Ob beim Spritzgießen, in der Extrusion oder beim Compoundieren – das Fließverhalten einer Kunststoffschmelze bestimmt maßgeblich, ob ein Prozess stabil läuft, ob Bauteile maßhaltig werden und ob die mechanischen Eigenschaften des Endprodukts den Anforderungen entsprechen. Die Viskosität ist dabei die entscheidende rheologische Kenngröße: Sie beschreibt den inneren Strömungswiderstand einer Schmelze und hängt bei Thermoplasten von Temperatur, Scherrate, Molmasse und Molmassenverteilung ab. Für Verarbeiter ist die Kenntnis dieser Größe unverzichtbar – sowohl bei der Rohstoffwareneingangskontolle als auch bei der Prozessoptimierung und der Bewertung von Rezyklaten oder Compounds.
Kunststoffschmelzen verhalten sich in aller Regel nicht newtonisch, sondern strukturviskos: Mit steigender Scherrate sinkt die scheinbare Viskosität. Dieses nicht-newtonische Verhalten muss bei der Auswahl des Messverfahrens und bei der Interpretation der Ergebnisse stets berücksichtigt werden. Gleichzeitig können Schmelzen thixotrope, viskoelastische oder dehnviskose Eigenschaften aufweisen, was die messtechnische Erfassung komplex macht.
Schmelzflussindex: Einfach, aber begrenzt aussagekräftig
Das in der industriellen Praxis am weitesten verbreitete Verfahren zur Viskositätscharakterisierung ist die Bestimmung des Schmelzflussindex (MFI, engl. Melt Flow Index) bzw. der Schmelzvolumenrate (MVR). Das Verfahren ist in der Norm ISO 1133 geregelt und arbeitet nach dem Prinzip eines Kapillarviskosimeters unter konstanter Last: Eine definierte Menge Polymerschmelze wird bei festgelegter Temperatur und festgelegter Prüfkraft durch eine normierte Düse gepresst. Gemessen wird entweder die ausgetriebene Masse pro Zeiteinheit (MFI, Einheit g/10 min) oder das Volumen (MVR, Einheit cm³/10 min).
Der Schmelzflussindex ist ein Ein-Punkt-Messwert bei einer einzigen, relativ niedrigen Scherrate. Das macht ihn handlich für die Wareneingangskontrolle und die Chargendokumentation, aber er beschreibt das Fließverhalten nur unvollständig. Insbesondere liefert er keine Aussage über den gesamten Scherratenbereich, der in realen Verarbeitungsprozessen auftritt – beim Spritzgießen können Scherraten von 10² bis über 10⁵ s⁻¹ erreicht werden. Dennoch ist der MFI als schneller, kostengünstiger Vergleichswert für gleichartige Materialien etabliert und nach wie vor unverzichtbar.
Kapillarrheometer: Praxisnahe Fließkurven über weite Scherraten
Für eine umfassendere Charakterisierung des Fließverhaltens über einen breiten Scherratenbereich wird das Kapillarrheometer eingesetzt. Hier wird die Schmelze durch eine definierte Kapillare (bekannter Länge und Radius) gepresst, wobei Druckverlust und Volumenstrom kontinuierlich erfasst werden. Aus diesen Messgrößen lässt sich die scheinbare Scherviskosität als Funktion der Scherrate berechnen – die sogenannte Fließkurve.
