18.05.2023 by Claire Strasser, Aileen Sammler
Hurtig og præcis: DSC og PeakSeparation til identifikation af polymerer i emballagefilm
Transparente, stive folier til at holde pølse- og osteskiver friske.
Stabile yoghurtbægre.
Farverig, fleksibel kaffeemballage.
Afhængigt af anvendelsen skal disse højtudviklede produkter være ilttætte, gennemsigtige eller printbare og have en vis fleksibilitet og/eller stabilitet. Sådanne egenskaber kan kun opnås ved at bruge en række forskellige komponenter, f.eks. flere polymerlag. Til dette formål udvælges polymerer igen i henhold til deres egne egenskaber.
Lær, hvordan flerlagsemballagefilm kan undersøges med hensyn til deres sammensætning ved hjælp af Differential Scanning Calorimetry (DSC) og NETZSCH PeakSeparation Advanced Software Package.
Til identifikation af individuelle polymerer i en flerlagsfilm har differentialscanningskalorimetri vist sig at være en hurtig og lettilgængelig metode i emballageindustrien. I det følgende eksempel blev en kommercielt tilgængelig kompositfilm undersøgt ved hjælp af et NETZSCH DSC-instrument.
Prøven blev forberedt i Concavus®® diglen af aluminium og jævnt presset på diglens bund ved hjælp af et skydelåg, som er specielt udviklet til målinger på meget tynde prøver som f.eks. film.
Figur 2 viser resultaterne af DSC-målingen fra1. og2. opvarmningskørsel. I begge opvarmningskørsler blev der registreret flere overlappende toppe mellem 108 °C og 121 °C. Dette indikerer tilstedeværelsen af forskellige polymerer; temperaturområdet her er typisk for forskellige typer polyethylen med lav densitet.
Ved denførste opvarmning blev der desuden fundet en top ved 176 °C, hvilket indikerer tilstedeværelsen af EVOH (polyethylenvinylalkohol). EVOH er også kendt som en barriereplast og bruges i vid udstrækning i emballageindustrien på grund af sin gode uigennemtrængelighed for stoffer som f.eks. ilt. Dens 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).smeltetemperatur afhænger af dens ethylenindhold; en 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).smeltetemperatur på 176 °C svarer til et ethylenindhold på mellem 35 mol-% og 38 mol-% [1]. Ved 2. opvarmning forskydes toppen ved 176 °C til en lavere temperatur (159 °C). Denne forskydning skyldes sandsynligvis 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 en blandet fase, der er dannet mellem polyethylen og EVOH. Den brede effekt mellem 230 °C og 280 °C vil blive undersøgt nærmere i det følgende.
Til dette formål blev kompositfilmen adskilt i to lag: en fleksibel, aluminiumsfarvet film og en anden, tyndere, trykt film. Mellem de to lag var der et ekstra papirlag.
De to film på hver side af papirlaget blev målt separat fra hinanden. DSC-kurverne er vist i figur 3.
Den trykte film (blå kurve, figur 3) - bortset fra toppen ved 253,9 °C vist i figur 2- udviser de samme effekter som kompositmaterialet som helhed. I modsætning hertil producerer den aluminiumsfarvede film (sort kurve) kun en top ved henholdsvis 255 °C (1. opvarmning) og 248 °C (2. opvarmning). Dette temperaturområde er typisk for 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 PET.
Med disse resultater kan man konkludere følgende om sammensætningen af kompositfilmen: Den tyndere, trykte film består af forskellige polyethylentyper samt EVOH; den aluminiumsfarvede er PET. PET-lagets udseende med hensyn til farve indikerer en aluminiumsbelægning, som f.eks. kan bruges som lysafskærmning i emballage [2]. Smeltepunktet for aluminium (660,4 °C) ligger uden for det målte temperaturområde og blev derfor ikke registreret.
Identificer overlappende toppe ved hjælp af PeakSeparation-programmet i Proteus®
For klart at identificere de tre overlappende toppe mellem 108 °C og 121 °C, der blev registreret under målingen af den trykte film, blev DSC-kurven fra denanden opvarmning (blå stiplet linje, figur 3) evalueret med PeakSeparation programmet i Proteus® software. PeakSeparation gør det muligt at præsentere eksperimentelle data i form af additiv overlapning af toppe. Dette program tilbyder forskellige kurvetyper som Pearson, Gauß, Cauchy osv. Her blev Fraser-Suzuki-kurveforløbet sammen med en blanding af Fraser-Suzuki- og asymmetrisk Cauchy-kurveforløb valgt. Ved at anvende disse profiler på den målte DSC-kurve bliver det muligt matematisk at adskille de overlejrede toppe.
Figur 4 viser resultaterne af PeakSeparation. Fire beregnede toppe kan relateres til eksperimentets DSC-kurve (blå stiplet linje). Toppene ved 108 °C, 118 °C og 120 °C er typiske for forskellige typer polyethylen med lav densitet (PE-LD, PE-LLD).
En ekstra top ved 92 °C (orange kurve) kan tilskrives smeltningen af small -krystallitter.
Korrelationskoefficienten mellem summen af de fire beregnede kurver og den målte kurve er bestemt til at være 0,999 og bekræfter dermed den gode tilpasning af de beregnede endotermiske toppe til de målte data.
Sammenfatning
DSC-målinger giver værdifulde oplysninger om sammensætningen af emballagefilm. Disse komplekse materialer består af forskellige lag, som nogle gange kan identificeres med blot en enkelt DSC-måling. Emballagen i vores eksempel består som minimum af PET, EVOH og flere polyethylentyper med forskellige densiteter.
Smelteområderne for de forskellige polymerer ligger ofte tæt på hinanden. Men fuldstændig adskillelse af toppene og/eller præcis materialekarakterisering kan opnås ved hjælp af omhyggelig prøveforberedelse og anvendelse af PeakSeparationsoftware.
Dette program gør det muligt at adskille overlappende toppe ved hjælp af profiler fra følgende toptyper: Gaussisk, Cauchy, pseudoVoigt (lineær kombination af Gaussisk og Cauchy), Fraser-Suzuki (asymmetrisk Gaussisk), modificeret Laplace (dobbeltsidet afrundet) og Pearson. Med den tilpasses de eksperimentelle data som en additiv superposition af toppe. Den kan anvendes på kurver, der er fremkommet ved forskellige analysemetoder som f.eks. differentialscanningskalorimetri (DSC), termogravimetri (TGA ) og dilatometri (DIL ), til FTIR-spor og MS-kurver.
Prisreduktion for PeakSeparation-funktionen
Drag fordel af det! Prisen for PeakSeparation-funktionen i Proteus® version 8 og 9 er nu blevet reduceret betydeligt! Spørg din regionale kontaktperson om et tilbud!
Hold dig opdateret! Emballageanvendelser udgør omkring 50 % af plastproduktionen. Da plast har en dårlig biologisk nedbrydelighed, men er en værdifuld ressource selv efter deres levetid, er det nu vigtigere end nogensinde at fokusere på genanvendelsesveje. I næste uge vil vi tale om NETZSCH værktøjer til at identificere og kvantificere forskellige plastsammensætninger i genbrugsstrømmen!
Litteratur:
[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
