Hvordan kvalitetskontrol og fejlanalyse af PP effektivt kan forhindre skrotning af varer

Introduktion

Polypropylen (PP) er et ofte anvendt råmateriale til fremstilling af tynde film som f.eks. separatorfilm i batterier. Dette eksperiment blev igangsat på grund af et problem, der opstod under behandlingen af PP-film. Produkter fra visse partier af rå PP-granulat var lette at ødelægge, mens produkter fra andre partier var af god kvalitet. Målet var at finde ud af, hvad der lå bag, og endnu vigtigere at udvikle en metode til pålidelig kvalitetskontrol af det rå PP-granulat. Ideelt set ville denne QC-metode blive udført med en grundlæggende DSC eller TGA.

Eksperimentelle betingelser

Der blev indsamlet flere "gode" prøver (markeret som OK) og "dårlige" prøver (markeret som NOK).

Smelte-/køletest blev udført ved hjælp af DSC 214 Polyma. Prøverne blev opvarmet fra stuetemperatur (RT) til 200 °C ved 10 K/min, derefter nedkølet til RT ved -10 K/min, efterfulgt af endnu en opvarmning til 200 °C ved 10 K/min. Testatmosfæren var _N2; prøvestørrelserne var omkring 10 mg.

Oxidativ induktionstid (OIT) og oxidativ begyndelsestemperatur (OOT)Oxidativ induktionstid (isotermisk OIT) er et relativt mål for et (stabiliseret) materiales modstandsdygtighed over for oxidativ nedbrydning. Oxidativ induktionstemperatur (dynamisk OIT) eller oxidativ begyndelsestemperatur (OOT) er et relativt mål for et (stabiliseret) materiales modstandsdygtighed over for oxidativ nedbrydning.OIT-testprøver blev desuden udført ved hjælp af DSC 214 Polyma. Prøverne blev opvarmet fra RT til 200 °C i N2 ved 10 K/min og blev derefter holdt isoterme ved 200 °C i 5 minutter. Derefter blev atmosfæren skiftet til_O2 (ren), og tiden fra skiftepunktet til oxidationens begyndelse blev registreret. Prøvestørrelserne var omkring 10 mg.

Pyrolysetest blev udført ved hjælp af TG 209 F3 Tarsus^® . Prøverne blev opvarmet fra RT til 800 °C ved 10 K/min i _N2. Prøvestørrelsen var omkring 10 mg.

Resultater og diskussion

1. Analyse af fejl

1.1. Smelteadfærd

Som et første skridt blev alle prøvers smelteadfærd sammenlignet for at se, om der var nogen urenheder, dvs. andre polymerkomponenter. Som vist i figur 1 kan der sammen med PP's primære smeltetop ved ca. 169 °C ses en small endotermisk top ved 148 °C i nogle DSC-kurver. Dette kan skyldes en anden polymerkomponent eller et additiv. En sådan forskel kan dog ikke tages som et QC-mål, fordi denne small top findes i både OK- og NOK-prøverne.

Grafen illustrerer DSC-resultaterne (Differential Scanning Calorimetry) for både OK- og NOK-prøver og fremhæver temperaturovergange. — 1) Smeltning (2. opvarmning) af OK- og NOK-prøverne

1.2. Pyrolyseadfærd

For at bekræfte eksistensen af urenheder blev TGA-pyrolyseresultaterne sammenlignet i figur 2. Det ser ud til, at både OK- og NOK-prøverne viser et vægttab på 100 %, og der var ingen tydelig forskel mellem dem under hele pyrolyseproceduren.

