia termica. La comprensione della variazione della viscosità della colata in un intervallo di velocità di taglio e temperature rilevanti per l’industria è essenziale per la progettazione di apparecchiature per la lavorazione dei polimeri, la determinazione del consumo energetico del processo e l’ottimizzazione generale del processo. Ad esempio, l’estrusione di polimeri e lo stampaggio a iniezione o per soffiatura sono processi ad alta velocità di taglio, mentre la qualità complessiva del prodotto finale è spesso dettata dal comportamento a bassa velocità di taglio.
In questo studio sono state effettuate misure reologiche in regime oscillatorio per esaminare tre diversi campioni di polietilene lineare a bassa densità (LLDPE) con identici indici di fluidità e pesi molecolari medi.
Le misure reologiche sono state utilizzate per osservare le viscosità e i comportamenti viscoelastici dei fusi di LLDPE in funzione della velocità di taglio. I dati reologici sono stati poi correlati direttamente alla struttura molecolare del polimero, come la distribuzione del peso molecolare e la ramificazione a catena lunga, nonché al comportamento complessivo del flusso e alla lavorabilità dei campioni di LLDPE.