Neuer Ansatz zur schnellen Prozessstabilisierung von Kunststoffen

26. April 2023

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by Fraunhofer-Gesellschaft

Kunststoffmaterialien unterliegen einer Zersetzung durch Luftsauerstoff. Diese Autooxidationsreaktionen finden bei Umgebungstemperatur statt, werden jedoch während der Schmelzverarbeitung besonders relevant. Durch den Zusatz von Antioxidantien zu den Polymeren kommt es zu einer deutlichen Verlangsamung der Oxidationsprozesse. Nur so ist beispielsweise die Herstellung von Kunststoffteilen im Spritzgussverfahren möglich.

Die Entwicklung neuer Kunststofftypen geht mit langwierigen experimentellen Verfahren zur Optimierung des Antioxidantiengehalts einher. Für das Fraunhofer-Institut für Betriebsfestigkeit und Systemzuverlässigkeit sind diese rheologischen Online-Untersuchungen eine vielversprechende Methode zur Beschleunigung des Entwicklungsprozesses.

Organische Stoffe und damit auch Kunststoffe zersetzen sich bei Kontakt mit Luft durch Selbstoxidation. Dieser Abbau wird durch erhöhte Temperatur oder Licht eingeleitet und schreitet als radikalische Kettenreaktion voran, die zur Spaltung der Polymerketten führt. Letztere werden hauptsächlich vom OH-Radikal angegriffen, was zur Bildung von Hydroperoxideinheiten führt. Diese lösen Folgereaktionen aus, die zur Neubildung des OH-Radikals führen.

Für einen optimalen Schutz des Polymers müssen zwei verschiedene Arten von Antioxidantien hinzugefügt werden. Das primäre Antioxidans, das oft eine Phenolstruktur enthält, löscht das OH-Radikal. Sekundäre Antioxidantien bestehen aus sterisch gehinderten Alkylderivaten funktioneller Gruppen wie Phosphiten oder Thioethern. Diese reagieren mit dem Hydroperoxid ohne OH-Bildung. Beide Arten von Antioxidantien wirken daher synergistisch. In den beschriebenen Experimenten wurde eine typische handelsübliche Stabilisatorpackung verwendet, die beide Antioxidantien in gleichen Mengen enthielt.

Im Handel erhältliche Neukunststoffqualitäten sind in der Regel gebrauchsfertig mit geeigneten Stabilisatorpaketen ausgestattet. Aus Gründen der Ressourceneffizienz und Wirtschaftlichkeit muss bei der Entwicklung neuer Kunststofftypen der optimale Gehalt des Prozessstabilisators ermittelt werden. Die gleiche Problematik besteht bei der Verarbeitung von Altkunststoffen zu Rezyklaten, da die Stabilisatoren im vorangegangenen Lebenszyklus regelmäßig verbraucht wurden.

Die Compoundierung der Mühlencharge zu Rezyklaten, die beispielsweise im Spritzguss eingesetzt werden sollen, erfordert die Zugabe von Stabilisatoren, die auf die jeweilige Kunststoffart und deren Alterungsstadium abgestimmt sind. Der traditionelle Weg zur Optimierung des Stabilisatorgehalts basiert auf der Zusammenstellung einer Reihe mit unterschiedlichen Mengen an Antioxidantien. Die Charakterisierung der Verbindungen erfolgt dann offline mittels verschiedener Tests, wie beispielsweise der Schmelzvolumenrate (MVR, DIN 1133-1) oder der oxidativen Induktionszeit (OIT, ASTM D3895-19). Erst nach dem Compoundierschritt werden erste verlässliche Ergebnisse erzielt.

Forscher des Fraunhofer LBF arbeiten daran, einen Hinweis auf die Wirksamkeit des tatsächlichen Stabilisatorgehalts während des Compoundierungsschritts zu erhalten. Zu diesem Zweck wird die Viskosität der Schmelze als aufgezeichnete Reaktion bei der Variation der Rezeptur verwendet. Dies wird durch den Einbau eines Online-Rheometers hinter den Schneckenspitzen eines Doppelschneckenextruders erreicht, um die Fließkurven der Scherung sowie die Dehnviskosität zu messen.

Die ersten Experimente wurden an einem minimal stabilisierten Neu-Polypropylen (PP) durchgeführt.

Die Menge des zugesetzten Stabilisators wurde bei ausgewählten Schneckengeschwindigkeiten variiert. Der verringerte prozessbedingte Abbau spiegelt sich unmittelbar in einem Anstieg der Viskosität in den Fließkurven wider. Ab einer bestimmten Additivmenge kommt es zu keinem weiteren Anstieg der Viskosität. Dies bedeutet, dass die Stabilisatorkonzentration unter den tatsächlichen Verarbeitungsbedingungen den Grenzwert erreicht hat, ab dem keine weitere Verbesserung mehr erzielt werden kann.

Somit liefert die Online-Rheologie dem Formulierungsentwickler wertvolle Informationen über die Wirksamkeit eines Verarbeitungsstabilisators während der Compoundierung.

Darüber hinaus sind die Fließkurven der verschiedenen Polymere nicht identisch. Der Informationsgehalt einer Strömungskurve ist daher viel höher als der eines einzelnen Zahlenwertes aus einer MVR-Messung. Darüber hinaus können die Fließkurven der Dehnviskosität in die Auswertung einbezogen werden. Unterstützt durch ein entsprechendes KI-basiertes System scheint die Online-Rheologie ein vielversprechendes Instrument zur Umsetzung einer Stabilisierung während der Rezyklatproduktion mit der Möglichkeit einer Echtzeitanpassung an den Alterungszustand der Mühlenchargen zu sein.

Bereitgestellt von der Fraunhofer-Gesellschaft