Graf, der sammenligner termisk analyse af OK- og NOK-prøver og fremhæver temperatur- og vægttab på nøglepunkter. — 2) PyrolysePyrolyse er den termiske nedbrydning af organiske forbindelser i en inert atmosfære.Pyrolyse af OK- og NOK-prøverne

Graf, der sammenligner OIT-testresultater for OK- og NOK-prøver og viser DSC og strømningshastigheder over tid. — 3) Oxidativ induktionstid (OIT) og oxidativ begyndelsestemperatur (OOT)Oxidativ induktionstid (isotermisk OIT) er et relativt mål for et (stabiliseret) materiales modstandsdygtighed over for oxidativ nedbrydning. Oxidativ induktionstemperatur (dynamisk OIT) eller oxidativ begyndelsestemperatur (OOT) er et relativt mål for et (stabiliseret) materiales modstandsdygtighed over for oxidativ nedbrydning.OIT-test af OK- og NOK-prøverne

1.3. Sammenligning af Oxidativ induktionstid (OIT) og oxidativ begyndelsestemperatur (OOT)Oxidativ induktionstid (isotermisk OIT) er et relativt mål for et (stabiliseret) materiales modstandsdygtighed over for oxidativ nedbrydning. Oxidativ induktionstemperatur (dynamisk OIT) eller oxidativ begyndelsestemperatur (OOT) er et relativt mål for et (stabiliseret) materiales modstandsdygtighed over for oxidativ nedbrydning.OIT

1.4. Opførsel ved KrystalliseringKrystallisering er den fysiske hærdningsproces under dannelse og vækst af krystaller. Under denne proces frigives krystallisationsvarme.krystallisering

Fremstillingsprocessen for PP-film omfatter Smeltetemperaturer og entalpierEt stofs fusionsenthalpi, også kendt som latent varme, er et mål for den energitilførsel, typisk varme, der er nødvendig for at omdanne et stof fra fast til flydende tilstand. Et stofs smeltepunkt er den temperatur, hvor det skifter tilstand fra fast (krystallinsk) til flydende (isotropisk smelte).smeltning af PP-granulatet efterfulgt af ekstruderingsprocessen. En afkølingsprocedure skal have fundet sted for at have induceret KrystalliseringKrystallisering er den fysiske hærdningsproces under dannelse og vækst af krystaller. Under denne proces frigives krystallisationsvarme.krystallisering. Da krystalliseringsadfærden også kan være en faktor, der påvirker kvaliteten af det endelige produkt, blev kølekurverne sammenlignet. Som vist i figur 4 kan der ses betydelige forskelle i krystallisationsadfærden mellem OK- og NOK-prøverne. For det første er starten på krystalliseringen af OK-prøverne (~115 °C) meget lavere end for NOK-prøverne (~119 °C). Det betyder, at NOK-prøverne krystalliserer lettere. Desuden ser hældningen på højre side af DSC-toppen for NOK-prøverne ud til at være stejlere end for OK-prøverne. Det betyder, at NOK-prøverne også krystalliserer hurtigere end OK-prøverne.

Graf for krystalliseringskølekurve, der sammenligner OK- og NOK-prøver og viser termiske overgange og målinger. — 4) Krystalliseringskurve (afkøling) for OK- og NOK-prøverne

1.5. Sammenfatning af fejl

Analyse Baseret på de tidligere målinger og diskussioner kan vi antage, at problemet med "skør film" sandsynligvis skyldes råmaterialernes forskellige krystallisationsadfærd. For råmaterialer, der krystalliserer lettere (højere begyndelse) eller krystalliserer hurtigere (stejlere hældning), brydes produktfilmene lettere. Forskellen i KrystalliseringKrystallisering er den fysiske hærdningsproces under dannelse og vækst af krystaller. Under denne proces frigives krystallisationsvarme.krystallisering kan skyldes forskelligt indhold med hensyn til nukleationsmidler, mikropartikler osv.

