18.05.2023 by Claire Strasser, Aileen Sammler
Snel en nauwkeurig: DSC en PeakSeparation voor de identificatie van polymeren in verpakkingsfolie
Transparante harde folies om gesneden worst en kaas vers te houden.
Stabiele yoghurtbekers.
Kleurrijke, flexibele koffieverpakkingen.
Afhankelijk van de toepassing moeten deze hoogontwikkelde producten zuurstofdicht, transparant of bedrukbaar zijn en een bepaalde flexibiliteit en/of stabiliteit bezitten. Dergelijke eigenschappen kunnen alleen worden bereikt door het gebruik van verschillende componenten, zoals meerdere polymeerlagen. Hiertoe worden polymeren op hun beurt geselecteerd op basis van hun eigen eigenschappen.
Leer hoe meerlaagse verpakkingsfilms kunnen worden onderzocht op hun samenstelling door middel van Differential Scanning Calorimetry (DSC) en het NETZSCH PeakSeparation Advanced Software Package.
Voor de identificatie van individuele polymeren in een meerlaagse folie heeft Differentiële Scanning Calorimetrie zich in de verpakkingsindustrie bewezen als een snelle en gemakkelijk toegankelijke methode. In het volgende voorbeeld werd een commercieel verkrijgbare composietfilm onderzocht met behulp van een NETZSCH DSC-instrument.
Het monster werd geprepareerd in de Concavus®® smeltkroes van aluminium en gelijkmatig op de bodem van de smeltkroes gedrukt met behulp van een inschuifdeksel, dat speciaal ontwikkeld is voor metingen aan zeer dunne monsters zoals films.
Figuur 2 toont de resultaten van de DSC-metingen van de1e en2e verhitting. In beide verhittingsreeksen werden meerdere overlappende pieken gedetecteerd tussen 108°C en 121°C. Dit duidt op de aanwezigheid van verschillende polymeren. Dit duidt op de aanwezigheid van verschillende polymeren; het temperatuurbereik hier is typisch voor verschillende soorten polyethyleen met lage DichtheidDe massadichtheid wordt gedefinieerd als de verhouding tussen massa en volume. dichtheid.
Bij de1e verhitting werd bovendien een piek bij 176 °C gedetecteerd, wat duidt op de aanwezigheid van EVOH (polyethyleen vinylalcohol). EVOH staat ook bekend als barrièreplastic en wordt veel gebruikt in de verpakkingsindustrie vanwege zijn goede ondoordringbaarheid voor stoffen zoals zuurstof. De 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). smelttemperatuur is afhankelijk van het ethyleengehalte; een 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). smelttemperatuur van 176°C komt overeen met een ethyleengehalte tussen 35 en 38 mol% [1]. Bij de 2e verhitting is de piek bij 176 °C verschoven naar een lagere temperatuur (159 °C). Deze verschuiving is waarschijnlijk te wijten aan 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 een gemengde fase gevormd tussen polyethyleen en EVOH. Het brede effect tussen 230°C en 280°C zal in het volgende in meer detail worden onderzocht.
Hiervoor werd de composietfilm gescheiden in twee lagen: een flexibele, aluminiumkleurige film en een tweede, dunnere, bedrukte film. Tussen de twee lagen bevond zich een extra papierlaag.
De twee films aan weerszijden van de papierlaag werden apart van elkaar gemeten. De DSC-curven worden weergegeven in figuur 3.
De bedrukte film (blauwe curve, figuur 3) - met uitzondering van de piek bij 253,9°C getoond in figuur 2- vertoont dezelfde effecten als het composietmateriaal als geheel. Daarentegen vertoont de aluminiumkleurige film (zwarte curve) slechts één piek, respectievelijk bij 255°C (1e verhitting) en 248°C (2e verhitting). Dit temperatuurbereik is typisch voor 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 PET.
Met deze resultaten kan het volgende geconcludeerd worden over de samenstelling van de composietfilm: De dunnere, bedrukte film bestaat uit verschillende polyethyleentypes en EVOH; de aluminiumkleurige film is PET. Het uiterlijk van de PET-laag qua kleur duidt op een aluminium coating die bijvoorbeeld gebruikt kan worden als lichtschild in verpakkingen [2]. De smeltpiek van aluminium (660,4°C) ligt buiten het gemeten temperatuurbereik en is daarom niet gedetecteerd.
