18.05.2023 by Claire Strasser, Aileen Sammler
Szybko i precyzyjnie: DSC i separacja pików do identyfikacji polimerów w foliach opakowaniowych
Przezroczyste, sztywne folie do przechowywania plasterków kiełbasy i sera.
Stabilne kubeczki na jogurt.
Kolorowe, elastyczne opakowania na kawę.
W zależności od zastosowania, te wysoce rozwinięte produkty mogą wymagać szczelności tlenowej, przezroczystości lub drukowalności oraz pewnej elastyczności i/lub stabilności. Takie właściwości można osiągnąć jedynie poprzez zastosowanie różnych komponentów, takich jak wiele warstw polimerowych. W tym celu polimery są z kolei selected zgodnie z ich własnymi właściwościami.
Dowiedz się, w jaki sposób wielowarstwowe folie opakowaniowe mogą być badane pod kątem ich składu za pomocą różnicowej kalorymetrii skaningowej (DSC) i pakietu oprogramowaniaNETZSCH PeakSeparation Advanced.
Różnicowa kalorymetria skaningowa sprawdziła się w przemyśle opakowaniowym jako szybka i łatwo dostępna metoda identyfikacji poszczególnych polimerów w folii wielowarstwowej. W poniższym przykładzie, dostępna na rynku folia kompozytowa została zbadana za pomocą urządzeniaNETZSCH DSC.
Próbka została przygotowana w aluminiowym tyglu Concavus®® i równomiernie dociśnięta do dna tygla za pomocą wsuwanej pokrywy, która została specjalnie opracowana do pomiarów bardzo cienkich próbek, takich jak folie.
Rysunek 2 przedstawia wyniki pomiarów DSC zpierwszego idrugiego cyklu ogrzewania. W obu cyklach ogrzewania wykryto wiele nakładających się pików w zakresie od 108°C do 121°C. Wskazuje to na obecność różnych polimerów; zakres temperatur jest typowy dla różnych typów polietylenu o niskiej gęstości.
Podczaspierwszego ogrzewania wykryto dodatkowo pik w temperaturze 176°C, co wskazuje na obecność EVOH (polietylen-alkohol winylowy). EVOH jest również znany jako tworzywo barierowe i jest szeroko stosowany w przemyśle opakowaniowym ze względu na jego dobrą nieprzepuszczalność dla substancji takich jak tlen. Jego Temperatury i entalpie topnieniaEntalpia syntezy substancji, znana również jako ciepło utajone, jest miarą nakładu energii, zazwyczaj ciepła, która jest niezbędna do przekształcenia substancji ze stanu stałego w ciekły. Temperatura topnienia substancji to temperatura, w której zmienia ona stan ze stałego (krystalicznego) na ciekły (stopiony izotropowo).temperatura topnienia zależy od zawartości etylenu; Temperatury i entalpie topnieniaEntalpia syntezy substancji, znana również jako ciepło utajone, jest miarą nakładu energii, zazwyczaj ciepła, która jest niezbędna do przekształcenia substancji ze stanu stałego w ciekły. Temperatura topnienia substancji to temperatura, w której zmienia ona stan ze stałego (krystalicznego) na ciekły (stopiony izotropowo).temperatura topnienia 176°C odpowiada zawartości etylenu od 35 mol-% do 38 mol-% [1]. Podczas drugiego ogrzewania pik przy 176°C jest przesunięty do niższej temperatury (159°C). To przesunięcie jest prawdopodobnie spowodowane topnieniem fazy mieszanej utworzonej między polietylenem i EVOH. Szeroki efekt między 230°C a 280°C zostanie zbadany bardziej szczegółowo w dalszej części.
W tym celu folia kompozytowa została podzielona na dwie warstwy: elastyczną folię w kolorze aluminium i drugą, cieńszą, zadrukowaną folię. Pomiędzy tymi dwiema warstwami znajdowała się dodatkowa warstwa papieru.
Dwie folie po obu stronach warstwy papieru były mierzone oddzielnie od siebie. Krzywe DSC przedstawiono na rysunku 3.
Nadrukowana folia (niebieska krzywa, rysunek 3) - z wyjątkiem piku w temperaturze 253,9°C pokazanego na rysunku 2- wykazuje takie same efekty jak materiał kompozytowy jako całość. Natomiast folia w kolorze aluminium (czarna krzywa) wytwarza tylko jeden pik, odpowiednio w 255°C (pierwsze ogrzewanie) i 248°C (drugie ogrzewanie). Ten zakres temperatur jest typowy dla topnienia PET.
