18.05.2023 by Claire Strasser, Aileen Sammler

Rapide et précis : DSC et PeakSeparation pour l'identification des polymères dans les films d'emballage

Films rigides transparents pour conserver la fraîcheur des tranches de saucisson et de fromage.
Gobelets de yaourt stables.
Emballages de café colorés et flexibles.

En fonction de l'application, ces produits hautement élaborés doivent être étanches à l'oxygène, transparents ou imprimables et posséder une certaine flexibilité et/ou stabilité. De telles propriétés ne peuvent être obtenues que par l'utilisation d'une variété de composants, tels que des couches de polymères multiples. À cette fin, les polymères sont sélectionnés en fonction de leurs propres propriétés.

Découvrez comment les films d'emballage multicouches peuvent être étudiés du point de vue de leur composition au moyen de la calorimétrie différentielle à balayage (DSC) et du logiciel avancé PeakSeparation (NETZSCH ).

Figure 1 : Concavus® casseroles et couvercle en Al pour les mesures DSC

Pour l'identification des polymères individuels dans un film multicouche, la calorimétrie différentielle à balayage a fait ses preuves dans l'industrie de l'emballage en tant que méthode rapide et facilement accessible. Dans l'exemple suivant, un film composite disponible dans le commerce a été étudié à l'aide d'un instrument DSCNETZSCH .

L'échantillon a été préparé dans le creuset Concavus®® en aluminium et pressé uniformément sur le fond du creuset à l'aide d'un couvercle coulissant, qui a été spécialement conçu pour les mesures sur des échantillons très fins tels que les films.

Fig. 2. Mesure DSC sur un film d'emballage disponible dans le commerce (toutes couches confondues) à 300°C


La figure 2 montre les résultats de la mesure DSC des1er et2e cycles de chauffage. Dans les deux cycles de chauffage, plusieurs pics se chevauchant ont été détectés entre 108°C et 121°C. Cela indique la présence de différents polymères. Cela indique la présence de différents polymères ; la plage de température ici est typique de divers types de polyéthylène basse densité.

Lors de lapremière chauffe, un pic à 176°C a également été détecté, ce qui indique la présence d'EVOH (polyéthylène-alcool vinylique). L'EVOH est également connu sous le nom de plastique barrière et est largement utilisé dans l'industrie de l'emballage en raison de sa bonne imperméabilité à des substances telles que l'oxygène. Sa Températures et enthalpies de fusionL'enthalpie de fusion d'une substance, également connue sous le nom de chaleur latente, est une mesure de l'apport d'énergie, généralement de la chaleur, nécessaire pour convertir une substance de l'état solide à l'état liquide. Le point de fusion d'une substance est la température à laquelle elle passe de l'état solide (cristallin) à l'état liquide (fusion isotrope). température de fusion dépend de sa teneur en éthylène ; une Températures et enthalpies de fusionL'enthalpie de fusion d'une substance, également connue sous le nom de chaleur latente, est une mesure de l'apport d'énergie, généralement de la chaleur, nécessaire pour convertir une substance de l'état solide à l'état liquide. Le point de fusion d'une substance est la température à laquelle elle passe de l'état solide (cristallin) à l'état liquide (fusion isotrope). température de fusion de 176°C correspond à une teneur en éthylène comprise entre 35 mol-% et 38 mol-% [1]. Lors du deuxième chauffage, le pic à 176°C est déplacé vers une température plus basse (159°C). Ce déplacement est probablement dû à la Températures et enthalpies de fusionL'enthalpie de fusion d'une substance, également connue sous le nom de chaleur latente, est une mesure de l'apport d'énergie, généralement de la chaleur, nécessaire pour convertir une substance de l'état solide à l'état liquide. Le point de fusion d'une substance est la température à laquelle elle passe de l'état solide (cristallin) à l'état liquide (fusion isotrope). fusion d'une phase mixte formée entre le polyéthylène et l'EVOH. L'effet large entre 230°C et 280°C sera étudié plus en détail dans la suite.

Pour ce faire, le film composite a été séparé en deux couches : un film flexible de couleur aluminium et un second film imprimé plus fin. Entre les deux couches se trouvait une couche de papier supplémentaire.

Les deux films situés de part et d'autre de la couche de papier ont été mesurés séparément. Les courbes DSC sont présentées dans la figure 3.

Fig. 3. Mesure DSC sur les films individuels du film multicouche. Chaque film individuel a été chauffé deux fois entre -30°C et 300°C à 10 K/min.


Le film imprimé (courbe bleue, figure 3) - à l'exception du pic à 253,9°C montré dans la figure 2- présente les mêmes effets que le matériau composite dans son ensemble. En revanche, le film coloré à l'aluminium (courbe noire) ne produit qu'un seul pic, à 255°C (1er chauffage) et 248°C (2ème chauffage), respectivement. Cette plage de températures est typique de la Températures et enthalpies de fusionL'enthalpie de fusion d'une substance, également connue sous le nom de chaleur latente, est une mesure de l'apport d'énergie, généralement de la chaleur, nécessaire pour convertir une substance de l'état solide à l'état liquide. Le point de fusion d'une substance est la température à laquelle elle passe de l'état solide (cristallin) à l'état liquide (fusion isotrope). fusion du PET.

