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Lesen Sie Teil 1 hier .

Stellen Sie sich Folgendes vor: Sie stolperten auf eine Materialbox ohne identifizierbares Etikett oder Dokumentation. Was tun Sie? Würden Sie das Material verschrotten oder versuchen, es zu identifizieren? Egal, ob Sie Forscher, Materialwissenschaftler, Ingenieur, Student oder neugierig sind, Sie identifizieren ein unbekanntes Polymer. Dieser Blog führt Sie durch die Schritte der Polymermaterialcharakterisierung.

Erweiterte Polymercharakterisierung:

Wie bereits erwähnt, gibt es Techniken und Methoden, die verwendet werden können, um ein Polymer zu charakterisieren, ohne dass fortschrittliche Analysegeräte erforderlich sind. Die Verwendung von Analysegeräten kann jedoch dazu beitragen, den Charakterisierungsprozess zu rationalisieren und gleichzeitig eine höhere Präzision und Genauigkeit zu bieten. Wie bei jeder Art von Prüfung ist eine Materialprobe erforderlich. Eine visuelle und physische Untersuchung der Probe kann ebenfalls von Vorteil sein. Im Folgenden werden einige fortschrittliche Polymercharakterisierungstechniken beschrieben.

• Spektroskopische Analyse: Die spektroskopische Analyse umfasst die Untersuchung der Wechselwirkung zwischen Substanz und elektromagnetischer Strahlung, die bei der Identifizierung der chemischen Zusammensetzung und der molekularen Struktur eines Materials helfen kann.
  
  • Ultraviolette (UV) sichtbare Spektroskopie: Grundlage dieser Technik ist die Analyse der Lichtabsorption oder -übertragung in den ultravioletten (UV) und sichtbaren Bereichen des elektromagnetischen Spektrums. Diese Methode hilft bei der Identifizierung von chemischen Verbindungen und deren Konzentration in einer Lösung.
    
    
  • Infrarot (IR)-Spektroskopie: Die IR-Spektroskopie untersucht, wie eine Probe durch Absorption, Emission oder Reflexion des IR-Lichts mit Infrarotlicht interagiert. Diese Analyse liefert Informationen über molekulare Vibrationen, die wiederum helfen, funktionelle Gruppen in organischen Verbindungen zu identifizieren, die Bestimmung der molekularen Struktur zu unterstützen und die chemische Bindung zu analysieren.

Abbildung 2. FTIR von PA 6 [1]

• Thermische Analyse: Analytische Techniken werden verwendet, um zu untersuchen, wie sich die physikalischen und chemischen Eigenschaften in Abhängigkeit von der Temperatur ändern. Einige gängige Techniken, die in der thermischen Analyse verwendet werden, sind TGA und DSC.
  
  • Thermogravimentrische Analyse (TGA): TGA quantifiziert die Massenänderung einer Probe, während sie mit einer konstanten Geschwindigkeit erwärmt oder gekühlt wird, sodass der Test thermischen Abbau, Zersetzung und die Erkennung flüchtiger Komponenten im Material identifizieren kann.

Abbildung 3. TGA von PA 6,10 [1]

• Chromatographische Analyse: Polymerchromatographische Analyse bezieht sich auf die Verwendung von chromatographischen Techniken zur Trennung, Identifizierung und Quantifizierung von Polymeren. Die Chromatographie ist eine vielseitige Analysemethode, die die Trennung komplexer Mischungen durch Interaktionen mit einer stationären und einer mobilen Phase ermöglicht. Diese Art von Analyse kann verwendet werden, um die Zusammensetzung eines Polymers, die Molekulargewichtsverteilung, strukturelle Eigenschaften zu bestimmen, Polymerisationsprozesse zu überwachen und die Polymerreinheit zu bewerten. Zwei gängige chromatographische Analysemethoden sind GPC/SEC und HPLC.
  
  • Die Gelpermeationschromatographie (GPC) oder Größenausschlusschromatographie (SEC) unterscheidet Polymere nach ihrer Molekulargröße, insbesondere nach ihrem hydrodynamischen Volumen oder Molekulargewicht. Bei diesem Verfahren haben größere Polymermoleküle die Penetration in die poröse stationäre Phase reduziert. Dies führt zu unterschiedlichen Retentionszeiten und erleichtert die Trennung basierend auf der Molekulargröße.

Abbildung 5. Wie GPC/SEC Moleküle unterschiedlicher Größe trennt [4]

• Hochleistungs-Flüssigkeitschromatographie (umfasst das Lösen eines Polymers und die Aussetzung an eine mobile Hochdruck-Flüssigkeitsphase und eine stationäre Phase, die eine Trennung bewirkt. HPLC kommt häufiger zur Analyse niedermolekularer Materialien, Additive und Oligomere vor.

