El desarrollo de nuevas calidades de plástico va acompañado de largos procedimientos experimentales para optimizar el contenido de antioxidantes

Fraunhofer LBF desarrolla un nuevo enfoque para la estabilización rápida de procesos de plásticos

19/09/2023

Los materiales plásticos son propensos a la degradación por el oxígeno atmosférico. Estas reacciones de autooxidación ya se producen a temperatura ambiente, pero adquieren especial relevancia durante el proceso de fusión. La adición de antioxidantes a los polímeros tiene como resultado una ralentización pronunciada de los procesos de oxidación. Solo así es posible fabricar las conocidas piezas de plástico mediante moldeo por inyección, por ejemplo. El desarrollo de nuevas calidades de plástico va acompañado de largos procedimientos experimentales para optimizar el contenido de antioxidantes. Los investigadores del Instituto Fraunhofer de Durabilidad Estructural y Fiabilidad de Sistemas LBF ven en las investigaciones reológicas en línea un método prometedor para acelerar el proceso de desarrollo.

Antioxidantes

La materia orgánica y, por tanto, también los plásticos, se degradan por autooxidación al entrar en contacto con el aire. Esta degradación se inicia por temperatura elevada o luz y se propaga como una reacción radical en cadena que provoca la rotura de las cadenas poliméricas. Estas últimas son atacadas principalmente por el radical OH, lo que da lugar a la formación de hidroperóxidos. Esto desencadena reacciones posteriores que conducen a la regeneración del radical OH. Para una protección óptima del polímero, deben añadirse dos tipos diferentes de antioxidantes: el antioxidante primario, que suele contener una estructura fenólica, apaga el radical OH. Los antioxidantes secundarios consisten en derivados alquílicos de grupos funcionales con impedimentos estéricos, como fosfitos o tioéteres. Estos reaccionan con el hidroperóxido sin formación de OH. Por lo tanto, ambos tipos de antioxidantes actúan de forma sinérgica. En los experimentos descritos se utilizó un paquete estabilizante típico disponible en el mercado que contenía ambos antioxidantes en cantidades iguales.

Fig. 1a: Esquema del montaje experimental con extrusora de doble husillo y reómetro en línea

Fig. 1b: Fotografía del montaje

Estudio de la estabilización del proceso

Los plásticos vírgenes disponibles en el mercado suelen estar equipados con paquetes de estabilizantes adecuados para estar listos para su uso. En aras de la eficiencia de los recursos y de la economía, el contenido óptimo de estabilizante de proceso debe determinarse durante el desarrollo de nuevos grados de plástico. La transformación de plásticos usados en reciclados se enfrenta al mismo problema porque los estabilizantes se han agotado regularmente durante el ciclo de vida anterior. El compostaje de la carga de laminación a reciclados para su uso, por ejemplo, en moldeo por inyección, requiere la adición de estabilizantes ajustados al respectivo tipo de plásticos y a su estado de envejecimiento. La forma tradicional de optimizar el contenido de estabilizantes se basa en componer una serie que contenga cantidades variables de antioxidantes. A continuación, los compuestos se caracterizan fuera de línea mediante diferentes ensayos, como el índice de volumen de fusión (MVR, DIN 1133-1) o el tiempo de inducción oxidativa (OIT, ASTM D3895-19). Los primeros resultados fiables no se obtienen hasta después de la fase de composición.

Fig. 2: Curvas de flujo de viscosidad de cizallamiento a distintas velocidades dehusillo.

Fig. 3a: Curvas de flujo de la viscosidad de cizallamiento para distintas cantidades de antioxidante (“Stab”). La velocidad del tornillo fue de 100 rpm

La caracterización en línea ofrece un nuevo potencial

Los investigadores del Fraunhofer LBF pretenden obtener una indicación de la eficacia del contenido real de estabilizante ya durante la fase de composición. Para ello se utiliza la viscosidad de la masa fundida como respuesta registrada al variar la receta. Esto se consigue incorporando un reómetro en línea detrás de las puntas de los tornillos de una extrusora de doble tornillo para medir las curvas de flujo del cizallamiento, así como la viscosidad elongacional. Los primeros experimentos se llevaron a cabo con polipropileno (PP) virgen mínimamente estabilizado. 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 determinado nivel de aditivo, la viscosidad ya no aumenta. Esto significa que, para las condiciones reales de procesado, la concentración de estabilizante ha alcanzado el límite por encima del cual no puede lograrse ninguna mejora adicional.Así, la reología en línea proporciona al desarrollador de la formulación una valiosa información sobre la eficacia de un estabilizante de procesado ya durante la composición.

Además, las curvas de flujo de los diferentes polímeros no son idénticas. Además, las curvas de flujo de los diferentes polímeros no son idénticas, por lo que el contenido informativo de una curva de flujo es mucho mayor que el de un único valor numérico de una medición MVR. Además, las curvas de flujo de la viscosidad elongacional pueden incluirse en la evaluación. Apoyada por 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 del molino.

Fig. 3b: Curvas de flujo de la viscosidad de cizallamiento para diversas cantidades de antioxidante (“Stab”). La velocidad del husillo fue de 300 rpm y también se muestra la curva de flujo para 100 rpm y 0,2% de Stab (curva verde oscura).

Más información: www.lbf.fraunhofer.de/online-rheologie-en