Pendahuluan
Differential Scanning Calorimetry (DSC, gambar 1) adalah salah satu alat yang paling penting dalam karakterisasi polimer. Alat ini memberikan informasi kuantitatif tentang peleburan, KristalisasiKristalisasi adalah proses fisik pengerasan selama pembentukan dan pertumbuhan kristal. Selama proses ini, panas kristalisasi dilepaskan.kristalisasi, dan transisi gelas - sehingga cocok untuk mempelajari campuran dan daur ulang polimer. Untuk campuran, DSC dapat mengungkapkan bagaimana polimer yang berbeda saling memengaruhi selama KristalisasiKristalisasi adalah proses fisik pengerasan selama pembentukan dan pertumbuhan kristal. Selama proses ini, panas kristalisasi dilepaskan.kristalisasi atau peleburan, dan apakah mereka tetap berbeda atau membentuk struktur yang lebih kompleks.
Identifikasi polimer dalam kurva DSC telah lama dimungkinkan dengan menggunakan perangkat lunak NETZSCH Identify , yang mencocokkan sampel yang tidak diketahui dengan database referensi large. Namun, kuantifikasi - menentukan berapa banyak setiap komponen yang ada - jauh lebih kompleks. Puncak yang tumpang tindih, efek nukleasi, atau bahkan ko-KristalisasiKristalisasi adalah proses fisik pengerasan selama pembentukan dan pertumbuhan kristal. Selama proses ini, panas kristalisasi dilepaskan.kristalisasi dapat menyulitkan untuk memisahkan komponen atau untuk mengukurnya dengan yakin.
Catatan Aplikasi ini membahas skenario umum yang ditemui dalam campuran polimer, menunjukkan bagaimana efek ini muncul dalam DSC, dan memperkenalkan Proteus® Now Quantify - solusi otomatis pertama yang mendukung kuantifikasi campuran.
Kontaminasi Silang dalam Daur Ulang
Polimer yang didaur ulang, bahkan dengan pemilahan tingkat lanjut, hampir selalu mengandung polimer lain. Perekat, film multilayer, dan pelapis residu memastikan bahwa fraksi "murni" jarang ditemukan. small Kontaminasi dalam jumlah besar ini dapat mengubah perilaku KristalisasiKristalisasi adalah proses fisik pengerasan selama pembentukan dan pertumbuhan kristal. Selama proses ini, panas kristalisasi dilepaskan.kristalisasi, menyebabkan pemisahan fase, atau mengurangi kinerja mekanis.
Small kontaminasi sangat bermasalah untuk produk tipis seperti film, di mana bahkan pemisahan fase kecil dapat menciptakan cacat yang terlihat, titik lemah, atau sifat penghalang yang berkurang. Sebaliknya, bagian yang lebih tebal seperti komponen cetakan injeksi terkadang dapat mentolerir tingkat kontaminasi yang sama dengan kerugian kinerja yang lebih sedikit.
Bagi analis, ini berarti mendeteksi dan mengukur fraksi polimer kecil sangat penting untuk memahami kualitas daur ulang.
Contoh Kasus dalam Analisis Campuran
1. LDPE dan PA6 - Casing yang Mudah
LDPE dan PA6 sering dikombinasikan dalam film kemasan multilayer, di mana LDPE memberikan sealabilitas dan perlindungan terhadap kelembapan, sementara PA6 memberikan kontribusi kekuatan mekanis dan kinerja penghalang oksigen. Namun, dalam proses daur ulang, kombinasi ini sangat bermasalah karena kedua polimer tersebut tidak dapat bercampur karena polaritasnya yang berbeda.