Ces résultats permettent de tirer les conclusions suivantes sur la composition du film composite : Le film imprimé, plus fin, est composé de différents types de polyéthylène ainsi que d'EVOH ; le film de couleur aluminium est du PET. L'apparence de la couche de PET en termes de couleur indique un revêtement d'aluminium qui peut être utilisé, par exemple, comme protection contre la lumière dans les emballages [2]. Le pic de Températures et enthalpies de fusionL'enthalpie de fusion d'une substance, également connue sous le nom de chaleur latente, est une mesure de l'apport d'énergie, généralement de la chaleur, nécessaire pour convertir une substance de l'état solide à l'état liquide. Le point de fusion d'une substance est la température à laquelle elle passe de l'état solide (cristallin) à l'état liquide (fusion isotrope). fusion de l'aluminium (660,4°C) se situe en dehors de la plage de température mesurée et n'a donc pas été détecté.

Identifier les pics qui se chevauchent à l'aide du programme PeakSeparation dans Proteus®

Afin d'identifier clairement les trois pics se chevauchant entre 108°C et 121°C détectés lors de la mesure du film imprimé, la courbe DSC du2ème chauffage (ligne pointillée bleue, figure 3) a été évaluée avec la fonction de PeakSeparation du logiciel Proteus® le logiciel. PeakSeparation permet de présenter les données expérimentales sous la forme d'un chevauchement additif des pics. Ce programme propose différents types de courbes tels que Pearson, Gauß, Cauchy, etc. Ici, la progression de la courbe de Fraser-Suzuki ainsi qu'un mélange de la progression de la courbe de Fraser-Suzuki et de la courbe de Cauchy asymétrique ont été sélectionnés. En appliquant ces profils à la courbe DSC mesurée, il devient possible de séparer mathématiquement les pics superposés.

La figure 4 montre les résultats de PeakSeparation. Quatre pics calculés peuvent être reliés à la courbe DSC de l'expérience (ligne bleue en pointillés). Les pics à 108°C, 118°C et 120°C sont typiques de différents types de polyéthylène basse densité (PE-LD, PE-LLD).

Un pic supplémentaire à 92°C (courbe orange) peut être attribué à la Températures et enthalpies de fusionL'enthalpie de fusion d'une substance, également connue sous le nom de chaleur latente, est une mesure de l'apport d'énergie, généralement de la chaleur, nécessaire pour convertir une substance de l'état solide à l'état liquide. Le point de fusion d'une substance est la température à laquelle elle passe de l'état solide (cristallin) à l'état liquide (fusion isotrope). fusion des cristallites small.

Le coefficient de corrélation entre la somme des quatre courbes calculées et la courbe mesurée est de 0,999, ce qui confirme la bonne adéquation entre les pics endothermiques calculés et les données mesurées.

Fig. 4. Peak separation des 2èmes courbes de chauffe. Courbe bleue en pointillés : données mesurées, courbe rouge : somme des quatre courbes calculées (courbes violet clair, orange, violet foncé et verte).

Résumé

Les mesures DSC fournissent des informations précieuses sur la composition des films d'emballage. Ces matériaux complexes sont constitués de différentes couches, qui peuvent parfois être identifiées par une seule mesure DSC. L'emballage présenté dans notre exemple se compose au minimum de PET, d'EVOH et de plusieurs types de polyéthylène de différentes DensitéThe mass density is defined as the ratio between mass and volume. densités.

Les plages de Températures et enthalpies de fusionL'enthalpie de fusion d'une substance, également connue sous le nom de chaleur latente, est une mesure de l'apport d'énergie, généralement de la chaleur, nécessaire pour convertir une substance de l'état solide à l'état liquide. Le point de fusion d'une substance est la température à laquelle elle passe de l'état solide (cristallin) à l'état liquide (fusion isotrope). fusion des différents polymères sont souvent proches les unes des autres. Cependant, une séparation complète des pics et/ou une caractérisation précise du matériau peuvent être obtenues grâce à une préparation minutieuse de l'échantillon et à l'application de la méthode de PeakSeparation.

Ce programme permet de séparer les pics qui se chevauchent en utilisant les profils des types de pics suivants : Gauss, Cauchy, pseudoVoigt (combinaison linéaire de Gauss et Cauchy), Fraser-Suzuki (Gauss asymétrique), Laplace modifié (arrondi double face) et Pearson. Il permet d'ajuster les données expérimentales sous la forme d'une superposition additive de pics. Il peut être appliqué aux courbes obtenues par différentes méthodes analytiques telles que la calorimétrie différentielle à balayage (DSC), la thermogravimétrie (TGA) et la dilatométrie (DIL), pour les traces FTIR et les courbes MS.

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Restez à l'écoute ! Les applications d'emballage représentent environ 50 % de la production de plastique. Les plastiques étant peu biodégradables mais constituant une ressource précieuse même après leur durée de vie, il est plus important que jamais de se concentrer sur les filières de recyclage. La semaine prochaine, nous parlerons des outils NETZSCH qui permettent d'identifier et de quantifier les différentes compositions de plastique dans le flux de recyclage !

Littérature :
[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

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