18.05.2023 by Claire Strasser, Aileen Sammler
Snabbt och exakt: DSC och PeakSeparation för identifiering av polymerer i förpackningsfilmer
Transparenta styva filmer för att hålla korv- och ostskivor fräscha.
Stabila yoghurtbägare.
Färgglada, flexibla kaffeförpackningar.
Beroende på användningsområde kan dessa högutvecklade produkter behöva vara syrgastäta, transparenta eller tryckbara och ha en viss flexibilitet och/eller stabilitet. Sådana egenskaper kan endast uppnås genom användning av en mängd olika komponenter, t.ex. flera polymerskikt. För detta ändamål väljs polymererna i sin tur utifrån sina egna egenskaper.
Läs om hur förpackningsfilmer med flera lager kan undersökas med avseende på deras sammansättning med hjälp av DSC (Differential Scanning Calorimetry) och NETZSCH PeakSeparation Advanced Software Package.
För identifiering av enskilda polymerer i en flerskiktsfilm har differentiell skanningskalorimetri visat sig vara en snabb och lättillgänglig metod inom förpackningsindustrin. I följande exempel undersöktes en kommersiellt tillgänglig kompositfilm med hjälp av ett NETZSCH DSC-instrument.
Provet förbereddes i Concavus®®-degeln av aluminium och pressades jämnt mot degelbotten med hjälp av ett skjutlock, som är speciellt utvecklat för mätningar på mycket tunna prover som t.ex. filmer.
Figur 2 visar resultaten av DSC-mätningen från denförsta ochandra uppvärmningskörningen. I båda uppvärmningskörningarna upptäcktes flera överlappande toppar mellan 108°C och 121°C. Detta indikerar förekomsten av olika polymerer; temperaturintervallet här är typiskt för olika typer av polyeten med låg TäthetMassdensiteten definieras som förhållandet mellan massa och volym. densitet.
Vid denförsta uppvärmningen upptäcktes dessutom en topp vid 176°C, vilket indikerar förekomsten av EVOH (polyetenvinylalkohol). EVOH är även känd som en barriärplast och används ofta inom förpackningsindustrin på grund av dess goda ogenomtränglighet för ämnen som t.ex. syre. Dess Smälttemperaturer och entalpierEtt ämnes smältningsenthalpi, även kallad latent värme, är ett mått på den energitillförsel, vanligtvis värme, som krävs för att omvandla ett ämne från fast till flytande tillstånd. Ett ämnes smältpunkt är den temperatur vid vilken det ändrar tillstånd från fast (kristallin) till flytande (isotropisk smälta).smälttemperatur är beroende av dess etyleninnehåll; en Smälttemperaturer och entalpierEtt ämnes smältningsenthalpi, även kallad latent värme, är ett mått på den energitillförsel, vanligtvis värme, som krävs för att omvandla ett ämne från fast till flytande tillstånd. Ett ämnes smältpunkt är den temperatur vid vilken det ändrar tillstånd från fast (kristallin) till flytande (isotropisk smälta).smälttemperatur på 176°C motsvarar ett etyleninnehåll på mellan 35 mol-% och 38 mol-% [1]. Vid den andra uppvärmningen förskjuts toppen vid 176°C till en lägre temperatur (159°C). Denna förskjutning beror troligen på smältningen av en blandfas som bildats mellan polyeten och EVOH. Den breda effekten mellan 230°C och 280°C kommer att undersökas mer i detalj i det följande.
För detta separerades kompositfilmen i två skikt: en flexibel, aluminiumfärgad film och en andra, tunnare, tryckt film. Mellan de två skikten fanns ytterligare ett pappersskikt.
De två filmerna på vardera sidan om papperslagret mättes separat från varandra. DSC-kurvorna presenteras i figur 3.
Den tryckta filmen (blå kurva, fig. 3) uppvisar - med undantag för toppen vid 253,9°C som visas i fig. 2- samma effekter som kompositmaterialet som helhet. Däremot ger den aluminiumfärgade filmen (svart kurva) endast en topp, vid 255°C (1:a uppvärmningen) respektive 248°C (2:a uppvärmningen). Detta temperaturintervall är typiskt för Smälttemperaturer och entalpierEtt ämnes smältningsenthalpi, även kallad latent värme, är ett mått på den energitillförsel, vanligtvis värme, som krävs för att omvandla ett ämne från fast till flytande tillstånd. Ett ämnes smältpunkt är den temperatur vid vilken det ändrar tillstånd från fast (kristallin) till flytande (isotropisk smälta).smältning av PET.
