شاخص جریان مذاب (Melt Flow Index — MFI) یا گاهی Melt Flow Rate (MFR) یک آزمون سریع و ساده برای توصیف قابلیت جریان پلیمر ذوب‌شده تحت شرایط بار و دمای مشخص است. مقدار MFI معمولاً به‌صورت گرم بر 10 دقیقه (g/10 min) گزارش می‌شود و در کنترل کیفیت، فرمولاسیون پلیمرها، مشخصه‌گذاری مواد و انتخاب فرایندهای قالب‌گیری کاربرد فراوان دارد.

توجه: MFI یک اندازه‌گیری تجربی و مختص شرایط آزمون (دمای مشخص، بار مشخص، هندسه‌دهانه) است — پس همیشه باید شرایط آزمون به‌همراه عدد گزارش شود.

1. تعریف و هدف آزمون

MFI میزان جرم پلیمر خروجی از یک دهانه استاندارد را در مدت 10 دقیقه تحت دمای مشخص و بار تعیین‌شده اندازه‌گیری می‌کند. هدف: ارائه یک شاخص سریع از ویسکوزیته نسبی ذوب و قابلیت جریان ماده برای مقاصد تضمین کیفیت و تطبیق با کاربردهای صنعتی.

2. اصول فیزیکی و تئوری کوتاه

در حالت مذاب، پلیمر رفتار سیال ویسکوالاستیک دارد. تحت یک تنش برشی و دما، مولکول‌های پلیمری حرکت کرده و از روزنه (die) دستگاه خارج می‌شوند. MFI با داده‌گیری جرم یا حجم خروجی در زمان معین، نمایانگر مقاومت جریان (نسبت معکوس ویسکوزیته مؤثر تحت شرایط مشخص) است. اما:

• MFI عددی ساده و در دمای و بار مشخص است — با تغییر دما یا بار مقدار می‌تواند بسیار متفاوت شود.
• برای پلیمرهای با وزن مولکولی نامتجانس یا برش‌ناپایدار، MFI می‌تواند اطلاعات ناقص بدهد.

3. استانداردها

معتبرترین استانداردها برای آزمون MFI:

• ASTM D1238 (آمریکا)
• ISO 1133 (بین‌المللی)
  این استانداردها دماها، بارها (نیروها)، هندسه پیستون/دهانه و روش آماده‌سازی نمونه را تعیین می‌کنند.

4. اجزای دستگاه MFI

دستگاه معمولی شامل بخش‌های زیر است:

1. سیلندر گرم‌شونده (Heated barrel) — دارای کنترل دمای دقیق.
2. پیستون/پوشاننده (Plunger / Poise) — بار (جرم) روی پیستون اعمال می‌شود یا از طریق وزنه استاندارد.
3. دهانه (Die) — طول و قطر استاندارد (مثلاً 2.095 mm قطر و 8.0 mm طول در استانداردها).
4. کالیپر یا ترازوی با دقت بالا — برای اندازه‌گیری جرم نمونه های خروجی (معمولاً تا 0.001 g).
5. تایمر — دقیق برای ثبت زمان‌ها (معمولاً 10 دقیقه).
6. واحد برش (Cut-off tool) — برای قطع نمونه‌ی خروجی در زمان‌های ثبت‌شده.
7. واحد خنک‌کننده/جمع‌آوری نمونه.

5. آماده‌سازی نمونه

• نمونه باید خشک و همگن باشد (ریختن دوباره گرانول‌ها قبل از آزمون معمول است).
• دمای پیش‌گرم (در استانداردها) بسته به نوع پلیمر (PE, PP, PS, ABS و...) تعیین می‌شود.
• معمولاً نمونه‌گیری از گرانول‌های تولیدی یا قطعه‌ای از محصول پس از خرد کردن و غربال انجام می‌شود.

6. روش آزمون (روال عمومی مطابق استاندارد)

1. دستگاه را به دمای آزمون مشخص برای ماده می‌رسانند (مثلاً برای پلی اتیلن سبک: 190 °C، برای پلی پروپیلن: 230 °C — توجه: مقدار دقیق وابسته به نوع پلیمر).
2. سیلندر تا دما پایدار می‌شود. پیستون و دهانه تمیز و گرم هستند.
3. نمونه وارد سیلندر شده و با زمان‌بندی استاندارد (پیش‌گرمایش داخل سیلندر معمولاً 2 تا 6 دقیقه یا طبق استاندارد) ذوب و تثبیت می‌شود.
4. پیستون قرار داده شده و بار (وزنه) مورد نظر اعمال می‌شود.
5. بعد از یک زمان مشخص، اولین نمونه به‌صورت پرتابی خارج می‌شود و وزن شده یا بعد از 10 دقیقه مقدار جمع‌آوری و وزن تعیین می‌شود.
6. مقدار خروجی (g) در 10 دقیقه گزارش می‌شود؛ این مقدار همان MFI است (g/10 min).
7. آزمون معمولاً چند بار تکرار می‌شود و میانگین گزارش می‌گردد.

