Inleiding
Sportartikelen en speelgoed voor kinderen of huisdieren zijn vaak gemaakt van flexibele kunststoffen. Enkele voorbeelden zijn sensorisch kauwspeelgoed, actiefiguurtjes, zachte handgrepen en allerlei soorten ballen. Een veelgebruikt polymeer is PVC (polyvinylchloride), dat zachter en flexibeler kan worden gemaakt door weekmakers toe te voegen. Deze verbindingen zijn niet covalent gebonden aan de polymeerketen en daarom kunnen ze verdampen of worden uitgespoeld door speeksel of zweet. Uitwaseming van weekmakers zoals ftalaten kan schadelijk zijn. In sommige gevallen is dit zelfs te herkennen aan een slechte geur.
Van de familie van ftalaten is bekend dat ze een aantal gezondheidsrisico's veroorzaken. Ze gedragen zich als hormonen en het is aangetoond dat ze leverschade, onvruchtbaarheid, diabetes, kanker en nog veel meer kunnen veroorzaken. Daarom heeft de Europese Unie sinds 2007 een aantal ftalaten verboden in producten die in contact komen met voedsel, in speelgoed, in babyartikelen en medische benodigdheden.
Ontledingsgedrag en identificatie van weekmakers
Thermische analyse kan helpen om weekmakers in polymeren op te sporen. Door middel van TGA-FT-IR analyse is het mogelijk om producten te analyseren op hun weekmakergehalte en om Identify het soort weekmaker dat gebruikt is.
In de volgende use case werd de oppervlaktelaag van verschillende speelgoedballen in small stukken gesneden en gemeten met de PERSEUS® TG 209 F1 Libra® volgens de meetcondities in tabel 1.
Bal nr. 1 vertoont tijdens de PyrolysePyrolyse is de thermische ontbinding van organische verbindingen in een inerte atmosfeer.pyrolyse verschillende massaverliesstappen, zie figuur 1. Deze massaverliesstappen zijn het gevolg van de VerdampingDe verdamping van een element of verbinding is een faseovergang van de vloeibare fase naar damp. Er bestaan twee soorten verdamping: verdamping en koken.verdamping van weekmaker of andere organische additieven en de PyrolysePyrolyse is de thermische ontbinding van organische verbindingen in een inerte atmosfeer.pyrolyse van het polymeer in het temperatuurbereik tussen 200°C en 500°C. Ontleding van anorganische vulstoffen werd waargenomen tussen 500°C en 700°C. De pieken in de DTG-curve (massaverliessnelheid) vertegenwoordigen de temperaturen van de maximale massaverliessnelheden. De Gram Schmidt-curve toont de algemene IR-intensiteiten en gedraagt zich als een spiegelbeeld van de DTG-curve en toont ook maximale intensiteiten tijdens massaverliesstappen. Dit bewijst de interactie van de geëvolueerde verbindingen met de IR-bundel.
Tabel 1: Meetomstandigheden
| Monster | Kogel nr. 1 | Kogel nr. 2 |
|---|---|---|
| Monstermassa | 9.08 mg | 10.38 mg |
| Temperatuurprogramma | RT tot 850 °C | |
| Verwarmingssnelheid | 10 K/min | |
| Gasatmosfeer | Stikstof | |
| Gasstroom | 40 ml/min | |
De volledige IR-gegevens worden weergegeven in figuur 2 in een temperatuur- en golfgetalafhankelijke 3D-plot. De TGA-curve is achteraan in rood uitgezet en toont de correlatie tussen het massaverlies en de toename in IR-intensiteit. In dit voorbeeld is alleen de eerste massaverliesstap nauwkeuriger onderzocht. Voor een gedetailleerde analyse van de aanwezige weekmaker werd een 2D FT-IR spectrum geëxtraheerd en vergeleken met gasfase bibliotheken om Identify de geëvolueerde verbindingen te bepalen. Er werd een grote gelijkenis gevonden voor het spectrum bij 266°C met de bibliotheekspectra van di-n-octylftalaat (DOP, blauw) en bis(2-ethylhexyl)ftalaat (DEHP, groen). Er kan worden aangenomen dat een enkele verbinding of een mengsel van verschillende ftalaten werd vrijgegeven. Deze vergelijking toont echter duidelijk aan dat kogel nr. 1 schadelijke ftalaten bevat. Omdat de volgende massaverliesstap licht overlapt met het vrijkomen van ftalaten, werd ook een hoeveelheidCO2 gevonden op small door middel van FT-IR bij 266°C.
Een tweede kogel werd onderzocht onder dezelfde meetomstandigheden. Een vergelijking van beide TGA-metingen wordt getoond in figuur 4. Er is een duidelijk verschil te zien in het pyrolysegedrag. Echter, ook voor kogel nr. 2 werd de eerste massaverliesstap gedetecteerd in het temperatuurbereik tussen 200°C en 280°C, ook met een piek in de DTG-curve bij 266°C. Alleen FT-IR kan gedetailleerde informatie geven over de aanwezige weekmaker.
De vergelijking van de geëxtraheerde FT-IR spectra voor de twee kogelmonsters, beide geëxtraheerd bij 266°C, laten een compleet verschillend trillingspatroon zien, zie figuur 5. De vergelijking van de spectra bij 266°C van bal nr. 2 (blauw) met de gasfasebibliotheek geeft een duidelijke overeenkomst met het spectrum van tributylcitraat (groen). Voor bal nr. 2 werden de toxische ftalaatweekmakers vervangen door de niet-toxische citroenzuurester, die ook als weekmaker werkt.
Samenvatting
Uitgassen en ontledingsprocessen van polymeren kunnen worden onderzocht met thermische analyse. Thermogravimetrie geeft al onder 300 °C aan dat er gassen vrijkomen. Alleen geëvolueerde gasanalyse zoals FT-IR kan Identify de vrijgekomen gassen bepalen. In dit voorbeeld was het mogelijk om Identify de verschillende gebruikte weekmakers te bepalen en zo een onderscheid te maken tussen toxische en niet-toxische additieven. De PERSEUS® TG 209 F1 Libra® is perfect geschikt voor deze taak.