Med dessa resultat kan man dra följande slutsatser om kompositfilmens sammansättning: Den tunnare, tryckta filmen består av olika polyetylentyper samt EVOH; den aluminiumfärgade är PET. PET-skiktets utseende i form av färg indikerar en aluminiumbeläggning som kan användas, till exempel, som ett ljusskydd i förpackningar [2]. Aluminiumets smälttopp (660,4°C) ligger utanför det uppmätta temperaturområdet och detekterades därför inte.
Identify Överlappande toppar med hjälp av programmet PeakSeparation i Proteus®
För att tydligt kunna identifiera de tre överlappande topparna mellan 108°C och 121°C som upptäcktes under mätningen av den tryckta filmen utvärderades DSC-kurvan från denandra uppvärmningen (blå streckad linje, figur 3) med PeakSeparation programmet i Proteus® programvaran. PeakSeparation gör det möjligt att presentera experimentella data i form av additiv överlappning av toppar. Programmet erbjuder olika kurvatyper som Pearson, Gauß, Cauchy osv. Här valdes Fraser-Suzuki-kurvans progression tillsammans med en blandning av Fraser-Suzuki- och asymmetrisk Cauchy-kurvans progression. Genom att tillämpa dessa profiler på den uppmätta DSC-kurvan blir det möjligt att matematiskt separera de överlagrade topparna.
Figur 4 visar resultaten av PeakSeparation. Fyra beräknade toppar kan relateras till experimentets DSC-kurva (blå streckad linje). Topparna vid 108°C, 118°C och 120°C är typiska för olika typer av polyeten med låg TäthetMassdensiteten definieras som förhållandet mellan massa och volym. densitet (PE-LD, PE-LLD).
En ytterligare topp vid 92°C (orange kurva) kan hänföras till smältningen av small -kristalliter.
Korrelationskoefficienten mellan summan av de fyra beräknade kurvorna och den uppmätta kurvan är 0,999 och bekräftar därmed att de beräknade endotermiska topparna stämmer väl överens med de uppmätta data.
Sammanfattning
DSC-mätningar ger värdefull information om sammansättningen av förpackningsfilmer. Dessa komplexa material består av olika lager, som ibland kan identifieras med bara en enda DSC-mätning. Förpackningen i vårt exempel består åtminstone av PET, EVOH och flera polyetylentyper med olika TäthetMassdensiteten definieras som förhållandet mellan massa och volym. densitet.
De olika polymerernas smältintervall ligger ofta nära varandra. En fullständig separation av topparna och/eller en exakt materialkarakterisering kan dock uppnås med hjälp av noggrann provberedning och användning av PeakSeparationprogramvaran.
Detta program gör det möjligt att separera överlappande toppar med hjälp av profiler från följande topptyper: Gaussisk, Cauchy, pseudoVoigt (linjär kombination av Gaussisk och Cauchy), Fraser-Suzuki (asymmetrisk Gaussisk), modifierad Laplace (dubbelsidigt rundad) och Pearson. Med denna metod anpassas experimentella data som en additiv superposition av toppar. Den kan tillämpas på kurvor som erhållits med olika analysmetoder, t.ex. differential scanning calorimetry (DSC), thermogravimetry (TGA ) och dilatometry (DIL ), för FTIR-Traces och MS-kurvor.
Prisreduktion för PeakSeparation-funktionen
Dra fördel av detta! Priset för PeakSeparation-funktionen i Proteus® version 8 och 9 har nu sänkts avsevärt! Be din regionala kontaktperson om ett erbjudande!
Håll ögonen öppna! Förpackningsapplikationer står för cirka 50% av plastproduktionen. Eftersom plaster är svårnedbrytbara men utgör en värdefull resurs även efter att de har tjänat ut är det viktigare än någonsin att fokusera på återvinningsvägar. Nästa vecka kommer vi att prata om NETZSCH verktyg för att Identify och kvantifiera olika plastsammansättningar i återvinningsströmmen!
Litteratur:
[1] Barrier Resins | Properties, Processing & Handling of EVOH, Pt. 1, Gene Medlock, 02 februari 2015 http://bit.ly/17Ous83
[2] https://de.wikipedia.org/wiki/Verbundfolie