7. فرمول و محاسبه — با مثال عددی (محاسبه مرحله‌به‌مرحله)

فرمول ساده:
MFI = جرم خروجی (g) / زمان (min) * 10 min
اما چون معیار استاندارد گاهی داده را مستقیماً به g/10min گزارش می‌کند، اگر جرم در 10 دقیقه اندازه‌گیری شود:
MFI (g/10 min) = جرم خروجی در 10 دقیقه (g)

مثال عددی مرحله‌به‌مرحله:
فرض کنید پس از اجرای آزمون 10 دقیقه‌ای، سه بار تکرار وزنی گرفتیم: 5.12 g، 5.08 g، 5.20 g.

• گام 1 — محاسبه میانگین جرم:
  جمع = 5.12 + 5.08 + 5.20 = (حالا جمع را مرحله‌به‌مرحله حساب می‌کنیم)
  — 5.12 + 5.08 = 10.20
  — 10.20 + 5.20 = 15.40 g
  میانگین = 15.40 g / 3 = 5.133333... g
• گام 2 — چون اندازه‌گیری در 10 دقیقه بوده، عدد به‌صورت g/10 min است:
  MFI = 5.133... g/10 min
  معمولاً گرد می‌کنیم: MFI ≈ 5.13 g/10 min

(اگر جرم در مثلاً 5 دقیقه اندازه‌گیری شده بود، ابتدا جرم را به نرخ g/min تبدیل و سپس به g/10min تبدیل می‌کردیم: MFI = (mass / time_min) × 10.)

8. تفاوت MFI و MVR و MFR

• MFI (Melt Flow Index): معمولاً به g/10 min اشاره دارد؛ یک آزمون تک نقطه‌ای.
• MFR (Melt Flow Rate): گاهی هم‌معنی MFI استفاده می‌شود؛ بعضی منابع MFR را با واحد g/min یا g/10min گزارش می‌کنند — همیشه شرایط را چک کنید.
• MVR (Melt Volume Rate): نرخ حجم خروجی (cm³/10 min) — مفید وقتی چگالی مواد متفاوت باشد؛ MVR = جرم خروجی / (چگالی × زمان). MVR برای مقایسه حجم مورد استفاده در فرایندهایی مثل تزریق مفیدتر است.

9. عوامل مؤثر بر مقدار MFI

1. دما — افزایش دما عموماً MFI را افزایش می‌دهد (ذوب رقیق‌تر می‌شود).
2. بار/وزن اعمالی — افزایش بار سبب افزایش برش و کاهش ویسکوزیته مؤثر می‌شود؛ بنابراین MFI صعود می‌کند.
3. وزن مولکولی و توزیع وزن مولکولی (MWD) — پلیمرهای با وزن مولکولی بالاتر، MFI کمتر. همچنین پلیمرهای با توزیع گسترده‌تر می‌توانند رفتار پیچیده‌تری نشان دهند.
4. شاخه‌ای شدن (Branching) — شاخه‌ای شدن بلند می‌تواند مقاومت جریان را افزایش دهد.
5. پرکننده‌ها/مضافات — افزودنی‌ها (مثل مواد پرکننده، پرایمرها، تثبیت‌کننده‌ها) می‌توانند MFI را تغییر دهند.
6. پایداری حرارتی/شکست زنجیره‌ای (Degradation) — اگر ماده در حین آزمون تخریب شود، مقدار ممکن است تغییر کند (عموماً افزایش به‌دلیل کاهش وزن مولکولی).
7. رطوبت — برای پلیمرهای حساس (مثلاً پلی‌آمید) رطوبت می‌تواند منجر به هیدرولیز و کاهش وزن مولکولی شود؛ نمونه‌ها باید خشک شوند.

10. تفسیر نتایج و کاربردهای صنعتی

• کنترل کیفیت: مقایسه MFI هر بچ تولیدی با مقدار مرجع برای تشخیص تغییر فرمولاسیون یا مشکلات تولید.
• انتخاب فرایند: مواد با MFI بالا مناسب برای تزریق با ویسکوزیته پایین؛ MFI پایین برای اکستروژن فشار بالا یا قالب‌های پیچیده بهتر است.
• مطالعات تطبیق‌دهی: وقتی باید مواد جایگزین شوند، MFI معیار سریع برای تطبیق توانایی جریان است — اما همیشه کافی نیست؛ خصوصاً وقتی خواص مکانیکی و رفتار برشی اهمیت دارد.
• کنترل اصلاحات و افزودنی‌ها: بررسی اثرات افزودنی‌ها بر جریان مذاب.