Dari perspektif DSC, LDPE dan PA6 relatif mudah dibedakan. Mereka mengkristal dan meleleh dalam rentang suhu yang sangat berbeda, dan nilai kristalinitasnya berbeda secara signifikan karena struktur molekul dan polaritasnya yang berbeda. Hasilnya, kurva DSC menunjukkan dua puncak yang terpisah secara jelas, sehingga memudahkan identifikasi. Kuantifikasi dapat diandalkan selama nilai referensi yang baik untuk Kristalinitas / Derajat KristalinitasKristalinitas mengacu ke tingkat keteraturan struktural suatu benda padat. Dalam kristal, susunan atom atau molekulnya konsisten dan berulang-ulang. Banyak bahan seperti keramik kaca dan beberapa polimer dapat dipersiapkan sedemikian rupa untuk menghasilkan campuran daerah kristal dan amorf. kristalinitas tersedia untuk menetapkan kontribusi entalpi yang benar untuk setiap komponen.
Gambar 2 menunjukkan kurva DSC dari campuran 96% LDPE dan 4% PA6.
Perhitungan Kembali Komposisi dari Entalpi DSC (Gambar 1)
Diketahui: Campuran dengan LDPE + PA6.
Referensi panas fusi untuk 100% polimer kristal:
Xc, LDPE≈50%
Xc, PA6≈35%.
Kontribusi entalpi terukur (per gram campuran):
LDPE: ΔHm, LDPE = 147,1 J/g
PA6: ΔHm, PA6 = 3,727 J/g
Ubah entalpi menjadi fraksi massa (total = 1):
Setelah menguji beberapa derajat Kristalinitas / Derajat KristalinitasKristalinitas mengacu ke tingkat keteraturan struktural suatu benda padat. Dalam kristal, susunan atom atau molekulnya konsisten dan berulang-ulang. Banyak bahan seperti keramik kaca dan beberapa polimer dapat dipersiapkan sedemikian rupa untuk menghasilkan campuran daerah kristal dan amorf. kristalinitas, kombinasi yang menghasilkan total mendekati 1 (ωLDPE + ωPA6 = 1,005) adalah 53% untuk LDPE dan 34% untuk PA6.
Komposisi yang dihitung kembali ≈ 95% LDPE dan 5,7% PA6 konsisten dengan campuran nominal 96/4.
2. LDPE dan PP - Casing yang sulit
Pada campuran HDPE/PP, puncak lelehnya cukup dekat sehingga sebagian tumpang tindih, yang mempersulit analisis kuantitatif. HDPE memiliki entalpi fusi yang lebih tinggi (ΔHm⁰ = 293 J/g) dibandingkan dengan PP (ΔHm⁰ = 209 J/g), sehingga puncak leleh HDPE umumnya tampak lebih besar. Dengan meningkatnya kandungan PP, kontribusi relatif PP meningkat, tetapi entalpi keseluruhan dari kedua puncak menurun, yang mencerminkan potensi Kristalinitas / Derajat KristalinitasKristalinitas mengacu ke tingkat keteraturan struktural suatu benda padat. Dalam kristal, susunan atom atau molekulnya konsisten dan berulang-ulang. Banyak bahan seperti keramik kaca dan beberapa polimer dapat dipersiapkan sedemikian rupa untuk menghasilkan campuran daerah kristal dan amorf. kristalinitas PP yang lebih rendah dibandingkan dengan HDPE, lihat gambar 3. Mengikuti contoh LDPE dan PA6 di atas, Kristalinitas / Derajat KristalinitasKristalinitas mengacu ke tingkat keteraturan struktural suatu benda padat. Dalam kristal, susunan atom atau molekulnya konsisten dan berulang-ulang. Banyak bahan seperti keramik kaca dan beberapa polimer dapat dipersiapkan sedemikian rupa untuk menghasilkan campuran daerah kristal dan amorf. kristalinitas untuk HDPE adalah 68% dan untuk PP adalah 51%. Analisis semi-otomatis menggunakan kurva DSC dan pemisahan entalpi dapat dilakukan dengan menggunakan perangkat lunak Peak Separation, yang dijelaskan secara rinci dalam catatan aplikasi kami "NETZSCH Alat untuk Identify dan Mengukur Komposisi Plastik yang Berbeda dalam Aliran Daur Ulang" [1].
