18.05.2023 by Claire Strasser, Aileen Sammler
Nopea ja tarkka: DSC ja PeakSeparation pakkauskalvojen polymeerien tunnistamiseen
Läpinäkyvät jäykät kalvot, jotka pitävät viipaloidun makkaran ja juuston tuoreena.
Kestävät jogurttimukit.
Värikkäät, joustavat kahvipakkaukset.
Käyttökohteesta riippuen näiden pitkälle kehitettyjen tuotteiden on oltava happitiiviitä, läpinäkyviä tai painettavia ja niillä on oltava tietty joustavuus ja/tai vakaus. Tällaiset ominaisuudet voidaan saavuttaa vain käyttämällä erilaisia komponentteja, kuten useita polymeerikerroksia. Tätä varten polymeerit puolestaan valitaan niiden omien ominaisuuksien mukaan.
Lue, miten monikerroksisia pakkauskalvoja voidaan tutkia niiden koostumuksen osalta differentiaalisen pyyhkäisykalorimetrian (DSC ) ja NETZSCH PeakSeparation Advanced -ohjelmistopaketin avulla.
Differentiaalinen pyyhkäisykalorimetria on osoittautunut pakkausteollisuudessa nopeaksi ja helppokäyttöiseksi menetelmäksi yksittäisten polymeerien tunnistamiseksi monikerroksisessa kalvossa. Seuraavassa esimerkissä tutkittiin kaupallisesti saatavilla olevaa komposiittikalvoa NETZSCH DSC-laitteella.
Näyte valmistettiin alumiinista valmistetussa Concavus®® -upokkaassa ja painettiin tasaisesti upokkaan pohjalle liukukannella, joka on kehitetty erityisesti hyvin ohuiden näytteiden, kuten kalvojen, mittauksia varten.
Kuvassa 2 esitetään DSC-mittaustuloksetensimmäisestä jatoisesta lämmitysajosta. Molemmissa lämmitysajoissa havaittiin useita päällekkäisiä piikkejä 108 °C:n ja 121 °C:n välillä. Tämä osoittaa eri polymeerien esiintymistä; lämpötila-alue on tyypillinen eri pientiheyspolyeteenityypeille.
Ensimmäisessä lämmityksessä havaittiin lisäksi piikki 176 °C:n lämpötilassa, mikä viittaa EVOH:n (polyeteenivinyylialkoholi) esiintymiseen. EVOH tunnetaan myös sulkumuovina, ja sitä käytetään laajalti pakkausteollisuudessa, koska se on hyvin läpäisemätön hapen kaltaisille aineille. Sen Sulamislämpötilat ja lämpöarvotAineen fuusioentalpia, joka tunnetaan myös latenttina lämpönä, on mitta, jolla mitataan energiapanosta, yleensä lämpöä, joka tarvitaan aineen muuttamiseksi kiinteästä olomuodosta nestemäiseksi. Aineen sulamispiste on lämpötila, jossa aine vaihtaa olomuotoaan kiinteästä olomuodosta (kiteinen) nestemäiseksi olomuodoksi (isotrooppinen sula).sulamislämpötila riippuu sen eteenipitoisuudesta; 176 °C:n Sulamislämpötilat ja lämpöarvotAineen fuusioentalpia, joka tunnetaan myös latenttina lämpönä, on mitta, jolla mitataan energiapanosta, yleensä lämpöä, joka tarvitaan aineen muuttamiseksi kiinteästä olomuodosta nestemäiseksi. Aineen sulamispiste on lämpötila, jossa aine vaihtaa olomuotoaan kiinteästä olomuodosta (kiteinen) nestemäiseksi olomuodoksi (isotrooppinen sula).sulamislämpötila vastaa etyleenipitoisuutta, joka on 35-38 mol-% [1]. Toisessa lämmityksessä 176 °C:n piikki siirtyy alempaan lämpötilaan (159 °C). Tämä siirtymä johtuu todennäköisesti polyeteenin ja EVOH:n välille muodostuneen sekafaasin sulamisesta. Laajamittaista vaikutusta 230 °C:n ja 280 °C:n välillä tutkitaan tarkemmin seuraavassa.
Tätä varten komposiittikalvo erotettiin kahdeksi kerrokseksi: joustavaksi, alumiininväriseksi kalvoksi ja toiseksi, ohuemmaksi, painetuksi kalvoksi. Näiden kahden kerroksen välissä oli lisäksi paperikerros.
Paperikerroksen molemmin puolin olevat kaksi kalvoa mitattiin toisistaan erillään. DSC-käyrät on esitetty kuvassa 3.
Painetulla kalvolla (sininen käyrä, kuva 3) - lukuun ottamatta kuvassa 2 () esitettyä 253,9 °C:n piikkiä - on samat vaikutukset kuin koko komposiittimateriaalilla. Sitä vastoin alumiinin värinen kalvo (musta käyrä) tuottaa vain yhden piikin 255 °C:ssa (1. lämmitys) ja 248 °C:ssa (2. lämmitys). Tämä lämpötila-alue on tyypillinen PET:n sulamiselle.
