용융 유속(MFR·MVR)이란?All about Melt Flow Rate (MFR/MVR)

열가소성 수지는 저렴하게 대량생산이 가능하기 때문에 가전제품이나 자동차부품, 생활잡화 등 모든 제품에 이용되어 우리 생활에서 빼놓을 수 없는 것이 되고 있습니다.

열가소성 수지의 가공 방법으로서 사출 성형, 압출 성형, 블로우 성형 등의 방법이 있습니다만, 어느 성형 방법에 있어서도, 용융 상태의 수지의 유동성은 중요한 지표가 됩니다.

용융수율은 용융수지의 유동성의 지표로서 널리 이용되고 있는 것으로, ISO·JIS·ASTM으로 각각 규격화되고 있으며, ISO와 JIS에 대해 ASTM은 용어나 규정에 약간 다른 부분이 하지만 측정 원리는 동일합니다.

일반적으로 용융 유속이 클수록 유동성이 좋다고 평가되고, 작을수록 유동성이 나쁘다고 한다. 또한 같은 종류의 수지를 측정한 경우에는 값이 클수록 저분자량, 작을수록 고분자량으로 평가됩니다.

단, 기본적으로 거의 정적인 상태에서의 측정이기 때문에, 측정중의 수지에 생기는 전단 속도는 사출 성형 등에 있어서의 가공시의 전단 속도에 대해서 매우 작고, 실제의 가공시의 거동이란 상관성이 없을 수도 있습니다. 따라서 주로 재료의 품질 관리에 사용됩니다.

1. 측정 원리

실린더에 넣은 수지를 일정 온도에서 가열하여 위에서 피스톤으로 하중을 주고, 실린더 바닥부에 설치된 다이로부터 압출된 수지량을 측정합니다.

수지량의 측정 방법에 따라 A법과 B법의 2종류의 측정 방법이 있습니다.

또한 결과를 나타내는 방법으로는 MFR(멜트 매스 플로우 레이트/Melt mass-flow rate)과 MVR(멜트 볼륨 레이트/Melt volume-flow rate)의 2종류가 있습니다.

A법 측정

다이로부터 압출된 수지를 일정 시간에 잘라서 질량을 측정하고, 다음 식으로부터 10분당 질량[g/10min]을 산출합니다.

m: 잘라낸 수지의 무게 [g]
t: 수지 절단 시간 간격 [s]

B법 측정

일정 시간에 피스톤이 움직인 거리를 측정하거나 일정 거리를 피스톤이 움직이는 데 걸린 시간을 측정하고 다음 식으로부터 10분당 체적[cm3/10min]을 산출합니다.

A: 실린더 및 피스톤 헤드의 공칭 평균 단면적 [cm²]
l: 피스톤 이동 거리 [cm]
t: 피스톤 이동 시간 [s]

이 10분당 체적 [cm³/10min]을 MVR이라고 합니다. 또한, 측정한 수지의 시험 온도에서의 용융 밀도가 알려져 있는 경우, 다음 식으로부터 MFR을 산출할 수 있다.

ρ：측정 수지의 시험 온도에서의 용융 밀도 [g/cm³]

B법 측정에서는 시험기에 피스톤의 이동 거리를 측정하는 장치와 이동 시간을 측정하는 타이머가 설치되어 있어야 합니다.

2. 측정 절차

기본 측정은 다음 절차에 따라 수행됩니다.

피스톤을 빈 실린더에 삽입하고 시험 온도에서 안정시킨다.
측정하는 수지를 실린더에 충전하고, 충전봉을 이용하여 시료를 위로부터 압축하여 탈기한다. (이 공정은 1분 미만으로 실시한다)
즉시 피스톤을 설정하고 예열을 시작합니다. 또한, 시험 조건에 따라 가중치를 부하한다. (수지의 충전량과 예열 중의 부하 웨이트에 의해 예열 시간을 조정한다.저용융 점도의 수지에 있어서는, 예열 중에 수지가 흘러 버리는 것을 방지하기 위해, 유출 방지 기구가 필요한 경우도 있다)
측정 시작 위치에 피스톤이 떨어지는 곳에서 측정을 시작합니다.
A법 측정의 경우는 수지를 컷하여 회수하고, B법 측정의 경우는 시험기가 피스톤의 이동량 또는 이동 시간을 자동으로 측정한다. (규격이나 규정에 따라서는 복수회 측정하여 평균값을 산출한다)
측정 종료 위치로 피스톤이 떨어질 때까지 측정을 완료합니다.