Dari perspektif KristalisasiKristalisasi adalah proses fisik pengerasan selama pembentukan dan pertumbuhan kristal. Selama proses ini, panas kristalisasi dilepaskan.kristalisasi, suhu KristalisasiKristalisasi adalah proses fisik pengerasan selama pembentukan dan pertumbuhan kristal. Selama proses ini, panas kristalisasi dilepaskan. kristalisasi PP dan HDPE berdekatan. Bergantung pada rasio campuran dan laju pendinginan, kedua sinyal tersebut dapat tumpang tindih secara signifikan, yang ditunjukkan oleh Aumnate dkk. [2]:
- Pada kandungan PP yang lebih tinggi, puncak KristalisasiKristalisasi adalah proses fisik pengerasan selama pembentukan dan pertumbuhan kristal. Selama proses ini, panas kristalisasi dilepaskan. kristalisasi PP mendominasi kisaran suhu sebelumnya, dan puncak HDPE menjadi lebih kecil atau tertutup sebagian.
- Pada kandungan HDPE yang lebih tinggi, puncak KristalisasiKristalisasi adalah proses fisik pengerasan selama pembentukan dan pertumbuhan kristal. Selama proses ini, panas kristalisasi dilepaskan. kristalisasi HDPE lebih jelas, sementara PP masih berkontribusi pada sisi suhu yang lebih tinggi dari kurva.
Kesimpulan Utama: Dalam campuran HDPE/PP, puncak leleh tumpang tindih, dan tantangan kuantifikasi terletak pada pemisahan kontribusi entalpi kedua polimer dengan benar. Dengan meningkatnya kandungan PP, entalpi keseluruhan menurun karena Kristalinitas / Derajat KristalinitasKristalinitas mengacu ke tingkat keteraturan struktural suatu benda padat. Dalam kristal, susunan atom atau molekulnya konsisten dan berulang-ulang. Banyak bahan seperti keramik kaca dan beberapa polimer dapat dipersiapkan sedemikian rupa untuk menghasilkan campuran daerah kristal dan amorf. kristalinitas PP yang lebih rendah dibandingkan dengan HDPE dan karena entalpi referensi yang lebih rendah dari fusi PP, bahkan pada tingkat Kristalinitas / Derajat KristalinitasKristalinitas mengacu ke tingkat keteraturan struktural suatu benda padat. Dalam kristal, susunan atom atau molekulnya konsisten dan berulang-ulang. Banyak bahan seperti keramik kaca dan beberapa polimer dapat dipersiapkan sedemikian rupa untuk menghasilkan campuran daerah kristal dan amorf. kristalinitas teoritis yang sama.
3. HDPE-LLDPE dan PA6-PA66 - Kasus Ekstrim
Beberapa campuran bahkan lebih sulit karena mereka mengkristal bersama atau memiliki suhu transisi yang hampir sama.
- Campuran HDPE-LLDPE: Ini sering membentuk daerah kristal campuran, yang mengarah ke kurva DSC dengan puncak yang menyatu. Kuantifikasi dengan Peak Separation saja hampir tidak mungkin dilakukan, dan hanya perbedaan dalam Kristalinitas / Derajat KristalinitasKristalinitas mengacu ke tingkat keteraturan struktural suatu benda padat. Dalam kristal, susunan atom atau molekulnya konsisten dan berulang-ulang. Banyak bahan seperti keramik kaca dan beberapa polimer dapat dipersiapkan sedemikian rupa untuk menghasilkan campuran daerah kristal dan amorf. kristalinitas yang dapat memberikan bukti tidak langsung dari kedua komponen tersebut, lihat gambar 4.