Näiden tulosten perusteella voidaan päätellä seuraavaa komposiittikalvon koostumuksesta: Ohuempi, painettu kalvo koostuu eri polyeteenityypeistä sekä EVOH:sta; alumiinin värinen kalvo on PET:tä. PET-kerroksen ulkonäkö värin suhteen viittaa alumiinipinnoitteeseen, jota voidaan käyttää esimerkiksi valonsuojana pakkauksissa [2]. Alumiinin sulamispiikki (660,4 °C) on mitatun lämpötila-alueen ulkopuolella, eikä sitä siksi havaittu.
Identify Päällekkäiset piikit PeakSeparation-ohjelman avulla vuonna Proteus®
Jotta painetun kalvon mittauksen aikana havaitut kolme päällekkäistä piikkiä 108 °C:n ja 121 °C:n välillä voitiin tunnistaa selvästi, arvioitiintoisen lämmityksen DSC-käyrä (sininen katkoviiva, kuva 3) käyttäen PeakSeparation ohjelmassa Proteus® -ohjelmistolla. PeakSeparation-ohjelmalla voidaan esittää kokeelliset tiedot piikkien additiivisten päällekkäisyyksien muodossa. Tämä ohjelma tarjoaa erilaisia käyrätyyppejä, kuten Pearson, Gauß, Cauchy jne. Tässä tapauksessa valittiin Fraser-Suzuki -käyrästö sekä Fraser-Suzuki -käyrästön ja epäsymmetrisen Cauchy -käyrästön sekoitus. Soveltamalla näitä profiileja mitattuun DSC-käyrään on mahdollista erottaa matemaattisesti päällekkäiset piikit toisistaan.
Kuvassa 4 esitetään PeakSeparation-ohjelman tulokset. Neljä laskettua piikkiä voidaan suhteuttaa kokeen DSC-käyrään (sininen katkoviiva). Huiput 108 °C:n, 118 °C:n ja 120 °C:n lämpötiloissa ovat tyypillisiä eri pientiheyspolyeteenityypeille (PE-LD, PE-LLD).
Lisähuippu 92 °C:n lämpötilassa (oranssi käyrä) voi johtua small kiteiden sulamisesta.
Neljän lasketun käyrän summan ja mitatun käyrän välinen korrelaatiokerroin on 0,999, mikä vahvistaa, että lasketut endotermiset piikit sopivat hyvin mitattuihin tietoihin.
Yhteenveto
DSC-mittaukset antavat arvokasta tietoa pakkauskalvojen koostumuksesta. Nämä monimutkaiset materiaalit koostuvat erilaisista kerroksista, jotka voidaan joskus tunnistaa jo yhdellä DSC-mittauksella. Esimerkissämme esitetty pakkaus koostuu vähintään PET:stä, EVOH:sta ja useista eri tiheyksiä olevista polyeteenityypeistä.
Eri polymeerien sulamisalueet ovat usein lähellä toisiaan. Huippujen täydellinen erottaminen ja/tai materiaalin tarkka karakterisointi voidaan kuitenkin saavuttaa huolellisella näytteen valmistuksella ja käyttämällä DSC-menetelmää PeakSeparationohjelmistoa.
Tämä ohjelma mahdollistaa päällekkäisten piikkien erottamisen käyttämällä seuraavien piikkityyppien profiileja: Gaussin, Cauchyn, pseudoVoigtin (Gaussin ja Cauchyn lineaarinen yhdistelmä), Fraser-Suzukin (epäsymmetrinen Gaussin), modifioidun Laplacen (kaksipuolinen pyöristetty) ja Pearsonin. Sen avulla kokeelliset tiedot sovitetaan piikkien additiivisena päällekkäisyytenä. Sitä voidaan soveltaa eri analyysimenetelmillä, kuten differentiaalipyyhkäisykalorimetrialla (DSC), termogravimetrialla (TGA ) ja dilatometrialla (DIL ) saatuihin käyriin , FTIR- ja MS-käyriin.
PeakSeparation-toiminnon hinnanalennus
Hyödynnä etu! Proteus® versioiden 8 ja 9 PeakSeparation-toiminnon hintaa on nyt alennettu merkittävästi! Kysy tarjousta alueelliselta yhteyshenkilöltäsi!
Pysy kuulolla! Pakkaussovellusten osuus muovituotannosta on noin 50 prosenttia. Koska muovit ovat biologisesti huonosti hajoavia, mutta arvokkaita resursseja käyttöikänsä jälkeenkin, kierrätyspolkuihin keskittyminen on nyt tärkeämpää kuin koskaan. Ensi viikolla puhumme NETZSCH -työkaluista, joilla voidaan Identify ja kvantifioida erilaisia muovikoostumuksia kierrätysvirrassa!
Kirjallisuutta:
[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
