Fraunhofer LBF 新技术：配方中该加多少稳定剂？在线表征即时获取答案

　　在熔体加工过程中，塑料材料容易被氧化降解。虽然我们可以在聚合物中添加抗氧化剂来显著减缓这一氧化过程，但是，开发新的塑料牌号需要通过漫长的实验过程来优化抗氧化剂的含量。弗劳恩霍夫结构稳定性和系统可靠性研究所（Fraunhofer LBF）的研究人员认为在线流变学研究是加快研发进程的一种有效方法。

　　抗氧化剂

　　有机物和塑料与空气接触时会因自动氧化而降解。这种降解由高温或光引发，并通过自由基链反应的形式传播从而导致聚合物链裂解。后者主要会受到羟基（-OH）的攻击，生成过氧化氢物。而过氧化氢物在光照或加热等条件下可以继续分解出羟基（-OH）。

　　为了给聚合物提供最佳保护，必须添加两种不同的抗氧化剂：

　　◆主抗氧化剂——通常含有酚醛结构，可遏制羟基（-OH）；

　　◆辅助抗氧化剂——由亚磷酸酯或硫醚等官能团的位阻烷

　　基衍生物组成，它们与过氧化氢物反应而不形成羟基（-OH）。这两种抗氧化剂以协同的方式发挥作用。Fraunhofer LBF进行的实验所使用的是常见市售稳定剂包，含有等量的两种抗氧化剂。

　　工艺稳定性研究

　　市售的原生塑料牌号通常会配备合适的稳定剂包以供使用。为了提高资源效率和经济效益，在开发新的塑料牌号的过程中必须确定工艺稳定剂的最佳含量。

　　废旧塑料的回收处理也面临着同样的问题，因为稳定剂在之前的生命周期中已耗尽。将粉碎的回收材料用于注塑成型等工艺时需要根据塑料的类型及其老化阶段添加相应的稳定剂。

　　传统方法

　　优化稳定剂含量的传统方法是在聚合物中混合不同含量的抗氧化剂，然后通过不同的测试对这些改性料进行离线表征，如熔体体积流动速率（MVR，DIN 1133-1）和氧化诱导时间（OIT，ASTM D3895-19）测试。这意味着初步可靠的结果要在配混步骤之后才能获得。有没有方法可以加速这一过程？

　　在线表征带来新的潜力

　　Fraunhofer LBF 研究人员此次实验的目标是获得关于“配混步骤中稳定剂实际含量所发挥的功效”的指征。为了实现这一目标，熔体粘度被记录下来作为配方改变时的响应。它通过在双螺杆挤出机螺杆尖端后面集成在线流变仪来测量剪切的流动曲线以及拉伸粘度来实现。

　　第一组实验在稳定剂含量最低的原生聚丙烯（PP）上进行的。在选定的螺杆转速下，稳定剂的添加量逐渐变化。与工艺相关的降解的减少会立即反映在流变曲线中粘度的增加上。当添加剂含量超过一定值时，熔体的粘度不再增加。这意味着，在实际加工中，稳定剂浓度已达极限，无法实现更进一步的改进。因此，在线流变学为配方研发人员提供了关于“加工稳定剂在配混过程中的功效”的宝贵信息。

　　此外，不同聚合物的流动曲线并不相同。因此，流动曲线的信息含量远高于MVR 测定的单个数值。值得一提的是，拉伸粘度的流动曲线也可纳入评估。在合适的人工智能系统的辅助下，在线流变学看来是一种很有前途的工具，它可以在回收材料的生产过程中进行稳定化处理并根据粉碎机进料的老化阶段进行实时调整。