Новости и блог компании

Интерпретация состава полимерного материала: ИК, ТГ, ДСК

В продолжении статьи об импортозамещении расскажем, какими методами осуществляется исследование состава полимерного материала.

Процесс расшифровки состава выглядит так:
Количество стадий может меняться в зависимости от материала и возможностей испытательной лаборатории.

Первичная оценка


Включает в себя:
  1. Осмотр изделия. Вы удивитесь, но иногда маркировка на самих изделиях позволяет сократить поиск в 10 раз, но оказывается не замеченной.
  2. Нагрев, цвет и вид пламени, запах при горении - специфичные тесты на определение класса соединения
  3. Оценка гибкости/жесткости, визуальная оценка среза изделия

Разделение компонентов


В идеальном мире в каждой лаборатории строит хроматограф, который не только может определить молекулярную массу компонентов компаунда, но и определить их количественно, а после разделения - выдать свободными от растворителя для исследования качественного состава.

В реальном, лучшее, что удается - растворить компаунд, отмыть и отфильтровать от сажи и минеральных наполнителей, высадить полимерную часть, и перейти к следующему этапу.


Качественная оценка состава полимерной матрицы


Это, как правило, разного рода спектроскопия (ИК, Раман, УФ, масс-спектроскопия) и методы Ядерного магнитного резонанса ( ЯМР).

Наиболее широко представлена в лабораториях полимерной отрасли именно ИК-спектроскопия с преобразованием Фурье, которая основана на фиксации полосы поглощения или пропускания инфракрасного излучения за счет инициации колебаний связей внутри молекул. Это качественный тест, который интерпретирует только наличие определенных функциональных групп.

Как правило для идентификации типа полимерной матрицы в современном мире используют не учебники с табличными значениями соответствия полосы виду колебания определенной связи, а корреляцию полученного спектра с библиотекой данных, которые собираются годами и накапливаются. В библиотеках, которыми пользуется наша лаборатория (Bruker и BioRad) , более 1 000 000 спектров.

Вот так выглядят спектры ПЭ и ПП:


Интенсивные полосы валентных колебаний СН3- и -СН2- связей в области 2800-3000см-1 - у ПП пик расщеплен (=СН-связь) и их же деформационные колебания в области 1400-1500см-1.


Опытный спектроскопист и без базы спектров знает, что 1625-1750см-1 - полосы СООН-группы, галогены дают очень интенсивные пики в правой области спектра, группа -СN - характерную узкую полосу низкой интенсивности в области 2350см-1, ароматическое кольцо отображается "забором" невысоких пиков от 1500 до 2000см-1, а гидроксид алюминия ( внезапно) показывает 3 характерных пика левее полос поглощения СН3-группы.


Метод так же применяется для количественного определения групп в составе. Например, имея несколько образцов ЭВА с разным известным содержанием виниалцетата, можно построить градуировочную зависимость высоты или площади пика связи -С=О и определять количество винилацетата в исследуемых образцах. Аналогичная методика есть и для определения количества привитых МАН.


ИК-спектроскопия имеет несколько ограничений и нюансов, о которых необходимо помнить:

  • Предназначена для органических материалов и полимеров, так как колебания неорганических компонентов - оксидов металлов, галогенидов и т.д. - вне зоны ИК-облучения.
  • Не "видит" металлы и все двухатомные молекулы
  • в многокомпонентных смесях полосы могут сдвигаться, пики расщепляться, и одни полосы перекрывают другие - поэтому ИК-спектроскопия - это всегда базовые сведения о полимере, но не "лекарство" с готовой рецептурой
  • на ИК-спектре не идентифицируются компоненты, которых в составе менее 5-10%: по массе, поэтому к сожалению, метод не даст информации о составе добавок, стабилизаторов, компутибилизаторов и т.д.
  • Большое ( более 20-40%) количество неорганических компонентов и особенно тех, что рассеивают свет (сажа) приводит к зашумлению спектра и невозможности идентифицировать пики с низкой интенсивностью.
  • следующий "недостаток" определяется самим методом - ИК-спектроскопия - это отпечаток пальца определенной связи, т.е. определенной функциональной группы. А значит, материалы, которые состоят из одинаковых звеньев по спектру отличить не возможно. Вот ИК-спектры ПВД, ПНД и линейного полиэтилена:

Они совершенно идентичны.

Поэтому для дополнительного анализа состава мы используем метод дифференциальной сканирующей калориметрии (ДСК).

Данный метод очень распространен для исследования полимеров. По сути это фиксация теплового потока фазовых переходов и превращений по отношению к стандарту. Поэтому метод используется для определения:

  • температуры плавления/кристаллизации,
  • перехода стеклования ( он хоть и не является фазовым переходом 1 порядка, но на термограмме плавления дает характерную "ступень"),
  • эффектов термодеструкции ( период индукции окисления, термостабильность),

процессов отверждения реактопластов

  • и даже теплоемкости.

Диапазоны температур плавления полимеров известны, поэтому с помощью данного теста мы можем качественно идентифицировать и ПВД/ПНД/ЛЛДПЭ, и отличить ПЭТ-Г от ПЭТ-Ф ( один аморфный и не имеет пиков плавления, второй кристаллический), и выяснить, какой тип полиамида перед нами - ПА6/ПА12/ПА6.66.

Метод имеет только 1 условный недостаток: он не информативен для аморфных полимеров.


Количественная оценка состава минеральных компонентов


Применяется для того, чтобы определить сколько и какого минерального наполнителя в составе полимера.

Первичные пики кальцитов и гидроксидов можно увидеть на ИК-спектре, но понять величину наполнения помогает термогравиметрия.: определение потери массы при прокаливании.

Термоанализатор оснащен возможностью продувать печь и окислительной и инертной атмосферой, а под держателем с образцом расположена ультра-чувствительная весовая часть ( 0,00001г), которая фиксирует снижение массы в процессе нагрева.

Так выглядит термограмма деструкции образца, в составе которого 1 полимер, а так же технический углерод и мел.


Метод нагляднее, чем отжиг в муфельной или трубчатой печах, даже если те так же оснащены подводами газов, и позволяет увидеть помимо количества неорганических наполнителей - количество стадий деструкции полимера, количество летучих и влажность.


Термоанализатор, как и хроматограф, может быть использован для разделения компаунда - но не по молекулярной массе, а по началу деструкции. Сопряженная ТГ-ИК система позволяет улавливать и анализировать состав выделившихся при деструкции газов. Однако система не очень распространена, так как имеет существенный нюанс: навеска образца в ТГ - от 10 мг до 2г (в зависимости от конфигурации прибора), обычно 10-70 мг, поэтому часть газов оседает в линии передачи их на детектор ИК-спектрометра и на спектре не отражается. Мы отказались от использования данной системы.


Данная комбинация методов дает представление о базовом составе компаунда. При заказе подобных испытаний у нас, мы предлагаем их именно в такой последовательности: ИК- ДСК-ТГ и опираемся на здравый смысл и результаты предыдущего теста.

Если на спектре мы видим ПВХ, но не предложим делать калориметрию (нет переходов плавления), если образец - прозрачные гранулы - то нет смысла делать ТГ.

Стоимость каждого испытания составляет 8000 руб, комплекс трех методов сразу со скидкой - 18000р.

Оформить заказ на испытания вы можете, кликнув на кнопку "заявка на испытания" в правом верхнем углу нашего сайта.