Drei Schritte zur Lösung von Plastikalterungsproblemen: Empfehlungen für die besten Antioxidantien

Kunststoffe sind ein wesentlicher Bestandteil nahezu jeder Sphäre der menschlichen Aktivität, von Kosmetikprodukten bis hin zu Komponenten im Automobil- und Luftfahrtbereich. Doch das Altern von Kunststoffmaterialien oder deren Verschlechterung durch verschiedene Umwelteinflüsse mit der Zeit bleibt ein großes Problem. Dieser Artikel nennt drei Hauptgründe und Lösungen für die Probleme des Kunststoffaltens und schlägt die besten Antioxidantien vor, um solche Probleme zu verhindern.

Verständnis des Kunststoffaltens

Das Alterungsvorgang von Kunststoffen tritt hauptsächlich durch die Aussetzung mit Umwelteinflüssen wie UV-Licht, Sauerstoff und Hitze auf. Mit der Zeit führt dies zu einer Verfärbung des Materials, Brüchigkeit und einem erheblichen Verlust der meisten mechanischen Eigenschaften. Freie Radikale treten als Auslöser der Degradationsprozesse auf. Diese freien Radikale greifen auf die Struktur der Polymermoleküle ein, was zu einer Reihe schädlicher Ereignisse führt. Um das Altern von Plastik effektiver zu bekämpfen, ist es wichtig, die Mechanismen sowie die potentiellen Angriffsziele zu kennen.

Schritt 1: Erstauswahl und Materialauswahl

Der allererste Schritt bei der Lösung von Problemen bezüglich der Alterung von Kunststoffen besteht darin, eine gezielte Auswahl der zu verwendenden Materialien durchzuführen. Umweltfaktoren haben unterschiedliche Auswirkungen auf verschiedene Polymere. Während zum Beispiel die meisten Polyethylen stark anfällig für UV-Zerfall sind, sind Polycarbonate robuster, können jedoch immer noch photooxidalen Verfall unterliegen. Die Materialauswahl sollte auf die jeweilige Anwendung und die erwarteten Umweltbedingungen, in denen der Kunststoff verwendet wird, zugeschnitten werden.

Die Screening-Tests sollten beschleunigte Alterungstests einschließen, die versuchen, in kurzer Zeit die Leistung eines Materials über einen längeren Gebrauch in einer natürlichen Umgebung vorherzusagen. Diese Informationen sind nützlich bei der Auswahl von Polymeren für die gewünschte Anwendung, da sie wertvolle Einblicke in das Materialverhalten unter verschiedenen Belastungen geben. Und diese können helfen, bessere Entscheidungen über die Menge an Antioxidantien und anderen Stabilisatoren zu treffen, die integriert werden sollen.

Schritt 2: Auswahl der richtigen Antioxidantien

Nachdem das richtige Material identifiziert wurde, besteht die nächste Aufgabe darin, die richtigen Antioxidantien auszuwählen. Antioxidantien spielen eine wichtige Rolle bei der Verzögerung des Alterungsprozesses, da sie direkt auf freie Radikale wirken, um sie zu neutralisieren oder ihre Aktivität zu hemmen. Antioxidantien werden weiter in primär und sekundär unterteilt, was operativ als Radikalspender und Hydroperoxid-Zerlegungsstoffe bezeichnet wird.

Primärantioxidationsstoffe: Diese Antioxidationsstoffe führen eine Art Vorwärmeaktivität durch, wie gehemmte Phenole und aromatische Amine. Sie jagen Übergangsmetalle chelierend und optimieren den Sauerstoffverbrauch in den Anfangsphasen. Einige Beispiele sind tert-butyl-4-hydroxyanisol (BHT) und Diphenylamin sowie einige gehemmte Amine HALS wie z.B. Lichtstabilisatoren gehemmter Amine.

Sekundärantioxidationsstoffe: Phosphite und Thioetherester sind solche Verbindungen, die Hydroperoxide in nicht-radikalische Spaltungen unterdrücken und so die vorwärtsgerichteten Schritte des oxidativen Kettmechanismus vermeiden. Ein häufig verwendetes sekundäres Antioxidationsmittel ist Tris(2,4-di-tert-butylphenyl)-phosphit, vermarktet als Irgafos 168 und Distearylthiodipropionsäure.

Schritt 3: Optimierung von Zusammensetzung und Verarbeitung

Nach der Identifizierung der effizientesten Antioxidanzien ist die nächste wichtige Aufgabe, die Formulierung und die Prozessparameter zu optimieren. Dies beinhaltet das Auffinden der angemessenen Anzahl an Antioxidanzien sowie der besten Parameter für die Polymerdispersion der Antioxidanzien. Sowohl zu viel als auch zu wenig Antioxidanzien können eine optimale Leistung verhindern, sei es durch Zerstörung der physikalischen Eigenschaften des Materials oder durch Versagen bei der Bereitstellung einer effizienten Schutzfunktion.

Andere Prozessparameter wie Temperatur, Extrusionsgeschwindigkeit und Mischzeit sind ebenfalls von großer Bedeutung für die Wirksamkeit der Antioxidanzien. Überschüssige Prozesstemperaturen können zur Zersetzung der Antioxidanzien führen, bevor sie genutzt werden, während unzureichendes Mischen zu einer unangemessenen Dispersion der Antioxidanzien führen kann, was zu schwachen Punkten führt, die altersanfälliger sind.

Empfehlungen für spezifische Anwendungen

Jede Anwendung erfordert einen spezifischen Ansatz hinsichtlich des bereitgestellten Antioxidans. Zum Beispiel sollten Verpackungsmaterialien, die der Sonne ausgesetzt sind, zusätzlich zu Antioxidanzen mit UV-Stabilisatoren versehen werden. Angesichts der oben genannten Parameter können auch Automobilteile interne Antioxidanzen mit hohem Schmelzpunkt sowie sekundäre Stabilisatoren verwenden.

Dünne Folien und Fasern sollten eher disperse Antioxidanze mit niedrigem Molekulargewicht aufweisen, während dicke und steifere Kunststoffe langfristige schützende Wirkungen durch Antioxidanze mit hohem Molekulargewicht aufweisen. HALS sind ohne Frage die beste Wahl für den Außeneinsatz, da sie unter UV-Licht nicht abbauen.

Schlussfolgerung

Das Umgang mit dem Plastikproblem unter dem Aspekt des Altern ist an sich komplex und erfordert einen strategischen Ansatz. Durch die Einhaltung der drei Schritte der Screening- und Auswahl der Materialien, Auswahl der richtigen Antioxidationsmittel für die Materialien und Optimierung der Materialien in Formulierung und Verarbeitung kann die Lebensdauer und Leistungsfähigkeit von Kunststoffprodukten stark verbessert werden. Die besten Antioxidationsmittel für Plastik, die für bestimmte Anwendungen geeignet sind, werden so ausgewählt, dass die Plastikmaterialien ihre Funktionen auch bei Extrembedingungen wahrnehmen und ihr Erscheinungsbild bewahren können.