• Mikroskopie: Mikroskopie kann dabei helfen, Polymere und das Verhalten auf mikroskopischer Ebene durch körperliche Beobachtung zu untersuchen. Dies ermöglicht einen Einblick in Polymereigenschaften, Kristallinität und die von Additiven innerhalb einer Polymermatrix. Die Verteilung eines Additivs würde die Gleichförmigkeit des Additivs im Polymer zeigen und die Konzentration würde das Volumen des Additivs gegenüber dem Polymer zeigen. Einige gängige Mikroskopiemethoden sind:
  
  • Optische Mikroskopie: Die optische Mikroskopie ist eine gängige Technik zur Beobachtung von Proben unter sichtbarem Licht. Diese Methode ermöglicht die Beobachtung von Oberflächentopographie, Phasenmorphologie und Materialdefekten. Ein modifizierter Ansatz für dieses Verfahren würde polarisiertes Licht beinhalten, das bei der Identifizierung von doppelbrechenden Bereichen im Material helfen kann, um molekulare Ausrichtung und stressinduzierte Effekte aufzudecken.
    
    
  • Rasterelektronenmikroskopie (SEM): SEM verwendet einen fokussierten Elektronenstrahl, um die Oberfläche einer Probe zu scannen. Dies erzeugt dann hochauflösende Bilder der Polymeroberflächen, die wichtige Details über Oberflächentopographie, Porosität und das Vorhandensein von Füllstoffen oder Additiven enthüllen können.

Abbildung 6. SEM vs. TEM von Silizium [5]

• Transmissionselektronenmikroskopie (TEM): TEM ist eine leistungsstarke Technik zur Untersuchung von Polymerproben im Nanometer-Bereich. Diese Technik überträgt Elektronen durch dünne Abschnitte eines Materials, was dann eine detaillierte Analyse von kristallinen Strukturen, Phasentrennung und Morphologie ermöglicht.

Tabelle 2. SEM vs. TEM [6]

SEM	TEM
Fokussierter Strahl	Breitstrahl
Topographische/Oberfläche (3D-Bild)	Interne Struktur (2D-Bild)
Strahl dringt nicht in die Probe ein	Strahl dringt in die Probe ein
Schnellerer Test, günstiger	Langsamerer Test, teurer

• Mechanische Tests: Mechanische Eigenschaftstests bieten wertvolle Informationen darüber, wie Polymere mit Kräften, Spannungen und Dehnungen umgehen, was dann Einblicke in die Eignung eines Materials für Polymeranwendungen geben kann. Einige standardmäßige mechanische Prüfmethoden gemäß der American Society for Testing Materials (ASTM) sind:
  
  • Zugprüfung (ASTM D638): Die Zugprüfung setzt ein Material einer axialen Zugkraft entlang seiner Längsachse aus, bis es bricht. Das Ziel der Zugprüfung ist die Bestimmung der (Fläche unter Belastungs-Dehnungskurve bis zum Frakturpunkt). Tests werden normalerweise an einer Maschine wie der Instron Universalprüfmaschine durchgeführt. Zugtests können dabei helfen, zu erkennen, wie sich ein Material unter Spannung verhält, was Hinweise auf seine Zusammensetzung liefert. Die bei diesem Test erzeugten Spannungsbelastungsdaten sind für jedes getestete Material einzigartig und können zu Informationen über die mechanischen Eigenschaften führen. Die Steigung des anfänglichen linearen Bereichs (elastischer Bereich) der Spannungs-Dehnungs-Kurve stellt das elastische Modul bereit, das die Steifigkeit des Materials anzeigt. Polymermaterialien haben unterschiedliche elastische Moduli, was diesen Parameter zu einem nützlichen Unterscheidungsmerkmal macht.

Abbildung 7. Typische Spannungs-Dehnungs-Kurve eines thermoplastischen Materials [7]

• Flexurale Tests (ASTM D790): Flexuraltests oder Biegetests werden durchgeführt, wenn senkrechte Kraft auf die Längsachse einer Probe ausgeübt wird, wodurch sie sich verbiegen kann. Das Ziel dieser Prüfung ist es, festzustellen, was normalerweise an einer Maschine wie der Instron Universalprüfmaschine durchgeführt wird. Die Biegefestigkeit ist die maximale Belastung, der ein Material standhalten kann, bevor es bei Biegebelastung ausfällt. Bei Polymeren mit unterschiedlichen Biegefestigkeiten kann dies auf die strukturelle Integrität und Steifigkeit eines Materials hinweisen. Wie die Biegefestigkeit ist auch der Biegemodul (Elastizitätsmodul beim Biegen) das Maß für eine Steifigkeit, wenn er gebogen wird. Dieser Test kann Informationen über die Steifigkeit des Polymers liefern und die Prüfwerte können mit denen in einem technischen Datenblatt übereinstimmen

Abbildung 8. Instron Universalprüfmaschine [8]

