Inleiding
Polypropyleen (PP) is een veelgebruikte grondstof voor de productie van dunne films, zoals separatorfilms in batterijen. Dit experiment werd gestart vanwege een probleem dat zich voordeed tijdens de verwerking van PP-films. Producten van bepaalde batches ruwe PP-korrels braken gemakkelijk, terwijl die van andere batches van goede kwaliteit waren. Het doel was om de reden hierachter te achterhalen en, nog belangrijker, om een methode op te zetten voor een betrouwbare QC van de ruwe PP korrels. Idealiter zou deze QC methode worden uitgevoerd met een eenvoudige DSC of TGA.
Experimentele omstandigheden
Er werden verschillende "goede" monsters (gemarkeerd als OK) en "slechte" monsters (gemarkeerd als NOK) verzameld.
Smelt-/koelproeven werden uitgevoerd met behulp van de DSC 214 Polyma. De monsters werden verwarmd van kamertemperatuur (RT) tot 200°C bij 10 K/min, vervolgens afgekoeld tot RT bij -10 K/min, gevolgd door een tweede verhitting tot 200°C bij 10 K/min. De testatmosfeer was N2; de monsters waren ongeveer 10 mg groot.
Oxidatieve inductietijd (OIT) en oxidatieve begintemperatuur (OOT)Oxidatieve inductietijd (isotherme OIT) is een relatieve maat voor de weerstand van een (gestabiliseerd) materiaal tegen oxidatieve ontleding. Oxidatieve inductietemperatuur (dynamische OIT) of oxidatieve begintemperatuur (OOT) is een relatieve maat voor de weerstand van een (gestabiliseerd) materiaal tegen oxidatieve ontleding.OIT-testmonsters werden aanvullend uitgevoerd met de DSC 214 Polyma. De monsters werden verwarmd van RT tot 200 °C in N2 bij 10 K/min, en vervolgens gedurende 5 minuten IsothermTesten bij een gecontroleerde en constante temperatuur worden isotherm genoemd.isotherm gehouden bij 200 °C. Daarna werd de atmosfeer omgeschakeld naar O2 (zuiver) en werd de tijd vanaf het omschakelpunt tot het begin van de OxidatieOxidatie kan verschillende processen beschrijven in de context van thermische analyse.oxidatie geregistreerd. De monsters waren ongeveer 10 mg groot.
Pyrolysetests werden uitgevoerd met behulp van de TG 209 F3 Tarsus® . De monsters werden verwarmd van RT tot 800 °C bij 10 K/min in N2. De monstergrootte was ongeveer 10 mg.
Resultaten en discussie
1. Foutenanalyse
1.1. Smeltgedrag
Als eerste stap werd het smeltgedrag van alle monsters vergeleken om te zien of er onzuiverheden waren, d.w.z. andere polymeercomponenten. Zoals te zien is in figuur 1, is naast de belangrijkste smeltpiek van PP bij ongeveer 169 °C, in sommige DSC-curves een small endotherme piek bij 148 °C te zien. Dit kan te wijten zijn aan een tweede polymeercomponent of additief. Een dergelijk verschil kan echter niet worden beschouwd als een QC-doel, omdat deze small piek in zowel de OK- als NOK-monsters kan worden gevonden.
1.2. Pyrolysegedrag
Om het bestaan van onzuiverheden te bevestigen, werden de TGA-pyrolyseresultaten in figuur 2 vergeleken. Het lijkt erop dat zowel de OK- als NOK-monsters een gewichtsverlies van 100% vertonen en er was geen duidelijk verschil tussen beide tijdens de gehele pyrolyseprocedure.
"Brosheid" van polymeermaterialen kan het gevolg zijn van verschillend gestabiliseerde materialen. Informatie over de stabilisatie van een polymeer kan worden onderscheiden door Oxidatieve inductietijd (OIT) en oxidatieve begintemperatuur (OOT)Oxidatieve inductietijd (isotherme OIT) is een relatieve maat voor de weerstand van een (gestabiliseerd) materiaal tegen oxidatieve ontleding. Oxidatieve inductietemperatuur (dynamische OIT) of oxidatieve begintemperatuur (OOT) is een relatieve maat voor de weerstand van een (gestabiliseerd) materiaal tegen oxidatieve ontleding.OIT-metingen. Daarom werden verschillende Oxidatieve inductietijd (OIT) en oxidatieve begintemperatuur (OOT)Oxidatieve inductietijd (isotherme OIT) is een relatieve maat voor de weerstand van een (gestabiliseerd) materiaal tegen oxidatieve ontleding. Oxidatieve inductietemperatuur (dynamische OIT) of oxidatieve begintemperatuur (OOT) is een relatieve maat voor de weerstand van een (gestabiliseerd) materiaal tegen oxidatieve ontleding.OIT's verwacht voor deze monsters; dergelijke resultaten zouden dan gebruikt kunnen worden als QC drempelwaarde. Helaas waren er, zoals te zien is in figuur 3, geen significante OIT-verschillen tussen de OK- en NOK-monsters.
