Nouvelle approche pour la stabilisation rapide des processus des plastiques

26 avril 2023

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par Fraunhofer Society

Les matières plastiques sont sujettes à la dégradation par l'oxygène atmosphérique. Ces réactions d'auto-oxydation se produisent à température ambiante mais deviennent particulièrement pertinentes lors du traitement en fusion. L'ajout d'antioxydants aux polymères entraîne un ralentissement prononcé des processus d'oxydation. Ce n'est qu'ainsi que la production de pièces en plastique par moulage par injection, par exemple, est possible.

Le développement de nouveaux grades de plastiques s'accompagne de longues procédures expérimentales pour optimiser la teneur en antioxydants. Pour l'Institut Fraunhofer pour la durabilité structurelle et la fiabilité des systèmes, ces investigations rhéologiques en ligne sont une méthode prometteuse pour accélérer le processus de développement.

Les matières organiques, et donc aussi les plastiques, se dégradent par auto-oxydation au contact de l'air. Cette dégradation est initiée par une température élevée ou par la lumière et se propage sous la forme d'une réaction radicalaire en chaîne qui provoque le clivage des chaînes polymères. Ces derniers sont principalement attaqués par le radical OH entraînant la formation de groupements hydroperoxydes. Ceux-ci déclenchent des réactions de suivi conduisant à la régénération du radical OH.

Pour une protection optimale du polymère, deux types différents d'antioxydants doivent être ajoutés. L'antioxydant primaire, contenant souvent une structure phénolique, désactive le radical OH. Les antioxydants secondaires sont constitués de dérivés alkylés stériquement encombrés de groupes fonctionnels, tels que les phosphites ou les thioéthers. Ceux-ci réagissent avec l'hydroperoxyde sans formation d'OH. Les deux types d'antioxydants agissent donc de manière synergique. Un ensemble de stabilisants typique disponible dans le commerce contenant les deux antioxydants en quantités égales a été utilisé dans les expériences décrites.

Les qualités de plastique vierge disponibles dans le commerce sont généralement équipées d'emballages de stabilisants appropriés prêts à l'emploi. Dans un souci d'efficacité des ressources et d'économie, la teneur optimale du stabilisateur de processus doit être déterminée lors du développement de nouvelles qualités de plastique. La transformation des plastiques usagés en produits recyclés est confrontée au même problème car les stabilisants ont été régulièrement épuisés au cours du cycle de vie précédent.

Mélanger la charge du broyeur aux recyclats à utiliser par exemple dans le moulage par injection, nécessite l'ajout de stabilisants adaptés au type de plastique respectif et à son stade de vieillissement. La manière traditionnelle d'optimiser la teneur en stabilisant est basée sur la composition d'une série contenant des quantités variables d'antioxydants. Les composés sont ensuite caractérisés hors ligne au moyen de différents tests, tels que le taux de volume à l'état fondu (MVR, DIN 1133-1) ou le temps d'induction oxydative (OIT, ASTM D3895-19). Les premiers résultats fiables ne sont obtenus qu'après l'étape de compoundage.

Les chercheurs de Fraunhofer LBF s'efforcent d'obtenir une indication concernant l'efficacité de la teneur réelle en stabilisant lors de l'étape de mélange. À cette fin, la viscosité de la masse fondue est utilisée comme réponse enregistrée tout en faisant varier la recette. Ceci est réalisé en incorporant un rhéomètre en ligne derrière les pointes de vis d'une extrudeuse à double vis pour mesurer les courbes d'écoulement du cisaillement ainsi que la viscosité élongationnelle.

Les premières expérimentations ont été réalisées sur un polypropylène vierge (PP) minimalement stabilisé.

La quantité de stabilisant ajoutée a été modifiée à des vitesses de vis sélectionnées. La dégradation réduite liée au procédé se traduit immédiatement par une augmentation de la viscosité dans les courbes d'écoulement. Au-dessus d'un certain niveau d'additif, il n'y a plus d'augmentation de viscosité. Cela signifie que pour les conditions de traitement réelles, la concentration en stabilisant a atteint la limite au-dessus de laquelle aucune autre amélioration ne peut être obtenue.

Ainsi, la rhéologie en ligne fournit au développeur de la formulation des informations précieuses concernant l'efficacité d'un stabilisant de traitement pendant la composition.

De plus, les courbes d'écoulement des différents polymères ne sont pas identiques. Le contenu informatif d'une courbe de débit est donc beaucoup plus élevé que celui d'une seule valeur numérique issue d'une mesure MVR. De plus, les courbes d'écoulement de la viscosité élongationnelle peuvent être incluses dans l'évaluation. Soutenue par un système approprié basé sur l'IA, la rhéologie en ligne semble être un outil très prometteur pour la mise en œuvre de la stabilisation lors de la production de recyclats avec la capacité de s'adapter en temps réel au stade de vieillissement des charges du broyeur.

Fourni par Fraunhofer-Gesellschaft