プラスチックのプロセスを迅速に安定化するための新しいアプローチ

2023 年 4 月 26 日

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プラスチック材料は大気中の酸素により劣化しやすいです。 これらの自動酸化反応は周囲温度でも発生しますが、溶融加工中に特に重要になります。 ポリマーに酸化防止剤を添加すると、酸化プロセスが顕著に遅くなります。 この方法でのみ、たとえば射出成形によるプラスチック部品の製造が可能になります。

新しいプラスチックグレードの開発には、酸化防止剤の含有量を最適化するための長時間にわたる実験手順が伴います。 フラウンホーファー構造耐久性およびシステム信頼性研究所にとって、これらのオンラインレオロジー調査は、開発プロセスを加速するための有望な方法です。

有機物、したがってプラスチックも空気に触れると自動酸化によって劣化します。 この分解は温度の上昇または光によって開始され、ポリマー鎖の切断を引き起こすラジカル連鎖反応として伝播します。 後者は主に OH ラジカルによって攻撃され、ヒドロペルオキシド部分が形成されます。 これらは、OH ラジカルの再生につながる追跡反応を引き起こします。

ポリマーを最適に保護するには、2 種類の異なる酸化防止剤を添加する必要があります。 主な酸化防止剤はフェノール構造を含むことが多く、OH ラジカルを抑制します。 二次酸化防止剤は、亜リン酸エステルやチオエーテルなどの官能基の立体障害のあるアルキル誘導体から構成されます。 これらは、OH を生成することなくヒドロペルオキシドと反応します。 したがって、両方のタイプの抗酸化物質は相乗的に作用します。 記載の実験では、両方の酸化防止剤を同量含む典型的な市販の安定剤パッケージを使用しました。

市販のバージンプラスチックグレードには、通常、すぐに使用できる適切な安定剤パッケージが装備されています。 資源効率と経済性のために、新しいプラスチックグレードの開発中にプロセス安定剤の最適な含有量を決定する必要があります。 使用済みプラスチックをリサイクル物として処理する場合も、安定剤は以前のライフサイクル中に定期的に枯渇するため、同じ問題に直面しています。

射出成形などに使用するリサイクル品にミルチャージを配合するには、それぞれのプラスチックの種類とその老化段階に合わせて調整された安定剤を添加する必要があります。 安定剤の含有量を最適化する従来の方法は、さまざまな量の酸化防止剤を含むシリーズを配合することに基づいています。 次に、溶融体積速度 (MVR、DIN 1133-1) や酸化誘導時間 (OIT、ASTM D3895-19) などのさまざまなテストを使用して、オフラインで化合物の特性を評価します。 最初の信頼できる結果は、配合ステップの後でのみ得られます。

フラウンホーファー LBF の研究者は、配合ステップ中の実際の安定剤含有量の有効性に関する指標を取得するために取り組んでいます。 この目的を達成するために、溶融物の粘度は、レシピを変更しながら記録された応答として使用されます。 これは、二軸押出機のスクリュー先端の後ろにオンライン レオメーターを組み込み、せん断の流動曲線と伸び粘度を測定することによって実現されます。

最初の実験は、最小限に安定化されたバージンポリプロピレン (PP) に対して行われました。

添加する安定剤の量は、選択したスクリュー速度で変化させた。 プロセス関連の劣化の減少は、流動曲線の粘度の増加に直ちに反映されます。 特定の添加剤レベルを超えると、それ以上粘度は増加しません。 これは、実際の処理条件において、安定剤濃度がそれ以上の改善が達成できない限界に達していることを意味します。

したがって、オンラインレオロジーは、配合中の加工安定剤の有効性に関する貴重な情報を配合開発者に提供します。

さらに、異なるポリマーの流動曲線は同一ではありません。 したがって、流量曲線の情報内容は、MVR 測定による単一の数値の情報内容よりもはるかに高くなります。 さらに、伸長粘度の流動曲線も評価に含めることができます。 適切な AI ベースのシステムによってサポートされているオンラインレオロジーは、ミルチャージの老化段階をリアルタイムで調整できる機能により、リサイクル品の生産中に安定化を実現する上で非常に有望なツールであると思われます。

フラウンホーファー・ゲゼルシャフト提供