11. محدودیت‌ها و نکات احتیاطی

• یک نقطه اندازه‌گیری: MFI اطلاعات ویسکوزیته را تنها در یک مقدار برشی تقریبی نشان می‌دهد — برای تحلیل کامل رئولوژیک نیاز به دستگاه رئومتر یا سنجه‌های MFR در بارهای مختلف است.
• حساس به شرایط آزمون: دما، بار، روش نمونه‌گذاری باید دقیقاً اعلام شود.
• نمی‌گوید درباره توزیع وزن مولکولی: دو پلیمر با MFI یکسان ممکن است خواص مکانیکی متفاوتی داشته باشند.
• تخریب حین آزمون: برخی پلیمرها در دمای آزمون تجزیه می‌شوند — باید مراقب بود.

12. نگهداری، کالیبراسیون و کنترل کیفیت دستگاه

برنامه نگهداری روزانه/هفتگی:

• بررسی تمیزی سیلندر و دهانه (پاک‌سازی کامل از پلیمرهای باقی‌مانده).
• کالیبراسیون ترازو و تایمر به فواصل مشخص.
• بررسی عملکرد کنترل دما و سنسورهای دما.
• بررسی سایش یا آسیب‌دیدگی دهانه/پیستون.

کالیبراسیون دوره‌ای:

• استفاده از استاندارد مرجع (reference polymer) با MFI شناخته‌شده برای اعتبارسنجی.
• بررسی نسبت تناوب نتایج تکراری (تکرارپذیری) و میانگین انحراف معیار.

13. عیب‌یابی و راه‌حل‌های رایج

• مشاهده خروج نامنظم یا پاره‌پاره شدن رگه‌ای: ممکن است دلیلش رطوبت یا تخریب حرارتی باشد — نمونه را خشک کنید و دمای آزمون را بازبینی کنید.
• MFI بیش‌ازحد بالا نسبت به مقدار مرجع: احتمال تخریب ( کاهش وزن مولکولی ) یا خطا در دما/بار. بررسی کنید آیا دما بیش از حد است یا نمونه طی فرآیند قبلی گرم/اکسیده شده است.
• MFI پایین یا عدم خروج ماده: احتمال گرفتگی دهانه یا وجود افزودنی پرکننده زیاد؛ دهانه را باز و تمیز کنید.
• نوسان در نتایج تکرارها: مشکل در واحد نمونه‌گیری، ترازو یا عدم یکنواختی ماده — اطمینان از همگنی و تکرار روش.

14. نکات ایمنی

• کار در دمای بالا با ذوب مواد؛ از دستکش‌های مقاوم به گرما و شیلد محافظ چشم استفاده کنید.
• بخارات یا گازهای سمی ممکن است در اثر تخریب حرارتی تولید شوند — در محیط دارای تهویه کار کنید یا از هود مناسب استفاده نمایید.
• دستگاه دارای قطعات سنگین/قابل ‌حرکت است — پیش از سرویس، برق را قطع کنید.

15. مثال کاربردی (صنعتی)

فرض کنید تولیدکننده‌ای می‌خواهد یک گرید پلی‌پروپیلن (PP) جدید را برای قالب‌گیری تزریقی ارزیابی کند. از آنجا که فرایند تزریق نیاز به جریان نسبتاً بالا دارد، تولیدکننده MFI را در 230 °C با بار 2.16 kg اندازه‌گیری می‌کند و مقدار 12 g/10 min به‌دست می‌آید — این نشان می‌دهد ماده مناسبی برای تزریق است. اما برای اطمینان باید:

• آزمون را در بارهای متفاوت نیز انجام دهد (مثلاً 2.16 و 10 kg) تا رفتار وابسته به برش مشخص شود.
• خصوصیات مکانیکی نمونه‌های قالب‌گیری شده را تست کند (نرمش، ضربه، کشش).

16. توصیه‌های کاربردی برای آزمایش‌گران

• همیشه شرایط آزمون (دمـا، بار، استاندارد) را در گزارش ذکر کنید.
• برای مواد مهندسی با حساسیت خواص، همراه MFI از آزمون رئولوژی (رئومتر دورانی یا برشی) استفاده کنید.
• برای پلیمرهای هیدروفیلیک یا حساس به رطوبت، نمونه را خشک کنید (مثلاً در آون خلأ یا در دمای مناسب) قبل از آزمون.
• برای مقایسه حجم‌محور بین مواد، مقدار MVR را محاسبه کنید