• Schlagprüfung (ASTM D256 Izod Schlag/ASTM D6110 Charpy Schlag): Bei der Stoßprüfung wird die Fähigkeit eines Materials bewertet, plötzlichen und dynamischen Belastungen wie Stoß- oder Stoßkräften standzuhalten. Das Ziel von Wirkungstests ist es, zu bestimmen. Die Aufprallfestigkeit ist das Maß für die Fähigkeit des Materials, Rissen oder Verformungen bei Aufprall- oder plötzlichen Stoßbelastungen zu widerstehen, während die Bruchzähigkeit mit der Rissausbreitung zusammenhängt. Die Izod- und Charpy-Tests sind ähnlich, aber der Charpy-Test verwendet einen freitragenden Strahl, um eine Probe an einer eingekerbten Stelle zu treffen, während der Izod-Test den freitragenden Strahl verwendet, um die Seite der Probe gegenüber der Kerbe zu treffen. Der Izod/Charpy-Aufpralltest wird an einer Pendel-Prüfmaschine durchgeführt. Polymere werden entweder spröden oder duktilen Frakturen unterzogen, die mit ihrer molekularen Struktur und Zähigkeit zusammenhängen. Das Verständnis dieser Mechanismen kann bei der Materialidentifikation helfen

Abbildung 9. Pendelschlag-Prüfmaschinen [9]

• Rheologische Analyse: Rheologische Analysen, auch Rheologie genannt, untersuchen, wie Materialien unter dem Einfluss von aufgebrachten Kräften fließen und sich verformen. Rheologische Tests sind der Schlüssel zum Verständnis der Viskosität eines Materials.

Abbildung 10. Dynisco LCR7000 Serie Kapillarrheometer [10]

Fazit:

Der Prozess der Identifizierung eines unbekannten Polymers kann entweder einige grundlegende Testtechniken oder komplizierte analytische Methoden umfassen. Die Identifizierung eines unbekannten Polymers kann das Innovationspotenzial und die Entwicklung neuartiger Anwendungen freisetzen. Die vereinfachten Prüfverfahren und fortgeschrittenen analytischen Methoden können mühsam sein und sollten mit einem Polymerexperten überprüft werden. Wenden Sie sich bei Fragen zur Prüfung von Polymermaterialien an Ihr lokales Nexeo-Technikteam.

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[1] Vahur, Signe, et al. „ATR-Ft-IR Spektralsammlung von Konservierungsmaterialien im erweiterten Bereich von 4000-80 Cm–1 – Analytische und bioanalytische Chemie.“ SpringerLink, Springer Berlin Heidelberg, 11. März 2016, link.springer.com/article/10.1007/s00216-016-9411-5.

[2] Spurrell, Timothy. Timothy Spurrell, Billerica, MA, 2016, S. 7–7, Experiment II – TGA- und UL94HB-Tests.

[3] Spurrell, Timothy. Timothy Spurrell, Billerica, MA, 2016, S. 5–5, Experiment III - DSC & Melt Point Testing.

[4] Einführung in die Gelpermeationschromatographie und Größenausschlusschromatographie, 30. April 2015, www.agilent.com/cs/library/primers/Public/5990-6969EN%20GPC%20SEC%20Chrom%20Guide.pdf.

[5] „Transmissionselektronenmikroskopie vs. Scanelektronenmikroskopie“. Elektronenmikroskopie | TEM vs. SEM | Thermo Fisher Scientific – USA, www.thermofisher.com/us/en/home/materials-science/learning-center/applications/sem-tem-difference.html#:~:text=The%20difference%20between%20SEM%20and,sample)%20bis%20create%20an%20image. Zugriff am 10. Oktober 2023.

[6] Gleichmann, Nicole. „SEM vs. TEM“. Analyse und Trennung von Technologienetzwerken, 4. September 2023, www.technologynetworks.com/analysis/articles/sem-vs-tem-331262.

[7] Campo, E. Alfredo. (2006). Vollständiges Handbuch zur Teilekonstruktion – Spritzgießen von Thermoplastik – 2.2.1 Stress-Dehnungs-Verhalten. (S. 7). Hanser Publisher. Abgerufen von

https://app.knovel.com/hotlink/pdf/id:kt004X3IB1/complete-part-design/stress-strain-behavior

[8] „Universales Testsystem | Instron.“ UNIVERSALE PRÜFSYSTEME, www.instron.com/en-us/products/testing-systems/universal-testing-systems/low-force-universal-testing-systems/6800-series. Zugriff am 10. Oktober 2023.

[9] „Auswirkungstestsysteme | Instron.“ WIRKSAME TESTSSYSTEME, www.instron.com/en-us/products/testing-systems/impact-systems. Zugriff am 10. Oktober 2023.

[10] „Kapilläre Rheometer: Ausrüstung zur Materialcharakterisierung.“ Kapillar-Rheometer | Ausrüstung zur Materialcharakterisierung, www.dynisco.com/polymer-evaluation/laboratory-quality-control-testing/capillary-rheometers/lcr7000-series. Zugriff am 10. Oktober 2023.