Новый подход к быстрой стабилизации процессов пластмасс

26 апреля 2023 г.

Эта статья была проверена в соответствии с редакционным процессом и политикой Science X. Редакторы выделили следующие атрибуты, гарантируя при этом достоверность контента:

проверенный фактами

надежный источник

корректура

от Общества Фраунгофера

Пластиковые материалы склонны к разложению под действием кислорода воздуха. Эти реакции автоокисления происходят при температуре окружающей среды, но становятся особенно актуальными во время обработки расплава. Добавление в полимеры антиоксидантов приводит к выраженному замедлению процессов окисления. Только таким образом возможно производство пластиковых деталей, например, методом литья под давлением.

Разработка новых марок пластика сопровождается длительными экспериментальными процедурами по оптимизации содержания антиоксидантов. Для Института структурной долговечности и надежности систем Фраунгофера эти онлайн-реологические исследования являются многообещающим методом ускорения процесса разработки.

Органические вещества и, следовательно, пластмассы разлагаются в результате самоокисления при контакте с воздухом. Эта деградация инициируется повышенной температурой или светом и распространяется как радикальная цепная реакция, вызывающая расщепление полимерных цепей. Последние в первую очередь подвергаются атаке радикала ОН, что приводит к образованию гидропероксидных фрагментов. Это запускает последующие реакции, ведущие к регенерации ОН-радикала.

Для оптимальной защиты полимера необходимо добавить два разных типа антиоксидантов. Первичный антиоксидант, часто имеющий фенольную структуру, тушит ОН-радикал. Вторичные антиоксиданты состоят из пространственно затрудненных алкилпроизводных функциональных групп, таких как фосфиты или тиоэфиры. Они реагируют с гидропероксидом без образования ОН. Таким образом, оба типа антиоксидантов действуют синергетически. В описанных экспериментах использовали типичный коммерчески доступный пакет стабилизаторов, содержащий оба антиоксиданта в равных количествах.

Коммерчески доступные сорта первичного пластика обычно оснащены соответствующими пакетами стабилизаторов, готовыми к использованию. В целях ресурсоэффективности и экономии оптимальное содержание технологического стабилизатора необходимо определять при разработке новых марок пластмасс. Переработка использованных пластмасс в переработку сталкивается с той же проблемой, поскольку стабилизаторы регулярно истощались в течение предыдущего жизненного цикла.

Добавление шихты в переработанные материалы, которые будут использоваться, например, при литье под давлением, требует добавления стабилизаторов, адаптированных к соответствующему типу пластмассы и стадии ее старения. Традиционный способ оптимизации содержания стабилизаторов основан на составлении серии, содержащей различное количество антиоксидантов. Затем соединения характеризуются в автономном режиме с помощью различных тестов, таких как объемная скорость расплава (MVR, DIN 1133-1) или время окислительной индукции (OIT, ASTM D3895-19). Первые надежные результаты получаются только после этапа компаундирования.

Исследователи из Fraunhofer LBF работают над получением данных об эффективности фактического содержания стабилизатора на этапе составления рецептуры. С этой целью вязкость расплава используется в качестве регистрируемого отклика при изменении рецептуры. Это реализуется путем установки онлайн-реометра за наконечниками шнеков двухшнекового экструдера для измерения кривых потока сдвига, а также вязкости при удлинении.

Первые эксперименты были проведены на минимально стабилизированном первичном полипропилене (ПП).

Количество добавляемого стабилизатора варьировалось при выбранной скорости шнека. Снижение деградации, связанной с процессом, немедленно отражается в увеличении вязкости на кривых потока. Выше определенного уровня присадки дальнейшее увеличение вязкости не происходит. Это означает, что для реальных условий обработки концентрация стабилизатора достигла предела, выше которого дальнейшее улучшение невозможно.