1.4. Kristallisatiegedrag
Het fabricageproces van PP-films omvat het Smelttemperaturen en -getallenDe enthalpie van fusie van een stof, ook wel latente warmte genoemd, is een maat voor de energie-input, meestal warmte, die nodig is om een stof om te zetten van vaste naar vloeibare toestand. Het smeltpunt van een stof is de temperatuur waarbij de toestand verandert van vast (kristallijn) naar vloeibaar (isotroop smeltpunt). smelten van de PP-korrels gevolgd door het extrusieproces. Er moet een afkoelingsproces hebben plaatsgevonden om KristallisatieKristallisatie is het fysieke proces van verharding tijdens de vorming en groei van kristallen. Tijdens dit proces komt kristallisatiewarmte vrij.kristallisatie te veroorzaken. Omdat het kristallisatiegedrag ook een factor kan zijn die de kwaliteit van het eindproduct beïnvloedt, werden de koelcurves vergeleken. Zoals te zien is in figuur 4, zijn er significante verschillen in het kristallisatiegedrag tussen de OK- en NOK-monsters. Ten eerste is het begin van KristallisatieKristallisatie is het fysieke proces van verharding tijdens de vorming en groei van kristallen. Tijdens dit proces komt kristallisatiewarmte vrij.kristallisatie van de OK-monsters (~115°C) veel lager dan dat van de NOK-monsters (~119°C). Dit betekent dat de NOK-monsters gemakkelijker kristalliseren. Bovendien blijkt de helling van de rechterkant van de DSC-piek van de NOK-monsters steiler te zijn dan die van de OK-monsters. Dit betekent dat de NOK-monsters ook sneller kristalliseren dan de OK-monsters.
1.5. Samenvatting van defecten
Analyse Op basis van de vorige metingen en discussies kunnen we aannemen dat het probleem van de "brosse film" waarschijnlijk te wijten is aan het verschillende kristallisatiegedrag van de grondstoffen. Voor grondstoffen die gemakkelijker kristalliseren (hogere aanvang), of sneller kristalliseren (steilere helling), breken de productfilms gemakkelijker. Het verschil in KristallisatieKristallisatie is het fysieke proces van verharding tijdens de vorming en groei van kristallen. Tijdens dit proces komt kristallisatiewarmte vrij.kristallisatie kan worden veroorzaakt door een verschillende inhoud met betrekking tot nucleatiemiddelen, microdeeltjes, enz.
2. Kwaliteitscontrole Criterium
Gebaseerd op de bovenstaande conclusie kan het QC criterium gericht worden op het kristallisatiegedrag. Een eenvoudigere oplossing zou zijn om de begintemperatuur van KristallisatieKristallisatie is het fysieke proces van verharding tijdens de vorming en groei van kristallen. Tijdens dit proces komt kristallisatiewarmte vrij.kristallisatie te gebruiken als QC drempel. Dit zou echter handmatige evaluatie vereisen (door de operator) en er zouden kritieke problemen kunnen zijn in het geval van "niet-ideale" kristallisatiepieken en basislijnen. Bovendien kan de begintemperatuur niet de hele situatie weergeven met betrekking tot kristallisatiegedrag. Om het kristallisatiegedrag op een uitgebreidere manier te vergelijken, biedt NETZSCH het ideale hulpmiddel: een oplossing genaamd Identify.
Eenvoudig gezegd is het met Identify mogelijk om een database op te bouwen van de afkoelingscurves voor de OK-monsters. De software vergelijkt deze dan met de koelcurves voor de binnenkomende PP-korrels en kan bepalen of de binnenkomende PP-grondstoffen "QC Pass" of "Fail" zijn.
Voor dit geval maakten we een Klasse aan in de Identify database met de koelcurves voor drie OK monsters. In een echt scenario zouden er natuurlijk meer curven nodig zijn om een betrouwbaardere klasse op te bouwen.
Zoals te zien is in figuur 6 en 7, is het mogelijk om de gelijkenis van de koelkrommen voor de OK- en NOK-monsters met de Klasse te berekenen. Voor de OK-monsters is de gelijkenis hoger dan 99% en voor de NOK-monsters is de gelijkenis lager dan 99%. Daarom is het redelijk om een gelijkenisdrempel van 99% vast te stellen. Dat wil zeggen dat monsters kunnen worden beschouwd als een "QC Pass" als de koelcurve een gelijkenis met de OK klasse heeft van meer dan 99%. De functie Identify biedt een functie om deze QC-controle automatisch uit te voeren.
Zoals te zien is in figuur 8, kan de gebruiker in het venster "Overige instellingen" een drempelwaarde definiëren (99% in dit geval). Als daarna de koelcurve van een monster in de software Proteus® wordt geladen en Identify wordt geactiveerd, wordt de gelijkenis van de curve met de klasse berekend en verschijnt er automatisch een QC-markering "FAIL" (FAIL) of "PASS" (PASS) op basis van de vooraf gedefinieerde QC-drempel (afbeelding 9).
Conclusie
Deze testseries van DSC- en TGA-metingen werden uitgevoerd om de oorzaak van het falen te vinden. Er werd vastgesteld dat de kwaliteit van de PP-films afhangt van het kristallisatiegedrag van de PP-korrels.
Het is mogelijk om de kristallisatiebegintemperatuur van de DSC-koelcurve te gebruiken als een eenvoudige QC-methode.
Een uitgebreidere en betrouwbaardere oplossing kan echter worden bereikt door NETZSCH Identify toe te passen om de DSC-afkoelcurve van het monster te vergelijken met een referentieklasse, die kan worden opgebouwd uit een aantal afkoelcurves voor de OK-monsters. Identify kan de gelijkenis van de monstercurve met de klasse berekenen en automatisch QC-resultaten presenteren via een vooraf gedefinieerde QC-drempel.