18.05.2023 by Claire Strasser, Aileen Sammler
Rychle a přesně: DSC a PeakSeparation pro identifikaci polymerů v obalových fóliích
Průhledné pevné fólie pro uchování čerstvosti nakrájených uzenin a sýrů.
Stabilní kelímky na jogurty.
Barevné, flexibilní obaly na kávu.
V závislosti na aplikaci mohou tyto vysoce vyvinuté produkty vyžadovat, aby byly kyslíkotěsné, průhledné nebo potisknutelné a měly určitou flexibilitu a/nebo stabilitu. Těchto vlastností lze dosáhnout pouze použitím různých složek, například více polymerních vrstev. Za tímto účelem se polymery vybírají podle svých vlastností.
Přečtěte si, jak lze vícevrstvé obalové fólie zkoumat z hlediska jejich složení pomocí diferenciální skenovací kalorimetrie (DSC ) a pokročilého softwarového balíčkuNETZSCH PeakSeparation .
Pro identifikaci jednotlivých polymerů ve vícevrstvých fóliích se v obalovém průmyslu osvědčila diferenční skenovací kalorimetrie jako rychlá a snadno dostupná metoda. V následujícím příkladu byla pomocí přístrojeNETZSCH DSC zkoumána komerčně dostupná kompozitní fólie.
Vzorek byl připraven v kelímku Concavus®® z hliníku a rovnoměrně přitlačen na dno kelímku pomocí zasouvacího víka, které bylo speciálně vyvinuto pro měření velmi tenkých vzorků, jako jsou filmy.
Obrázek 2 ukazuje výsledky měření DSC z1. a2. cyklu ohřevu. V obou ohřevech bylo zjištěno několik překrývajících se píků mezi 108 °C a 121 °C. To naznačuje přítomnost různých polymerů; teplotní rozsah je zde typický pro různé typy nízkohustotního polyethylenu.
Při1. zahřívání byl navíc zjištěn pík při 176 °C, který naznačuje přítomnost EVOH (polyethylenvinylalkohol). EVOH je také známý jako bariérový plast a je široce používán v obalovém průmyslu díky své dobré nepropustnosti pro látky, jako je kyslík. Jeho teplota tání závisí na obsahu ethylenu; teplota tání 176 °C odpovídá obsahu ethylenu mezi 35 a 38 mol-% [1]. Při druhém ohřevu se pík při 176 °C posune na nižší teplotu (159 °C). Tento posun je pravděpodobně způsoben tavením smíšené fáze vzniklé mezi polyethylenem a EVOH. Široký efekt mezi 230 °C a 280 °C bude podrobněji zkoumán v následujícím textu.
Za tímto účelem byla kompozitní fólie rozdělena na dvě vrstvy: pružnou, hliníkově zbarvenou fólii a druhou, tenčí, potištěnou fólii. Mezi oběma vrstvami byla další papírová vrstva.
Obě fólie na obou stranách papírové vrstvy byly měřeny odděleně jedna od druhé. DSC křivky jsou uvedeny na obrázku 3.
Vytištěná fólie (modrá křivka, obrázek 3) - s výjimkou píku při 253,9 °C, který je uveden na obrázku 2- vykazuje stejné účinky jako kompozitní materiál jako celek. Naproti tomu fólie s hliníkovou barvou (černá křivka) vytváří pouze jeden pík, a to při 255 °C (1. ohřev), resp. 248 °C (2. ohřev). Tento teplotní rozsah je typický pro tání PET.
Na základě těchto výsledků lze o složení kompozitní fólie vyvodit následující závěry: Tenčí potištěná fólie se skládá z různých typů polyethylenu a také EVOH; hliníkově zbarvená fólie je PET. Vzhled PET vrstvy z hlediska barvy naznačuje hliníkový povlak, který lze použít například jako světelný štít v obalech [2]. Pík tání hliníku (660,4 °C) je mimo měřený teplotní rozsah, a proto nebyl zjištěn.
Identify Překrývající se vrcholy pomocí programu PeakSeparation v aplikaci Proteus®
Aby bylo možné jasně identifikovat tři překrývající se píky mezi 108 °C a 121 °C zjištěné během měření potištěné fólie, byla DSC křivka z2. ohřevu (modrá tečkovaná čára, obr. 3) vyhodnocena pomocí metody PeakSeparation v programu Proteus® softwaru. Program PeakSeparation umožňuje prezentovat experimentální data ve formě aditivního překrývání píků. Tento program nabízí různé typy křivek, například Pearsonovu, Gaußovu, Cauchyho atd. Zde byl zvolen Fraserův-Suzukiho průběh křivky spolu se směsí Fraserova-Suzukiho a asymetrického Cauchyho průběhu křivky. Aplikací těchto profilů na naměřenou DSC křivku je možné matematicky oddělit superponované píky.
Obrázek 4 ukazuje výsledky metody PeakSeparation. Čtyři vypočtené píky lze vztáhnout ke křivce DSC experimentu (modrá tečkovaná čára). Píky při 108 °C, 118 °C a 120 °C jsou typické pro různé typy nízkohustotního polyethylenu (PE-LD, PE-LLD).
Další pík při 92 °C (oranžová křivka) lze připsat tavení krystalitů small.
Korelační koeficient mezi součtem čtyř vypočtených křivek a naměřenou křivkou byl stanoven na 0,999 a potvrzuje tak dobrou shodu vypočtených endotermických píků s naměřenými daty.
Souhrn
Měření DSC poskytuje cenné informace o složení obalových fólií. Tyto složité materiály se skládají z různých vrstev, které lze někdy identifikovat pouze jediným měřením DSC. Obal uvedený v našem příkladu se skládá minimálně z PET, EVOH a několika typů polyethylenu s různou hustotou.
Rozsahy tání různých polymerů leží často blízko sebe. Úplného oddělení píků a/nebo přesné charakterizace materiálu lze však dosáhnout pečlivou přípravou vzorku a použitím metody DSC PeakSeparationsoftwaru.
Tento program umožňuje oddělit překrývající se píky pomocí profilů z následujících typů píků: Gaussův, Cauchyho, pseudoVoigtův (lineární kombinace Gaussova a Cauchyho), Fraserův-Suzukiho (asymetrický Gaussův), modifikovaný Laplaceův (oboustranně zaoblený) a Pearsonův. Pomocí něj se experimentální data přizpůsobí jako aditivní superpozice vrcholů. Lze ji použít pro křivky získané různými analytickými metodami, jako je diferenciální skenovací kalorimetrie (DSC), termogravimetrie (TGA) a dilatometrie (DIL), pro FTIR-trasy a MS křivky.
Snížení ceny funkce PeakSeparation
Využijte této výhody! Cena za funkci PeakSeparation na stránkách Proteus® verze 8 a 9 byla nyní výrazně snížena! Požádejte o nabídku svůj regionální kontakt!
Zůstaňte naladěni! Obaly tvoří přibližně 50 % výroby plastů. Vzhledem k tomu, že plasty mají špatnou biologickou rozložitelnost, ale jsou cenným zdrojem i po skončení své životnosti, je nyní důležitější než kdy jindy zaměřit se na způsoby recyklace. Příští týden si povíme o nástrojích NETZSCH, které slouží k Identify a kvantifikaci různých složení plastů v recyklačním toku!
Odborná literatura:
[1] Barrier Resins | Properties, Processing & Handling of EVOH, Pt. 1, Gene Medlock, February 02, 2015 http://bit.ly/17Ous83
[2] https://de.wikipedia.org/wiki/Verbundfolie