2. Kriterium for kvalitetskontrol

Baseret på ovenstående konklusion kan QC-kriteriet fokuseres på krystalliseringsadfærden. En enklere løsning ville være at bruge krystalliseringens begyndelsestemperatur som QC-tærskel. Dette ville dog kræve manuel evaluering (af operatøren), og der kan være kritiske problemer i tilfælde af "ikke-ideelle" krystalliseringstoppe og basislinjer. Desuden kan begyndelsestemperaturen ikke afspejle hele situationen med hensyn til krystalliseringsadfærd. For at sammenligne krystalliseringsadfærden på en mere omfattende måde tilbyder NETZSCH det ideelle værktøj: en løsning kaldet Identify.

Med Identify er det ganske enkelt muligt at opbygge en database ud fra OK-prøvernes afkølingskurver. Softwaren sammenligner derefter disse med kølekurverne for det indgående PP-granulat og kan afgøre, om de indgående PP-råmaterialer er "QC Pass" eller "Fail".

I dette tilfælde oprettede vi en klasse i Identify-databasen med kølekurverne for tre OK-prøver. I et virkeligt scenarie ville man selvfølgelig opfordre til flere kurver for at opbygge en mere pålidelig klasse.

Analyseskærmen for kølekurver viser materialeklasser, indtastninger og muligheder for at administrere biblioteker og målinger. — 5) En klasse bygget ud fra OK-prøvernes afkølingskurver

Som vist i figur 6 og 7 er det muligt at beregne ligheden mellem kølekurverne for OK- og NOK-prøverne og klassen. For OK-prøverne ville ligheden være højere end 99 %, og for NOK-prøverne ville ligheden være under 99 %. Derfor er det rimeligt at fastsætte en lighedstærskel på 99 %. Det vil sige, at prøver kan betragtes som "QC Pass", når kølekurven har en lighed med OK-klassen på mere end 99 %. Faktisk tilbyder Identify-funktionen en funktion til at køre denne QC-kontrol automatisk.

DSC-graf, der viser data fra termisk analyse med tydelige kurver, der fremhæver prøvens temperaturrespons til materialetestning. — 6) NOK-prøvernes lighed med klassen

Graf, der viser DSC-data (Differential Scanning Calorimetry) og fremhæver termiske egenskaber og sammenligning mellem prøver. — 7) OK-prøvernes lighed med klassen

Som vist i figur 8 kan brugeren i vinduet "Yderligere indstillinger" definere en tærskel (99 % i dette tilfælde). Når en prøves kølekurve derefter indlæses i Proteus^® software, og Identify udløses, beregnes kurvens lighed med klassen, og der vises automatisk et QC-mærke med "FAIL" eller "PASS" baseret på den foruddefinerede QC-tærskel (figur 9).

Dataanalyseinterface, der viser indstillinger for kvalitetskontrol og en graf med målinger af flowhastighed i en testkontekst. — 8) Definer en passende QC-tærskel (lighedstærskel) i Identify

DSC-analysegraf med et mærkbart skarpt dyk og "QC: FAIL!" vises tydeligt, hvilket indikerer et problem med kvalitetskontrollen.

DSC-graf, der viser temperaturprofilresultater med "QC: PASS!" fremhævet, hvilket indikerer en vellykket kvalitetskontrol. — 9) Automatisk QC-kontrol via Identify

Konklusion

Disse testserier med DSC- og TGA-målinger blev udført med det formål at finde fejlkilden. Det blev fastslået, at kvaliteten af PP-filmene afhænger af PP-granulatets krystallisationsadfærd.

Det er muligt at bruge DSC-kølekurvens begyndelsestemperatur for KrystalliseringKrystallisering er den fysiske hærdningsproces under dannelse og vækst af krystaller. Under denne proces frigives krystallisationsvarme.krystallisering som en simpel QC-metode.

En mere omfattende og pålidelig løsning kan dog opnås ved at anvende NETZSCH Identify til at sammenligne prøvens DSC-kølekurve med en referenceklasse, som kan opbygges ud fra et antal kølekurver for OK-prøverne. Identify kan beregne ligheden mellem prøvekurven og klassen og automatisk præsentere QC-resultater via en foruddefineret QC-tærskel.