Nuovo approccio per la stabilizzazione rapida del processo di plastica

26 aprile 2023

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dalla Società Fraunhofer

I materiali plastici sono soggetti a degradazione a causa dell'ossigeno atmosferico. Queste reazioni di autossidazione avvengono a temperatura ambiente ma diventano particolarmente rilevanti durante la lavorazione della fusione. L'aggiunta di antiossidanti ai polimeri determina un marcato rallentamento dei processi di ossidazione. Solo in questo modo è possibile, ad esempio, produrre parti in plastica mediante stampaggio a iniezione.

Lo sviluppo di nuovi gradi di plastica è accompagnato da lunghe procedure sperimentali per ottimizzare il contenuto di antiossidanti. Per l’Istituto Fraunhofer per la durabilità strutturale e l’affidabilità del sistema, queste indagini reologiche online rappresentano un metodo promettente per accelerare il processo di sviluppo.

La materia organica, e quindi anche la plastica, si degrada per autoossidazione a contatto con l'aria. Questa degradazione viene avviata dalla temperatura elevata o dalla luce e si propaga come una reazione a catena radicale che provoca la scissione delle catene polimeriche. Questi ultimi vengono attaccati principalmente dal radicale OH con conseguente formazione di porzioni idroperossidi. Questi innescano reazioni successive che portano alla rigenerazione del radicale OH.

Per una protezione ottimale del polimero è necessario aggiungere due diversi tipi di antiossidanti. L'antiossidante primario, spesso contenente una struttura fenolica, spegne il radicale OH. Gli antiossidanti secondari sono costituiti da alchil-derivati ​​stericamente impediti di gruppi funzionali, come fosfiti o tioeteri. Questi reagiscono con l'idroperossido senza formazione di OH. Entrambi i tipi di antiossidanti agiscono quindi in modo sinergico. Negli esperimenti descritti è stato utilizzato un tipico pacchetto stabilizzante disponibile in commercio contenente entrambi gli antiossidanti in quantità uguali.

I gradi di plastica vergine disponibili in commercio sono generalmente dotati di pacchetti stabilizzanti appropriati pronti per l'uso. Per motivi di efficienza delle risorse e di economia, il contenuto ottimale dello stabilizzante di processo deve essere determinato durante lo sviluppo di nuovi tipi di plastica. La trasformazione della plastica usata in materiale riciclato deve affrontare lo stesso problema perché gli stabilizzanti sono stati regolarmente esauriti durante il ciclo di vita precedente.

Per miscelare la carica del mulino con materiali riciclati da utilizzare, ad esempio, nello stampaggio a iniezione, è necessario aggiungere stabilizzanti adeguati al rispettivo tipo di plastica e al suo stadio di invecchiamento. Il modo tradizionale per ottimizzare il contenuto di stabilizzanti si basa sulla combinazione di una serie contenente quantità variabili di antiossidanti. I composti vengono poi caratterizzati offline mediante diversi test, come l'indice di volume fuso (MVR, DIN 1133-1) o il tempo di induzione ossidativa (OIT, ASTM D3895-19). I primi risultati attendibili si ottengono solo dopo la fase di compounding.

I ricercatori del Fraunhofer LBF stanno lavorando per ottenere un'indicazione sull'efficacia dell'effettivo contenuto di stabilizzante durante la fase di preparazione. A tal fine, la viscosità del fuso viene utilizzata come risposta registrata variando la ricetta. Ciò viene realizzato incorporando un reometro in linea dietro le punte delle viti di un estrusore bivite per misurare le curve di flusso del taglio e la viscosità elongazionale.

I primi esperimenti sono stati condotti su un polipropilene vergine (PP) minimamente stabilizzato.

La quantità di stabilizzante aggiunta è stata variata a velocità della vite selezionate. La ridotta degradazione correlata al processo si riflette immediatamente in un aumento della viscosità nelle curve di flusso. Al di sopra di un certo livello di additivo non si verifica ulteriore aumento della viscosità. Ciò significa che per le effettive condizioni di lavorazione la concentrazione dello stabilizzante ha raggiunto il limite oltre il quale non è possibile ottenere ulteriori miglioramenti.