- Campuran PA6-PA66: Tergantung pada rasionya, kedua poliamida ini dapat mengkristal bersama (pada konsentrasi yang lebih rendah). DSC kemudian menunjukkan hanya satu puncak leleh atau KristalisasiKristalisasi adalah proses fisik pengerasan selama pembentukan dan pertumbuhan kristal. Selama proses ini, panas kristalisasi dilepaskan. kristalisasi, meskipun ada dua polimer. Pada rasio tertentu, perbedaan Kristalinitas / Derajat KristalinitasKristalinitas mengacu ke tingkat keteraturan struktural suatu benda padat. Dalam kristal, susunan atom atau molekulnya konsisten dan berulang-ulang. Banyak bahan seperti keramik kaca dan beberapa polimer dapat dipersiapkan sedemikian rupa untuk menghasilkan campuran daerah kristal dan amorf. kristalinitas dapat menunjukkan campuran, tetapi pada rasio yang lain, sinyal terlihat identik dengan satu polimer [3].
Pada kedua sistem tersebut, bahkan pengguna yang berpengalaman pun mungkin tidak yakin. Kristalinitas / Derajat KristalinitasKristalinitas mengacu ke tingkat keteraturan struktural suatu benda padat. Dalam kristal, susunan atom atau molekulnya konsisten dan berulang-ulang. Banyak bahan seperti keramik kaca dan beberapa polimer dapat dipersiapkan sedemikian rupa untuk menghasilkan campuran daerah kristal dan amorf.Kristalinitas memberikan satu-satunya petunjuk potensial, tetapi ketika ko-KristalisasiKristalisasi adalah proses fisik pengerasan selama pembentukan dan pertumbuhan kristal. Selama proses ini, panas kristalisasi dilepaskan. kristalisasi kuat, bahkan hal ini pun tidak meyakinkan.
Gambar 4 menunjukkan empat kurva DSC dari LLDPE murni (135,6 J/g) dan HDPE (233,3 J/g) serta campuran dengan rasio 50/50 dan 90/10. Dengan menggunakan ΔHm⁰ = 293 J/g, Kristalinitas / Derajat KristalinitasKristalinitas mengacu ke tingkat keteraturan struktural suatu benda padat. Dalam kristal, susunan atom atau molekulnya konsisten dan berulang-ulang. Banyak bahan seperti keramik kaca dan beberapa polimer dapat dipersiapkan sedemikian rupa untuk menghasilkan campuran daerah kristal dan amorf. kristalinitas dihitung sebagai 46% dan 80% untuk LLDPE dan HDPE, masing-masing.
Dengan kristalinitas ini, rasio pencampuran dapat dihitung kembali secara langsung dari entalpi yang diukur dengan menggunakan:
- Campuran 50/50 ((ΔHmix= 183,8 J/g)
Ini sangat mendekati komposisi nominal 50/50.
- Campuran 90/10 (ΔHmix= 141,6 J/g)
Sekali lagi, rasio yang dihitung mendekati campuran nominal 90/10.
Namun, dalam kasus daur ulang, nilai kristalinitas tidak diketahui secara pasti dan dapat bervariasi dalam rentang literatur (LLDPE: 35 - 55%, HDPE: 60 - 80%). Dengan mengasumsikan kristalinitas rata-rata 45% untuk LLDPE dan 75% untuk HDPE sudah menyebabkan penyimpangan yang jauh lebih besar:
| Campuran | ΔHmix [J/g] | LLDP yang dihitung [%] | HDPE yang dihitung [%] | Kesalahan LLDPE [%] | Kesalahan HDPE [%] |
| 50/50 | 183.8 | 40.9 | 59.1 | 9.1 | 9.1 |
| 90/10 | 141.6 | 88.9 | 11.1 | 1.1 | 1.1 |
Kesimpulan Utama: Sistem ko-KristalisasiKristalisasi adalah proses fisik pengerasan selama pembentukan dan pertumbuhan kristal. Selama proses ini, panas kristalisasi dilepaskan.kristalisasi seperti HDPE/LLDPE dan PA6/PA66 mewakili kasus yang paling ekstrem, di mana analisis kristalinitas pun mungkin gagal memberikan jawaban yang jelas.
