Kunststof materialen zijn gevoelig voor degradatie door zuurstof uit de atmosfeer. Deze auto-oxidatiereacties treden op bij omgevingstemperatuur, maar worden bijzonder relevant tijdens de smeltverwerking. Toevoeging van antioxidanten aan de polymeren leidt tot een duidelijke vertraging van de oxidatieprocessen. Alleen op die manier is de productie van de bekende kunststofonderdelen door bijvoorbeeld spuitgieten mogelijk.

De ontwikkeling van nieuwe kunststofsoorten gaat gepaard met langdurige experimentele procedures om het gehalte aan antioxidanten te optimaliseren. Onderzoekers van het Fraunhofer Institute for Structural Durability and System Reliability LBF zien online reologisch onderzoek als een veelbelovende methode om het ontwikkelingsproces te versnellen.

Antioxidanten

Organische stoffen en dus ook kunststoffen breken af door auto-oxidatie wanneer zij in contact komen met lucht. Deze afbraak wordt in gang gezet door een verhoogde temperatuur of door licht en verloopt als een radicale kettingreactie die splitsing van de polymeerketens veroorzaakt. Deze laatste worden voornamelijk aangevallen door het OH-radicaal, wat leidt tot de vorming van hydroperoxidegroepen. Deze veroorzaken vervolgreacties die leiden tot regeneratie van het OH-radicaal. Voor een optimale bescherming van het polymeer moeten twee verschillende soorten antioxidanten worden toegevoegd: De primaire antioxidant, die vaak een fenolstructuur bevat, onderdrukt het OH-radicaal. Secundaire antioxidanten bestaan uit sterisch gehinderde alkyl-derivaten van functionele groepen, zoals fosfieten of thioethers. Deze reageren met het hydroperoxide zonder OH-vorming. Beide soorten antioxidanten werken dus synergetisch. In de beschreven experimenten is een typisch commercieel verkrijgbaar stabilisatiepakket gebruikt dat beide antioxidanten in gelijke hoeveelheden bevat.

Het bestuderen van processtabilisatie

Commercieel verkrijgbare zuivere kunststof is gewoonlijk voorzien van passende stabilisatorpakketten om gebruiksklaar te zijn. Met het oog op een efficiënt en zuinig gebruik van grondstoffen moet bij de ontwikkeling van nieuwe kunststofsoorten het optimale gehalte aan processtabilisatoren worden bepaald. De verwerking van gebruikte kunststoffen tot recyclaten kampt met hetzelfde probleem omdat de stabilisatoren tijdens de vorige levenscyclus regelmatig zijn uitgeput. Bij het samenstellen van de fabriekslading tot recyclaten die bijvoorbeeld bij het spuitgieten worden gebruikt, moeten stabilisatoren worden toegevoegd die zijn aangepast aan het respectieve type kunststof en het stadium van veroudering ervan. De traditionele manier om het gehalte aan stabilisatoren te optimaliseren is gebaseerd op de samenstelling van een reeks met verschillende hoeveelheden antioxidanten. De samenstellingen worden dan offline gekarakteriseerd door middel van verschillende tests, zoals de smeltvolumestroom (MVR, DIN 1133-1) of de oxidatieve inductietijd (OIT, ASTM D3895-19). De eerste betrouwbare resultaten worden pas na de compounding-stap verkregen.

Online karakterisering biedt nieuwe mogelijkheden

Onderzoekers van Fraunhofer LBF willen al tijdens de mengstap een indicatie krijgen van de doeltreffendheid van het feitelijke stabilisatorgehalte. Daartoe wordt de viscositeit van de smelting gebruikt als een respons die wordt geregistreerd terwijl het recept wordt gevarieerd. Dit wordt gerealiseerd door een online reometer in te bouwen achter de schroefpunten van een dubbelschroefsextruder om de vloeikrommen van zowel de afschuif- als de rekviscositeit te meten. De eerste experimenten werden uitgevoerd op minimaal gestabiliseerd virgin polypropyleen (PP). De hoeveelheid toegevoegde stabilisator werd gevarieerd bij geselecteerde schroefsnelheden. De verminderde procesgerelateerde degradatie komt onmiddellijk tot uiting in een toename van de viscositeit in de vloeikrommen. Boven een bepaald additiefniveau is er geen verdere toename van de viscositeit. Dit betekent dat voor de huidige verwerkingsomstandigheden de stabilisatorconcentratie de grens heeft bereikt waarboven geen verdere verbetering kan worden bereikt.

Online reologie verschaft de ontwikkelaar van formules dus waardevolle informatie over de doeltreffendheid van een verwerkingsstabilisator reeds tijdens het samenstellen.
Bovendien zijn de vloeikrommen van de verschillende polymeren niet identiek. De informatie-inhoud van een vloeikromme is daarom veel groter dan die van een enkele numerieke waarde van een MVR-meting. Bovendien kunnen de vloeikrommen van de rekviscositeit in de evaluatie worden opgenomen. Ondersteund door een geschikt AI-systeem lijkt online reologie een veelbelovend instrument om stabilisatie toe te passen tijdens de productie van recyclaten met de mogelijkheid van real-time aanpassing aan de verouderingsfase van de molenladingen.