Inleiding
Polymeermengsels zijn de combinatie van twee of meer polymeren. Ze worden gecombineerd tot een nieuw materiaal met andere fysische eigenschappen dan hun grondstoffen. Het kunnen kosteneffectieve alternatieven zijn voor dure technische polymeren. Mengsels van ABS en PC worden veel gebruikt als behuizing voor elektrische apparaten en toestellen en in de auto-industrie voor interieurpanelen. Deze mengsels combineren uitstekende verwerkingseigenschappen met een hoge hittebestendigheid en slagvastheid die superieur is aan de afzonderlijke componenten. Voor een nog hogere taaiheid kunnen mengsels van PA6 en ABS worden gebruikt. Een ander interessant voorbeeld is de combinatie van POM en PTFE. Het mengsel combineert de eigenschappen van zelfsmerende materialen, een lage wrijvingscoëfficiënt en verbeterde slijtvastheid door small hoeveelheden PTFE toe te voegen aan POM.
Daarom worden deze mengsels gebruikt in tribologische toepassingen zoals tandwielsystemen. Hoewel mengsels aanzienlijke voordelen bieden tijdens hun levensduur, maken ze recycling aan het einde van de levensduur moeilijk. Een van de meest fundamentele problemen is de identificatie van het materiaal als mengsel en de samenstelling ervan om ervoor te zorgen dat het op de juiste manier wordt gesorteerd en indien mogelijk kan worden hergebruikt.
TGA-FT-IR meting en interpretatie
Identificatie van de componenten van een mengsel gebeurt vaak door spectroscopische of chromatografische analyse. Ook de combinatie van TGA en FT-IR kan een nuttig hulpmiddel zijn voor de identificatie van mengsels. Enerzijds geven de massaverliezen informatie over de hoeveelheid polymeer en anderzijds fungeren pyrolysegassen, gedetecteerd door FT-IR, als vingerafdruk van het polymeer en helpen ze bij de identificatie.
Verschillende mengsels werden onderzocht met de PERSEUS® TG 209 F1 Libra® onder de meetomstandigheden in tabel 1.
Tabel 1: Meetomstandigheden
| Monster | POM/PTFE | PA6/ABS | PC/ABS |
|---|---|---|---|
| Monstermassa | 10.57 mg | 9.72 mg | 10.38 mg |
| Temperatuurprogramma | RT - 850°C | RT - 850°C | RT - 850°C |
| Verwarmingssnelheid | 10 K/min | 10 K/min | 10 K/min |
| Gasatmosfeer | Stikstof | Stikstof | Stikstof |
| Gasstroom | 40 ml/min | 40 ml/min | 40 ml/min |
| Kroes | Al2O3 (85 μl), open | Al2O3 (85 μl), open | Al2O3 (85 μl), open |
Figuur 1 toont de verkregen TGA-FT-IR-gegevens van het POM/PTFE-mengsel. Twee massaverliesstappen van 92,6% en 1,3% werden gedetecteerd met pieken in de DTG-curve bij 366°C en 582°C. Het Gram Schmidt-signaal, dat de totale IR-veranderingen weergeeft, gedraagt zich als het spiegelbeeld van de DTG. Maxima werden waargenomen in hetzelfde temperatuurgebied.
De volledige IR-gegevens van het POM/PFTE-mengsel staan 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. Voor identificatie van de geëvolueerde gassen worden de enkelvoudige spectra geëxtraheerd en vergeleken met de NETZSCH FT-IR database van polymeren, die bestaat uit pyrolysespectra van veelvoorkomende polymeren. Het 2D-spectrum tijdens de eerste massaverliesstap kwam goed overeen met de pyrolysegassen van POM (groen).
Er werden PTFE-ontledingsproducten (oranje) gevonden tijdens de tweede massaverliesstap, zie figuur 3. Uit deze analyse kan worden geconcludeerd dat het onderzochte mengsel voornamelijk bestond uit POM met een kleine hoeveelheid PTFE.
Het tweede onderzochte voorbeeldmengsel was een mengsel van PA6 en ABS. Figuur 4 toont de TGA-curve met een massaverlies van 98% en de Gram Schmidt-curve met een piek bij 462 °C. Uit deze curven kon niet worden afgeleid dat het onderzochte monster uit meer dan één materiaal bestaat. Alleen geëvolueerde gasanalyse kan meer inzicht geven.
Het 2D spectrum werd geëxtraheerd bij 456°C (rood) en vergeleken met de NETZSCH FT-IR database van polymeren, zie figuur 6. Uit deze vergelijking blijkt duidelijk dat het gemeten spectrum een mengsel is van meer dan één polymeer. PA6 bleek de grootste overeenkomst te vertonen. Na aftrek van het spectrum werd ABS gevonden als de tweede verbinding van dit mengsel. De rode cirkels tonen unieke trillingsbanden voor PA6 in het gemeten spectrum, terwijl de blauwe cirkels karakteristieke banden voor ABS aangeven.
Het derde mengsel van ABS en PC kon ook gemakkelijk worden geïdentificeerd door TGA-FTIR koppeling. Figuren 7 en 8 tonen de verkregen meetgegevens. Twee overlappende massaverliesstappen van 30,0% en 45,7% werden gedetecteerd met pieken in de DTG-curve bij 438°C en 520°C. De Gram Schmidt-curve vertoont pieken bij dezelfde temperaturen. De vergelijking van de gemeten spectra bij deze temperaturen met de NETZSCH FT-IR database van polymeren gaf een goede overeenkomst met ABS voor de eerste massaverliesstap en PC voor de tweede massaverliesstap.
Conclusie
Deze voorbeelden laten zien dat de combinatie van TGA en FT-IR een zeer geschikt hulpmiddel is voor Identify polymeermengsels. TGA-curves maken kwantificering van het polymeergehalte mogelijk, terwijl identificatie van de polymeren gebeurt aan de hand van de pyrolysegassen vergeleken met de gasfasebibliotheek NETZSCH FT-IR Database for Polymers. Het is een goede oplossing als kwantificeerbare resultaten nodig zijn. Vooral als het polymeer zwart is, wat FT-IR-analyse via ATR moeilijk kan maken. Er kunnen beperkingen optreden wanneer pyrolysegassen interageren en nieuwe moleculen vormen die verschillen van de verbindingen die vrijkomen uit zuivere polymeren.