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Smarte Kunststoff-Fitmacher Zielsicheres Anti Aging für PP-Rezyklate durch flotte Online-Rheologie

Quelle: Fraunhofer-LBF 3 min Lesedauer

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Fraunhofer-Institut für Betriebsfestigkeit und Systemzuverlässigkeit LBF
AGTOS Gesellschaft für technische Oberflächensysteme mbH GmbH
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Um den Polymerkettenabbau (Alterung) bei Kunststoffen mit Additiven zu verzögern, musste bisher aufwendig getestet werden. Forscher haben da mal was überlegt ...

Hält der Kunststoff genug, oder nicht? Diese Frage stellt sich insbesondere für Bauteile aus Rezyklaten, die schon eine Alterungsphase hinter sich haben. Rezyklate mit Antioxidantien wieder fit zu machen, ist aber schwierig. Per Online-Rheologie soll das jetzt viel einfacher werden.(Bild: Tübersang)
Hält der Kunststoff genug, oder nicht? Diese Frage stellt sich insbesondere für Bauteile aus Rezyklaten, die schon eine Alterungsphase hinter sich haben. Rezyklate mit Antioxidantien wieder fit zu machen, ist aber schwierig. Per Online-Rheologie soll das jetzt viel einfacher werden.
(Bild: Tübersang)

Alle organischen Substanzen, also auch Kunststoffe wie Polypropylen (PP) altern, wenn Sauerstoff sie angreift. Dieser Autooxidationsprozess findet besonders bei den relativ hohen Temperaturen der Schmelzeverarbeitung viel schneller statt. Dadurch werden die Langkettenmoleküle (Polymerketten) kürzer, was die Zähigkeit des Kunststoffs als späteres Bauteil verringert – er wird spröder und versagt schneller unter Belastung. Deshalb werden den Kunststoffe Additive zugemischt (Antioxidantien), die den Kettenabbau respektive die Degradation stark verzögern oder blockieren. Doch bisher war es recht aufwendig, die richtige Dosierung für Additive zu finden. Die Charakterisierung geschieht offline mittels verschiedener Tests, wie etwa der Messung der Volumenfließrate (MVR, DIN 1133-1). Belastbare Ergebnisse erhält man so aber erst nach dem Compoundierschritt. Vor allem bei der schwankenden Qualität von Rezyklaten wird diese Aufgabe noch zeitraubender. Forscher am Fraunhofer-Institut für Betriebsfestigkeit und Systemzuverlässigkeit (LBF) sehen aber mit Blick auf online-rheologische Untersuchungen eine vielversprechende Methode, diesen Prozess zu beschleunigen.

Auch bei Antioxidantien hilft viel nicht immer viel ...

Mit einem Online-Rheometer, das hinter den Schneckenspitzen an einen Doppelschneckenextruder angeflanscht ist (Bild 1), messen die Forscher die Fließkurven sowohl der Scher- als auch der Dehnviskosität. Für erste Untersuchungen an einem wenig stabilisierten Neuware-PP wurde für ausgewählte Drehzahlen die Menge an zugegebenem Stabilisator variiert. Mit steigendem Stabilisatorgehalt verschieben sich die Fließkurven zu höheren Viskositätswerten, was auf einen verringerten prozessbedingten Abbau schließen lässt (Bild 2a). Offline-Untersuchungen an den entsprechenden Proben ergeben im gleichen Sinne höhere Molmassen, wodurch der verringerte, prozessbedingte Abbau klar bestätigt wird. Im log-log-Plot offenbart sich zwischen der Nullviskosität (aus dem Fit eines einfachen Viskositätsmodells an die Fließkurven) und der massengemittelten Molmasse Mw entsprechend der Theorie ein linearer Zusammenhang (Bild 2b). Doch ab einem bestimmten Additivanteil kommt es zu keiner weiteren Viskositätszunahme. Das markiert die Menge, aber der es sich nicht mehr lohnt, mehr des teueren Additivs hinzuzugeben. Diese Situation wurde bei den geschilderten Versuchen bei der Verarbeitung mit 100 rpm und einem Stabilisatoranteil von 0,2 Prozent erreicht (Bild 2c). Zusätzlich spiegeln die Fließkurven der Dehnviskosität die Stabilität der Schmelze wider. Im Gegensatz zur Scherviskosität wird die Dehnviskosität auch durch den Faseranteil und die Faserverteilung sehr beeinflusst. Weil die Schmelzestabilität ein wichtiges Kriterium für die Verwendung eines gegebenen Compounds für Blasformverfahren ist, kann die Online-Rheologie den Compoundentwickler auch in dieser Hinsicht unterstützen.

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