Proteus® Now Quantify - Analisis Campuran Otomatis
NETZSCH telah mengembangkan Proteus® Now Quantify sebagai perangkat lunak analisis DSC otomatis pertama untuk campuran polimer. Perangkat lunak ini didasarkan pada model pembelajaran mesin yang dilatih dengan set data campuran yang telah dikurasi. Perangkat lunak ini dapat mengenali pola tersembunyi dan memisahkan komponen bahkan ketika kurva DSC tampak hanya menunjukkan satu puncak yang luas.
Apa yang membuat solusi ini unik:
- Ini adalah satu-satunya alat DSC otomatis untuk kuantifikasi campuran di pasaran.
- Solusi ini mengurangi ketergantungan pada interpretasi ahli untuk analisis campuran rutin.
- Alat ini menghasilkan Root Mean Square Error (RMSE) antara 1% (kasus mudah) dan ~5% (kasus ekstrem), yang berarti komposisi yang diprediksi biasanya berada dalam ±5% dari nilai aktual.
Untuk para ahli tingkat pemula, ini berarti: Sekarang Quantify memberikan hasil yang dapat diandalkan tanpa perlu pengalaman bertahun-tahun dalam interpretasi campuran. Untuk pengguna tingkat lanjut, ini memberikan pemeriksaan yang cepat dan dapat direproduksi yang mengonfirmasi interpretasi mereka atau mengungkapkan kontribusi halus yang mungkin terlewatkan.
Kesimpulan
DSC adalah alat serbaguna untuk mempelajari campuran dan daur ulang polimer. Meskipun beberapa campuran seperti PET/HDPE mudah dikuantifikasi, sistem yang lebih kompleks seperti HDPE/LLDPE memerlukan evaluasi kristalinitas yang mendetail, dan dalam kasus yang paling ekstrem seperti ko-KristalisasiKristalisasi adalah proses fisik pengerasan selama pembentukan dan pertumbuhan kristal. Selama proses ini, panas kristalisasi dilepaskan.kristalisasi PA6/PA66, bahkan data kristalinitas dapat membuat hasilnya menjadi ambigu.
Meskipun Identify telah lama memungkinkan identifikasi polimer yang andal melalui DSC, kuantifikasi tetap menjadi tantangan yang jauh lebih besar. Dengan Proteus® Now Quantify, NETZSCH memperkenalkan satu-satunya solusi DSC otomatis untuk kuantifikasi campuran polimer. Dengan akurasi sekitar 5%, Now Quantify memberdayakan para ahli tingkat pemula sekalipun untuk menganalisis campuran yang tidak diketahui dengan percaya diri - sekaligus mendukung analis tingkat lanjut dengan hasil yang cepat dan dapat direproduksi.
Dengan menggabungkan teknologi DSC yang telah terbukti dengan pembelajaran mesin yang cerdas, NETZSCH memungkinkan tingkat efisiensi, keandalan, dan aksesibilitas yang baru dalam campuran polimer.
Tentang IPT
Institute for Polymer and Production Technologies gGmbH (IPT) di Wismar telah menjadi mitra penelitian dan pengembangan independen untuk industri plastik sejak tahun 1995. Dengan keahliannya di bidang analisis polimer, daur ulang, dan pengujian bahan, IPT memberikan solusi praktis untuk tantangan industri, mulai dari pemrosesan hingga pengembangan produk. Di bidang daur ulang, lembaga ini memberikan wawasan yang berharga tentang hubungan struktur-properti dan mendukung pengembangan aplikasi yang inovatif.
Stefan Ofe adalah Kepala Penjualan dengan fokus pada pengembangan material dan optimalisasi proses.
Christian Boss adalah staf ilmuwan dengan fokus pada analisis material reologi dan termal serta pengembangan perangkat lunak.