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塑料材料容易被大氣中的氧氣降解。這種自動氧化反應(yīng)會在環(huán)境溫度下發(fā)生，但在熔體加工過程中更為明顯。
我們可以在聚合物中添加抗氧化劑來顯著減緩氧化過程，然后通過注塑成型等工藝來生產(chǎn)大眾所熟知的塑料部件。
開發(fā)新的塑料牌號需要通過漫長的實驗過程來優(yōu)化抗氧化劑的含量。弗勞恩霍夫結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性和系統(tǒng)可靠性研究所（Fraunhofer LBF）的研究人員認為在線流變學研究是加快研發(fā)進程的一種有效方法。
抗氧化劑
有機物和塑料與空氣接觸時會因自動氧化而降解。這種降解由高溫或光引發(fā)，并通過自由基鏈反應(yīng)的形式傳播從而導致聚合物鏈裂解。后者主要會受到羥基（-OH）的攻擊，生成過氧化氫物。而過氧化氫物在光照或加熱等條件下可以繼續(xù)分解出羥基（-OH）。
為了給聚合物提供最佳保護，必須添加兩種不同的抗氧化劑：
◆主抗氧化劑——通常含有酚醛結(jié)構(gòu)，可遏制羥基（-OH）；
◆輔助抗氧化劑——由亞磷酸酯或硫醚等官能團的位阻烷基衍生物組成，它們與過氧化氫物反應(yīng)而不形成羥基（-OH）。
這兩種抗氧化劑以協(xié)同的方式發(fā)揮作用。Fraunhofer LBF進行的實驗所使用的是常見市售穩(wěn)定劑包，含有等量的兩種抗氧化劑。
工藝穩(wěn)定性研究
市售的原生塑料牌號通常會配備合適的穩(wěn)定劑包以供使用。為了提高資源效率和經(jīng)濟效益，在開發(fā)新的塑料牌號的過程中必須確定工藝穩(wěn)定劑的最佳含量。
廢舊塑料的回收處理也面臨著同樣的問題，因為穩(wěn)定劑在之前的生命周期中已耗盡。將粉碎的回收材料用于注塑成型等工藝時需要根據(jù)塑料的類型及其老化階段添加相應(yīng)的穩(wěn)定劑。
傳統(tǒng)方法
優(yōu)化穩(wěn)定劑含量的傳統(tǒng)方法是在聚合物中混合不同含量的抗氧化劑，然后通過不同的測試對這些改性料進行離線表征，如熔體體積流動速率（MVR，DIN 1133-1）和氧化誘導時間（OIT，ASTM D3895-19）測試。這意味著初步可靠的結(jié)果要在配混步驟之后才能獲得。
有沒有方法可以加速這一過程？
在線表征帶來新的潛力
Fraunhofer LBF研究人員此次實驗的目標是獲得關(guān)于“配混步驟中穩(wěn)定劑實際含量所發(fā)揮的功效”的指征。為了實現(xiàn)這一目標，熔體粘度被記錄下來作為配方改變時的響應(yīng)。它通過在雙螺桿擠出機螺桿尖端后面集成在線流變儀來測量剪切的流動曲線以及拉伸粘度來實現(xiàn)。
雙螺桿擠出機和在線流變儀組成的實驗裝置方案（圖：Fraunhofer LBF）
第一組實驗在穩(wěn)定劑含量最低的原生聚丙烯（PP）上進行的。在選定的螺桿轉(zhuǎn)速下，穩(wěn)定劑的添加量逐漸變化。與工藝相關(guān)的降解的減少會立即反映在流變曲線中粘度的增加上。當添加劑含量超過一定值時，熔體的粘度不再增加。這意味著，在實際加工中，穩(wěn)定劑濃度已達極限，無法實現(xiàn)更進一步的改進。因此，在線流變學為配方研發(fā)人員提供了關(guān)于“加工穩(wěn)定劑在配混過程中的功效”的寶貴信息。
含有不同量抗氧化劑的聚合物剪切粘度流動曲線（圖：Fraunhofer LBF）
此外，不同聚合物的流動曲線并不相同。因此，流動曲線的信息含量遠高于MVR測定的單個數(shù)值。值得一提的是，拉伸粘度的流動曲線也可納入評估。在合適的人工智能系統(tǒng)的輔助下，在線流變學看來是一種很有前途的工具，它可以在回收材料的生產(chǎn)過程中進行穩(wěn)定化處理并根據(jù)粉碎機進料的老化階段進行實時調(diào)整。
來源：Fraunhofer LBF