3. 측정의 편차 요인

용융 유량 측정은 절차 및 측정 방법으로 인한 측정 오차를 일으키기 쉽습니다.

예를 들어 충전시의 탈기 작업에서는 측정자에 의해 탈기 상태나 충전 시간에 차이가 생기는 경우가 있습니다. 또, 예열 시간은 수지의 충전량과 예열중의 하중의 가하는 방법에 따라 달라지기 때문에, 열 이력의 영향을 받기 쉬운 수지나 열전도율이 낮은 수지의 경우는 그 영향이 커집니다.

그 때문에 안정된 측정을 실시하기 위해서는, 측정자에 의해 측정 작업을 균일화하고, 적절한 예열 시간을 포함하여 시험 조건을 일정하게 하거나, 측정 시간을 자동화하는 기능이 있는 시험기를 사용하는 것으로 데이터 편차의 요인을 줄일 수 있습니다.

측정자에 의한 변동 요인	수지의 탈기 상태, 충전 시간, 측정 후 장치의 청소 상태 등
측정 조건에 따른 변동 요인	예열 시간(충전할 수지의 양, 예열 중의 하중을 걸는 방법)
측정 수지에 의한 변동 요인	흡습성(수지에 따라서는 사전 건조가 필요), 필러(카본 블랙, 유리 섬유 등), 열에 대한 특성(열 이력에 의한 영향이 큰, 저열 전도율) 등

측정의 편차 요인

4. 측정 장치

No.522 Melt Indexer G-02

수동 측정 타입의 기본 모델입니다.

B법용 플로레이트 장치(피스톤 이동 거리 측정용 로터리 엔코더), 추 지상 장치, 자동 컷 장치 등의 옵션을 자유롭게 추가할 수 있습니다.

No.522 Multi-weight Melt Indexer G-02

단일하중에 의한 시험에 가세해, 1도의 시험으로 복수의 하중을 가하는 멀티 웨이트 측정(ASTM D1238 D법)에도 대응한 모델입니다.

전단 속도를 바꾼 복수의 수준으로 측정하는 것으로, 「전단 속도 vs 용융 점도」의 데이터를 간이적으로 얻을 수 있습니다.
웨이트는 본체에 내장되어 자동으로 전환되므로 측정 작업의 절력화, 효율화, 안전성 향상에 공헌합니다.

No.521 Semi-Auto Melt Indexer 4A

측정의 일부를 자동화한 모델입니다.

웨이트의 부하・예열 개시로부터 측정 종료 후의 잔 시료 배출까지와, 실린더의 청소(청소로 사용하는 거즈는 수동 세트)를 자동으로 실시하는 것으로, 안전하게 안정된 측정이 가능해지고 있습니다.
수지의 충전과 실린더 청소는 측정자가 확인하면서 실시하는 것으로, 전자동기에서는 충전이 어려운 수지나, 자동 청소에서는 거즈의 내열 온도적으로 위험성이 있는 고온(400℃까지)의 측정 에 대응하고 있습니다.
PC 소프트웨어(실시간 데이터 출력 대응), 시료 자동 컷 장치, 시료 자동 회수 장치, 유출 방지 장치(고유동성 수지용), A법 자동 산출 저울(질량을 시험기에 송신해 MFR을 자동 산출) 등의 다양한 옵션으로 측정 및 데이터 관리의 효율화에 기여합니다.

No.520 Melt Flow Rater D-M

시료 투입⇒측정⇒청소가 완전 자동화된 모델입니다.

시료 투입부터 청소까지 완전 자동화. 측정 작업의 절력화·효율화·재현성 향상에 공헌합니다.
샘플 컵 10개(옵션 40개)의 연속 시험이 가능.
컴팩트·공간 절약형 데스크탑 모델(※높이 1060 mm)
풍부한 옵션이 선택 가능(A법 자동 측정, 전열식 건조 장치, 건식 공기식 건조 유닛, 하중 변경 기구 등)

본문은, 일반 사단법인 일본 시험기 공업회 발행의 홍보지 「TEST」Vol.63(2022년 4월 발행)에서 발표한 내용을 추기·재구성한 것입니다.

주제: 「플라스틱 재료의 유동성의 측정 방법과 구하는 방법-멜트 플로우 레이트 측정과 시험 장치에 대해서」
서명：『TEST』Vol.63（일반 사단법인 일본 시험기 공업회）
발행년월 : 2022년 4월

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