Identify Overlappende pieken met behulp van het programma PeakSeparation in Proteus®
Om de drie overlappende pieken tussen 108°C en 121°C die werden gedetecteerd tijdens de meting van de bedrukte film duidelijk te identificeren, werd de DSC-curve van de2e verhitting (blauwe stippellijn, figuur 3) geëvalueerd met de PeakSeparation programma in de Proteus® software. PeakSeparation maakt het mogelijk om experimentele gegevens te presenteren in de vorm van additieve overlapping van pieken. Dit programma biedt verschillende curve-types zoals Pearson, Gauß, Cauchy, enz. Hier is gekozen voor de Fraser-Suzuki curveprogressie samen met een mengsel van de Fraser-Suzuki en asymmetrische Cauchy curveprogressie. Door deze profielen toe te passen op de gemeten DSC-curve wordt het mogelijk om de boven elkaar liggende pieken wiskundig te scheiden.
Figuur 4 toont de resultaten van de PeakSeparation. Vier berekende pieken kunnen worden gerelateerd aan de DSC-curve van het experiment (blauwe stippellijn). De pieken bij 108°C, 118°C en 120°C zijn typisch voor verschillende soorten polyethyleen met lage DichtheidDe massadichtheid wordt gedefinieerd als de verhouding tussen massa en volume. dichtheid (PE-LD, PE-LLD).
Een extra piek bij 92 °C (oranje curve) kan worden toegeschreven aan 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 small kristallieten.
De correlatiecoëfficiënt tussen de som van de vier berekende curven en de gemeten curve is bepaald op 0,999 en bevestigt dus de goede fit van de berekende endotherme pieken met de gemeten gegevens.
Samenvatting
DSC-metingen leveren waardevolle informatie op over de samenstelling van verpakkingsfolie. Deze complexe materialen bestaan uit verschillende lagen die soms met slechts één DSC-meting kunnen worden geïdentificeerd. De verpakking in ons voorbeeld bestaat minimaal uit PET, EVOH en verschillende soorten polyethyleen met verschillende dichtheden.
De smeltbereiken van de verschillende polymeren liggen vaak dicht bij elkaar. Volledige scheiding van de pieken en/of precieze materiaalkarakterisering is echter mogelijk door zorgvuldige monstervoorbereiding en toepassing van de PeakSeparationsoftware.
Met dit programma kunnen overlappende pieken worden gescheiden met profielen van de volgende piektypes: Gauss, Cauchy, pseudoVoigt (lineaire combinatie van Gauss en Cauchy), Fraser-Suzuki (asymmetrische Gauss), gemodificeerde Laplace (dubbelzijdig afgerond) en Pearson. Hiermee passen de experimentele gegevens als een additieve superpositie van pieken. Het kan worden toegepast op krommen die zijn verkregen met verschillende analysemethoden zoals differentiële scanning calorimetrie (DSC), thermogravimetrie (TGA) en dilatometrie (DIL), voor FTIR-traces en MS-curves.
Prijsverlaging voor de PeakSeparation-functie
Profiteer! De prijs voor de PeakSeparation-functie van Proteus® versie 8 en 9 is nu aanzienlijk verlaagd! Vraag uw regionale contactpersoon om een offerte!
Blijf op de hoogte! Verpakkingsapplicaties maken ongeveer 50% uit van de kunststofproductie. Aangezien kunststoffen slecht biologisch afbreekbaar zijn, maar zelfs na hun levensduur een waardevolle grondstof vormen, is het belangrijker dan ooit om te focussen op recyclagepaden. Volgende week gaan we het hebben over NETZSCH tools om Identify en verschillende kunststofsamenstellingen in de recyclingstroom te kwantificeren!
Literatuur:
[1] Barrièreharsen | Eigenschappen, verwerking & hantering van EVOH, Pt. 1, Gene Medlock, 02 februari 2015 http://bit.ly/17Ous83
[2] https://de.wikipedia.org/wiki/Verbundfolie
