Kunststoffmaterialien sind anfällig für den Abbau durch Luftsauerstoff. Diese Autooxidationsreaktionen finden bei Umgebungstemperatur statt, werden aber während der Schmelzverarbeitung besonders relevant. Der Zusatz von Antioxidantien zu den Polymeren führt zu einer deutlichen Verlangsamung der Oxidationsprozesse. Nur so ist die Herstellung von Kunststoffteilen beispielsweise im Spritzgussverfahren möglich.
Die Entwicklung neuer Kunststofftypen wird von langwierigen experimentellen Verfahren zur Optimierung des Antioxidansgehalts begleitet. Für das Fraunhofer-Institut für Betriebsfestigkeit und Systemzuverlässigkeit sind diese rheologischen Online-Untersuchungen eine vielversprechende Methode zur Beschleunigung des Entwicklungsprozesses.
Antioxidantien
Organische Stoffe und damit auch Kunststoffe werden bei Kontakt mit Luft durch Autooxidation abgebaut. Dieser Abbau wird durch erhöhte Temperatur oder Licht initiiert und breitet sich als radikalische Kettenreaktion aus, die eine Spaltung der Polymerketten verursacht. Letztere werden hauptsächlich durch das OH-Radikal angegriffen, was zur Bildung von Hydroperoxid-Einheiten führt. Diese lösen Folgereaktionen aus, die zur Regeneration des OH-Radikals führen.
Für einen optimalen Schutz des Polymers müssen zwei verschiedene Arten von Antioxidantien zugesetzt werden. Das primäre Antioxidans, das oft eine phenolische Struktur enthält, quencht das OH-Radikal. Sekundäre Antioxidantien bestehen aus sterisch gehinderten Alkyl-Derivaten funktioneller Gruppen, wie Phosphite oder Thioether. Diese reagieren mit dem Hydroperoxid ohne OH-Bildung. Beide Arten von Antioxidantien wirken daher synergistisch. In den beschriebenen Experimenten wurde ein typisches handelsübliches Stabilisatorpaket verwendet, das beide Antioxidantien in gleichen Mengen enthielt.
Studium der Prozessstabilisierung
Kommerziell erhältliche neue Kunststoffqualitäten sind typischerweise mit geeigneten gebrauchsfertigen Stabilisatorpaketen ausgestattet. Aus Gründen der Ressourceneffizienz und Wirtschaftlichkeit muss bei der Entwicklung neuer Kunststofftypen der optimale Gehalt des Prozessstabilisators ermittelt werden. Die Verarbeitung von gebrauchten Kunststoffen zu Rezyklaten steht vor dem gleichen Problem, da die Stabilisatoren während des bisherigen Lebenszyklus regelmäßig aufgebraucht wurden.
Die Compoundierung des Mahlguts zu Rezyklaten, die beispielsweise im Spritzguss eingesetzt werden, erfordert die Zugabe von Stabilisatoren, die auf die jeweilige Kunststoffart und deren Alterungsstadium abgestimmt sind. Der herkömmliche Weg zur Optimierung des Stabilisatorgehalts basiert auf der Compoundierung einer Reihe unterschiedlicher Mengen an Antioxidantien. Offline werden die Compounds dann anhand verschiedener Tests, wie der Schmelzvolumenrate (MVR, DIN 1133-1) oder der oxidativen Induktionszeit (OIT, ASTM D3895-19), charakterisiert. Erste verlässliche Ergebnisse werden erst nach dem Compoundierschritt erhalten.
Die Online-Charakterisierung bietet neue Potenziale
Forscher des Fraunhofer LBF arbeiten daran, einen Hinweis auf die Wirksamkeit des tatsächlichen Stabilisatorgehalts während des Compoundierschritts zu erhalten. Dazu wird die Viskosität der Schmelze als aufgezeichnete Antwort verwendet, während die Rezeptur variiert wird. Realisiert wird dies durch den Einbau eines Online-Rheometers hinter den Schneckenspitzen eines Doppelschneckenextruders zur Messung der Fließkurven der Scherung sowie der Dehnviskosität.
Die ersten Versuche wurden an einem minimal stabilisierten Polypropylen (PP) Neuware durchgeführt.
Die zugesetzte Stabilisatormenge wurde bei ausgewählten Schneckengeschwindigkeiten variiert. Der reduzierte prozessbedingte Abbau spiegelt sich unmittelbar in einer Erhöhung der Viskosität in den Fließkurven wider. Oberhalb einer bestimmten Additivmenge erfolgt kein weiterer Viskositätsanstieg. Das bedeutet, dass die Stabilisatorkonzentration für die aktuellen Verarbeitungsbedingungen die Grenze erreicht hat, oberhalb derer keine weitere Verbesserung mehr erreicht werden kann.
Somit liefert die Online-Rheologie dem Formulierungsentwickler wertvolle Informationen über die Wirksamkeit eines Verarbeitungsstabilisators während der Compoundierung.
Außerdem sind die Fließkurven der verschiedenen Polymere nicht identisch. Der Informationsgehalt einer Durchflusskurve ist daher wesentlich höher als der eines einzelnen Zahlenwerts aus einer MVR-Messung. Zusätzlich können die Fließkurven der Dehnviskosität in die Auswertung einbezogen werden. Unterstützt durch ein entsprechendes KI-basiertes System scheint die Online-Rheologie ein vielversprechendes Werkzeug zu sein, um eine Stabilisierung während der Herstellung von Rezyklaten mit der Möglichkeit der Anpassung an den Alterungsgrad der Mühlenchargen in Echtzeit umzusetzen.