Nuevo enfoque para la estabilización rápida de procesos de plásticos

26 de abril de 2023

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por la Sociedad Fraunhofer

Los materiales plásticos son propensos a la degradación por el oxígeno atmosférico. Estas reacciones de autooxidación ocurren a temperatura ambiente pero se vuelven especialmente relevantes durante el proceso de fusión. La adición de antioxidantes a los polímeros da como resultado una ralentización pronunciada de los procesos de oxidación. Solo así es posible, por ejemplo, la producción de piezas de plástico mediante moldeo por inyección.

El desarrollo de nuevos grados de plástico va acompañado de largos procedimientos experimentales para optimizar el contenido de antioxidantes. Para el Instituto Fraunhofer de Durabilidad Estructural y Confiabilidad del Sistema, estas investigaciones reológicas en línea son un método prometedor para acelerar el proceso de desarrollo.

La materia orgánica, y por tanto también los plásticos, se degradan por autooxidación en contacto con el aire. Esta degradación se inicia por temperatura elevada o luz y se propaga como una reacción en cadena de radicales que provoca la escisión de las cadenas de polímero. Estos últimos son atacados principalmente por el radical OH, lo que da como resultado la formación de fracciones de hidroperóxido. Estos desencadenan reacciones de seguimiento que conducen a la regeneración del radical OH.

Para una protección óptima del polímero, se deben agregar dos tipos diferentes de antioxidantes. El antioxidante primario, que a menudo contiene una estructura fenólica, apaga el radical OH. Los antioxidantes secundarios consisten en derivados de alquilo estéricamente impedidos de grupos funcionales, como fosfitos o tioéteres. Estos reaccionan con el hidroperóxido sin formación de OH. Por tanto, ambos tipos de antioxidantes actúan de forma sinérgica. En los experimentos descritos se utilizó un paquete estabilizador comercial típico que contenía ambos antioxidantes en cantidades iguales.

Los grados de plástico virgen disponibles comercialmente suelen estar equipados con paquetes estabilizadores apropiados listos para usar. En aras de la eficiencia y la economía de los recursos, el contenido óptimo del estabilizador del proceso debe determinarse durante el desarrollo de nuevos grados de plástico. El procesamiento de plásticos usados ​​para reciclarlos enfrenta el mismo problema porque los estabilizadores se han agotado regularmente durante el ciclo de vida anterior.

La combinación de la carga de la molienda con materiales reciclados que se utilizarán, por ejemplo, en el moldeo por inyección, requiere la adición de estabilizadores ajustados al respectivo tipo de plástico y su etapa de envejecimiento. La forma tradicional de optimizar el contenido de estabilizador se basa en la composición de una serie que contiene cantidades variables de antioxidantes. Luego, los compuestos se caracterizan fuera de línea mediante diferentes pruebas, como la tasa de volumen de fusión (MVR, DIN 1133-1) o el tiempo de inducción oxidativa (OIT, ASTM D3895-19). Los primeros resultados confiables se obtienen solo después del paso de composición.

Los investigadores de Fraunhofer LBF están trabajando para obtener una indicación sobre la eficacia del contenido real de estabilizador durante el paso de preparación. Con este fin, la viscosidad de la masa fundida se utiliza como respuesta registrada mientras se varía la receta. Esto se logra mediante la incorporación de un reómetro en línea detrás de las puntas de los tornillos de una extrusora de doble tornillo para medir las curvas de flujo de la cizalla, así como la viscosidad de elongación.

Los primeros experimentos se realizaron sobre un polipropileno virgen (PP) mínimamente estabilizado.

La cantidad de estabilizador añadido se varió a velocidades de tornillo seleccionadas. La reducción de la degradación relacionada con el proceso se refleja inmediatamente en un aumento de la viscosidad en las curvas de flujo. Por encima de un cierto nivel de aditivo no hay más aumento de la viscosidad. Esto significa que para las condiciones de procesamiento reales, la concentración de estabilizador ha alcanzado el límite por encima del cual no se puede lograr ninguna mejora adicional.

Por lo tanto, la reología en línea brinda al desarrollador de formulaciones información valiosa sobre la eficacia de un estabilizador de procesamiento durante la preparación magistral.

Además, las curvas de flujo de los diferentes polímeros no son idénticas. Por lo tanto, el contenido de información de una curva de flujo es mucho mayor que el de un solo valor numérico de una medición de MVR. Además, las curvas de flujo de la viscosidad de elongación se pueden incluir en la evaluación. Con el respaldo de un sistema apropiado basado en IA, la reología en línea parece ser una herramienta muy prometedora para implementar la estabilización durante la producción de reciclados con la capacidad de ajuste en tiempo real a la etapa de envejecimiento de las cargas de la planta.

Proporcionado por Fraunhofer-Gesellschaft