Na podstawie tych wyników można wyciągnąć następujące wnioski na temat składu folii kompozytowej: Cieńsza, zadrukowana folia składa się z różnych rodzajów polietylenu, a także EVOH; folia w kolorze aluminium to PET. Wygląd warstwy PET pod względem koloru wskazuje na powłokę aluminiową, która może być stosowana na przykład jako osłona świetlna w opakowaniach [2]. Pik topnienia aluminium (660,4°C) znajduje się poza zmierzonym zakresem temperatur i dlatego nie został wykryty.
Zidentyfikuj nakładające się szczyty za pomocą programu PeakSeparation w aplikacji Proteus®
W celu wyraźnego zidentyfikowania trzech nakładających się pików pomiędzy 108°C i 121°C wykrytych podczas pomiaru wydrukowanej folii, krzywa DSC zdrugiego ogrzewania (niebieska przerywana linia, rysunek 3) została oceniona za pomocą funkcji PeakSeparation w oprogramowaniu Proteus® oprogramowanie. PeakSeparation pozwala na prezentację danych eksperymentalnych w postaci addytywnego nakładania się pików. Program ten oferuje różne typy krzywych, takie jak Pearsona, Gaußa, Cauchy'ego itp. W tym przypadku progresja krzywej Frasera-Suzuki wraz z mieszanką progresji krzywej Frasera-Suzuki i asymetrycznej krzywej Cauchy'ego została selected. Dzięki zastosowaniu tych profili do zmierzonej krzywej DSC możliwe jest matematyczne oddzielenie nałożonych na siebie pików.
Rysunek 4 przedstawia wyniki PeakSeparation. Cztery obliczone piki można powiązać z krzywą DSC eksperymentu (niebieska przerywana linia). Piki w temperaturach 108°C, 118°C i 120°C są typowe dla różnych typów polietylenu o niskiej gęstości (PE-LD, PE-LLD).
Dodatkowy pik w 92°C (pomarańczowa krzywa) można przypisać topnieniu krystalitów small.
Współczynnik korelacji między sumą czterech obliczonych krzywych a zmierzoną krzywą wynosi 0,999, co potwierdza dobre dopasowanie obliczonych pików endotermicznych do zmierzonych danych.
Podsumowanie
Pomiary DSC dostarczają cennych informacji na temat składu folii opakowaniowych. Te złożone materiały składają się z różnych warstw, które czasami można zidentyfikować za pomocą tylko jednego pomiaru DSC. Opakowanie pokazane w naszym przykładzie składa się co najmniej z PET, EVOH i kilku rodzajów polietylenu o różnych gęstościach.
Zakresy topnienia różnych polimerów często leżą blisko siebie. Jednakże, całkowite oddzielenie pików i/lub dokładna charakterystyka materiału może zostać osiągnięta poprzez staranne przygotowanie próbki i zastosowanie funkcji PeakSeparationoprogramowanie.
Program ten pozwala na rozdzielenie nakładających się pików przy użyciu profili z następujących typów pików: Gaussian, Cauchy, pseudoVoigt (liniowa kombinacja Gaussian i Cauchy), Fraser-Suzuki (asymetryczny Gaussian), zmodyfikowany Laplace (dwustronnie zaokrąglony) i Pearson. Za jego pomocą dane eksperymentalne są dopasowywane jako addytywna superpozycja pików. Może być stosowany do krzywych uzyskanych różnymi metodami analitycznymi, takimi jak różnicowa kalorymetria skaningowa (DSC), termograwimetria (TGA) i dylatometria (DIL), do krzywych FTIR-Traces i MS.
Obniżka ceny dla funkcji PeakSeparation
Skorzystaj! Cena funkcji PeakSeparation w oprogramowaniu Proteus® w wersji 8 i 9 została znacznie obniżona! Zapytaj swojego regionalnego przedstawiciela o ofertę!
Bądź na bieżąco! Opakowania stanowią około 50% produkcji tworzyw sztucznych. Ponieważ tworzywa sztuczne mają słabą biodegradowalność, ale są cennym zasobem nawet po zakończeniu okresu użytkowania, skupienie się na ścieżkach recyklingu jest teraz ważniejsze niż kiedykolwiek. W przyszłym tygodniu porozmawiamy o narzędziach NETZSCH do identyfikacji i kwantyfikacji różnych kompozycji tworzyw sztucznych w strumieniu recyklingu!
Literatura:
[1] Barrier Resins | Properties, Processing & Handling of EVOH, Pt. 1, Gene Medlock, February 02, 2015 http://bit.ly/17Ous83
[2] https://de.wikipedia.org/wiki/Verbundfolie
