플라스틱의 신속한 공정 안정화를 위한 새로운 접근 방식

2023년 4월 26일

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프라운호퍼 소사이어티

플라스틱 재료는 대기 산소에 의해 분해되기 쉽습니다. 이러한 자동 산화 반응은 주변 온도에서 발생하지만 용융 가공 중에 특히 관련이 있습니다. 폴리머에 항산화제를 첨가하면 산화 과정이 현저히 느려집니다. 이러한 방식으로만 사출 성형 등을 통한 플라스틱 부품 생산이 가능합니다.

새로운 플라스틱 등급을 개발하려면 항산화제 함량을 최적화하기 위한 오랜 실험 절차가 수반됩니다. 구조적 내구성 및 시스템 신뢰성을 위한 Fraunhofer 연구소의 경우 이러한 온라인 유변학적 조사는 개발 프로세스를 가속화할 수 있는 유망한 방법입니다.

유기물과 플라스틱도 공기와 접촉하면 자동 산화되어 분해됩니다. 이러한 분해는 상승된 온도나 빛에 의해 시작되고 폴리머 사슬의 절단을 유발하는 라디칼 연쇄 반응으로 전파됩니다. 후자는 주로 OH 라디칼의 공격을 받아 과산화물 부분이 형성됩니다. 이는 OH 라디칼의 재생으로 이어지는 후속 반응을 유발합니다.

폴리머를 최적으로 보호하려면 두 가지 유형의 항산화제를 첨가해야 합니다. 종종 페놀 구조를 포함하는 주요 항산화제는 OH-라디칼을 소멸시킵니다. 2차 항산화제는 포스파이트 또는 티오에테르와 같은 작용기의 입체 장애 알킬 유도체로 구성됩니다. 이들은 OH 형성 없이 과산화수소와 반응합니다. 따라서 두 가지 유형의 항산화제는 시너지 효과를 발휘합니다. 설명된 실험에서는 두 항산화제를 동일한 양으로 포함하는 일반적인 시판 안정제 패키지를 사용했습니다.

상업적으로 이용 가능한 순수 플라스틱 등급에는 일반적으로 바로 사용할 수 있는 적절한 안정제 패키지가 장착되어 있습니다. 자원 효율성과 경제성을 위해 새로운 플라스틱 등급을 개발하는 동안 공정 안정제의 최적 함량을 결정해야 합니다. 사용된 플라스틱을 재활용하기 위해 처리할 때 안정제가 이전 수명 주기 동안 정기적으로 고갈되었기 때문에 동일한 문제에 직면합니다.

예를 들어 사출 성형에 사용하기 위해 분쇄기 충전물을 재활용품으로 합성하려면 각 플라스틱 유형과 노화 단계에 맞게 조정된 안정제를 추가해야 합니다. 안정제 함량을 최적화하는 전통적인 방법은 다양한 양의 항산화제를 포함하는 일련의 혼합을 기반으로 합니다. 그런 다음 용융 부피 비율(MVR, DIN 1133-1) 또는 산화 유도 시간(OIT, ASTM D3895-19)과 같은 다양한 테스트를 통해 화합물을 오프라인으로 특성화합니다. 신뢰할 수 있는 첫 번째 결과는 배합 단계 이후에만 얻을 수 있습니다.

Fraunhofer LBF의 연구원들은 배합 단계에서 실제 안정제 함량의 효능에 관한 지표를 얻기 위해 노력하고 있습니다. 이를 위해 레시피를 변경하면서 용융물의 점도를 기록된 반응으로 사용합니다. 이는 트윈 스크류 압출기의 스크류 팁 뒤에 온라인 레오미터를 통합하여 전단 흐름 곡선과 신장 점도를 측정함으로써 실현됩니다.

첫 번째 실험은 최소한으로 안정화된 순수 폴리프로필렌(PP)에서 수행되었습니다.

추가된 안정제의 양은 선택된 스크류 속도에 따라 달라졌습니다. 감소된 공정 관련 열화는 흐름 곡선의 점도 증가에 즉시 반영됩니다. 특정 첨가제 수준 이상에서는 점도가 더 이상 증가하지 않습니다. 이는 실제 처리 조건에서 안정제 농도가 더 이상 개선할 수 없는 한계에 도달했음을 의미합니다.