Multifaceted Evaluation of Plastics: Differences due to Kneading Condition

Význam tématu

Vstřikování směsí polykarbonátu (PC) a akrylonitril-butadien-styrenu (ABS) je v průmyslu běžnou technologií pro výrobu mechanicky i esteticky náročných dílů. Optimální volba podmínek zpracování, zejména délky a intenzity míchání (kneading), má zásadní vliv na mechanické vlastnosti, tepelnou odolnost i vzhled výsledného plastu. Detailní porozumění změnám na makro- i molekulární úrovni je klíčové pro zajištění konzistence kvality a navrhování stabilních výrobních procesů.

Cíle a přehled studie

Cílem studie bylo porovnat vlastnosti PC/ABS směsi připravené dvěma různými postupy: vstřikováním bez předběžného míchání a po míchacím kroku v kneading stroji. Pro multifaktoriální hodnocení byly využity fyzikálně-chemické a mechanické metody včetně spektroskopických a termálních analýz, zkoušek mechanické pevnosti a vyhodnocení molekulárních změn. Studie mapovala dopad podmínek míchání na homogeneitu, tepelnou stabilitu, mechanické vlastnosti, barvu a chemickou strukturu směsi.

Použitá metodika a instrumentace

• Příprava vzorků: PC : ABS = 50 : 50; Sample A – bez kneading stroje, Sample B – s kneading ošetřením (120 s při 260 °C), následně vstřikování při 260 °C po ~250 s.
• FTIR (IRTracer-100 s QATR™10 diamond ATR, 400–4000 cm⁻¹, rozlišení 4 cm⁻¹, 40 scanů): ověření chemické homogeneity.
• DSC (DSC-60 Plus, 20 °C/min, 8 mg, N₂): stanovení skelných přechodů ABS a PC.
• UV-VIS (UV-2600i, 380–780 nm, slit 5 nm): měření žloutnutí (Yellowness Index) z odráženého světla.
• Tahová zkouška (AGX™-V, 5 kN, TRViewX240S, rychlost 1 mm/min → 50 mm/min): pevnost v tahu, modul pružnosti, tažnost při přetržení.
• Tvrdost (DUH™-210, Berkovich 500 mN, load-unload 30 s, hold 40 s): indentace, výpočet HIT.
• MALDI-TOF MS (MALDI-8020, laser 355 nm, matice DCTB+NaI, m/z 1–5000, lineární režim): analýza koncových skupin PC.

Hlavní výsledky a diskuse

• FTIR: prakticky identické spektrální tvary u obou vzorků → žádné změny složení vlivem kneading.
• DSC: skelné přechody ~110 °C (ABS) a ~140 °C (PC) bez významných rozdílů mezi vzorky → tepelná odolnost se zachovala.
• Yellowness Index: Sample B (s kneading) vykázala vyšší žloutnutí (12,99 vs 3,44) → termodegradační či oxidační změny barvy.
• Tahové vlastnosti: pevnost a modul podobné (~54 MPa; ~2,45 GPa), tažnost výrazně nižší u Sample B (71,8 % vs 120,9 %) → křehčí chování po delším kneading.
• Tvrdost: indentace HIT ~166 MPa (bez kneading) vs ~160 MPa (s kneading) → bez významné změny.
• MALDI-TOF: pokles podílu molekul zakončených na obou stranách, zvýšení jednosměrně hydroxylově zakončených a vznik nových signálů u vzorku po kneading → chemické modifikace koncových skupin PC během delšího míchání.

Přínosy a praktické využití metody

• Komplexní analýza (fyzikální i molekulární) umožňuje identifikovat slabá místa výrobního postupu a minimalizovat degradaci materiálu.
• Detailní datový přehled usnadňuje optimalizaci parametrů vstřikování a kneading procesů pro stabilní kvalitu plastových dílů.
• Metodika lze aplikovat v QA/QC pro rutinní monitorování výroby i vývoj nových polymerních směsí.

Budoucí trendy a možnosti využití

• Integrace in situ spektroskopických technik pro sledování změn v reálném čase během zpracování.
• Využití strojového učení pro prediktivní modelování vztahu zpracovatelských podmínek a vlastností finálního výrobku.
• Rozšíření metodiky na jiné polymerní systémy a kompozity s cílem zvýšit udržitelnost a recyklovatelnost.

Závěr

Multifaktoriální evaluace ukázala, že předběžné míchání (kneading) při stanovených podmínkách neovlivňuje složení, skelné přechody, pevnost v tahu ani tvrdost PC/ABS směsi, avšak zvyšuje žloutnutí a snižuje tažnost materiálu v důsledku změn koncových skupin molekul PC. Kombinace fyzikálních a molekulárních analýz poskytuje ucelený obraz o dopadech technologie zpracování a podporuje optimalizaci výrobních parametrů.

Reference

1. Kawahara K., Yano F., Nishimura T., Yamazaki Y., Ohta M. Multifaceted Evaluation of Plastics: Differences due to Kneading Conditions. Shimadzu Application News; Oct. 2023.