Identification and quality control of plastics and other materials by infrared spectrometry

Jako obzvlášt� vhodná se ukázala aplikace v oblasti analýzy plast� – v dnešní dob� FTIR spektroskopie platí za standard v oblasti identifikace a kontroly kvality plast� a prakticky ka�dá plastiká�ska laborato� disponuje FTIR instrumentací. Tento �lánek souhrnn� popisuje princip FTIR spektrometr�, výhody této analytické techniky a jednotlivé aplikace v oblasti analýzy plast� na p�íkladech p�ístroj� od N�meckého výrobce Bruker.

FTIR spektroskopie a její výhody

FTIR spektroskopie je zalo�ena na interakci látky s infra�erveným (I�) zá�ením, kdy výstupem je nam��ené spektrum. Do tvaru spektrální k�ivky se promítá chemické slo�ení vzorku. Látka, která je I� aktivní, absorbuje I� zá�ení o ur�itých vlnových délkách, resp. energiích. Tato energie se spot�ebuje na rozkmitání atom� v molekule – tzn. m�ní se úhel a délka vazeb molekuly. Absorpce energie se v I� spektru projeví jako tzv. pás (p�íklad spektra vody se dv�ma viditelnými pásy je zobrazen na obr. 1).

Obr. 1: I� spektrum vody a znázorn�ní charakteristických vibrací pro molekulu vody

Tvar Infra�erveného spektra je tedy závislý na chemickém slo�ení vzorku, kdy poloha pásu v sob� nese informaci o tom, o jakou vazbu se jedná (kvalitativní informace) a intenzita pásu vypovídá o tom v jaké mí�e je vazba v látce zastoupena (kvantitativní informace). I� spektrum je pro ka�dou látku unikátní.

Za p�ednosti FTIR spektroskopie lze pova�ovat:

• Dlouhodob� zavedená technika s reprodukovatelnými výsledky

             - ASTM E168 Standard Practices for General Techniques of Infrared Quantitative Analysis
             - ASTM E1252 Standard Practice for Obtaining FTIR spectra for Qualitative Analysis

• Vyu�itelná pro plyny, kapaliny i pevné látky
• Jednoduchá nebo �ádná úprava vzorku
• Rychlá a nedestruktivní analýza
• Nízké provozní náklady
• Jednoduchá obsluha
• Garantovaná dlouhá �ivotnost spektrometr� Bruker (a� 10 let záruky)

Kontrola kvality snadno a rychle

Principem kontroly kvality je porovnání spektra referen�ního materiálu (nap�. �isté látky, materiálu vhodné kvality atd.) se spektrem materiálu neznámé kvality (nové šar�e p�íchozí suroviny atd.). Jsou-li spektra rozdílná, jinými slovy mají-li nízký korela�ní koeficient (obvykle pod 95%), je to d�kaz rozdílného chemismu m��eného vzorku a reference, a proto není vzorek dostate�n� kvalitní a není vhodné daný materiál posílat do výrobního procesu nebo nap�. exportovat odb�ratel�m.

S novým FTIR spektrometrem ALPHA II od výrobce Bruker je kontrola kvality plast� velice jednoduchá a u�ivatelsky nenáro�ná. Bruker díky �etným inovacím extrémn� zjednodušil ovládání p�ístroje, a tak lze celou analýzu provád�t pomocí n�kolika málo klik� na dotykovém panelu s integrovaným PC, upevn�ném p�ímo na p�ístroji. Workflow je velmi jednoduché:

1) Vzorek se jednoduše p�itla�í nebo nakape na m��ící krystal.

Obr. 2: Vlo�ení vzorku na m��ící krystal

2) Spustí se m��ení. Samotné m��ení probíhá z plochy cca 1,5 x 1,5 mm a trvá max. desítky sekund.

Obr. 3: Spušt�ní m��ení

3) Poté se softwaru v automaticky zobrazí zm��ené spektrum, které je jediným dotykem obrazovky porovnáno se spektrem referen�ním. Okam�it� je zobrazen výsledek z analýzy, který bu� deklaruje, �e materiál prošel testem kvality a je vhodný a nebo nikoliv.

Obr. 4: Zobrazený výsledek

4) Stiskem jediného tla�ítka lze vytisknout report z FTIR analýzy. Tento report obsahuje výsledek kontroly kvality, ob� porovnávaná spektra i míru shody v podob� korela�ního koeficientu. Takovýto report je vzhledem k rozší�enosti techniky a jejímu výskytu v normách všeobecn� uznávaný.

Obr. 5: Vzhled vytisknutého reportu (�ervené spektrum – vzorek, modré spektrum – reference)

Zodpov�dná identifikace neznámých materiál�

Identifikace neznámých látek funguje na stejném principu a je analogicky jednoduchá. Jediným rozdílem je, �e software porovnává spektrum neznámého materiálu s celým souborem referen�ních spekter ulo�ených v elektronické databázi neboli knihovn�. Software automaticky nalezne, které spektrum z knihovny je vzorku nejpodobn�jší a uvede míru shody (korela�ní koeficient). Bruker má v sortimentu celou �adu knihoven, kdy tu nejkompletn�jší tvo�í více, ne� 26.000 spekter nejr�zn�jších látek. S takto širokou databází jsou identifika�ní schopnosti p�ístroje opravdu jedine�né.

Jednou z velice zajímavých mo�ností identifikace je také ALPHA II v konfiguraci s m��ící jednotkou pro bezkontaktní m��ení v odrazovém (reflexním) módu. Toto m��ení má pro identifikaci materiál� své výhody. Pro m��ení není t�eba deponovat vzorek na krystal, ale sta�í jej bez jakékoliv úpravy umístit p�ed p�ístroj. Dokonce není vy�adováno ani kontaktu se vzorkem – jedná se tedy o bezkontaktní a nedestruktivní m��ení bez nutnosti jakékoliv úpravy vzorku. Nam��ené spektrum není tak kvalitní jako v p�ípad� m��ení na krystalu, ale pro identifikaci základních plast� pln� dosta�uje (viz seznam plast� ulo�ených v reflexní databázi). Oproti jiným technikám navíc vykazuje kladné výsledky i v p�ípad� tmavých vzork�. Pracovní postup identifikace pomocí reflexního modulu je následující:

Obr. 6: Seznam polymer� v reflexní databázi

1) Spušt�ní m��ení – p�ístroj kontinuáln� m��í a v reálném �ase ukazuje výsledek identifikace.

2) Zm��íme vzorek – v moment� kdy vlo�íme plast p�ed p�ístroj, automaticky se zobrazí výsledek identifikace. Materiál je tedy v reálném �ase zodpov�dn� identifikován (zelená na semaforu).

Obr. 7: Vlo�ení materiálu p�ed m��ící jednotku

Obr. 8: Výsledek rychlé identifikace v reflexním módu

Jedna technika, velké mno�ství aplikací

Výše zmín�né aplikace nejsou kone�ným vý�tem – jeliko� je FTIR spektroskopie je v oblasti plast� skute�n� velmi rozší�enou technikou, rozr�stá se i spektrum vyu�ití p�ístroj�. Bruker má mnoho referencí z oblastí jako jsou:

• Kvantifikace plniv a aditiv – intenzita signálu v I� spektru je závislá na mno�ství jednotlivých komponent ve vzorku. Na základ� toho je tak mo�né stanovovat koncentrace slo�ek ve vzorku s p�esností a� na jednotky procent.

• Rozlišení podobných polymer� – v p�ípad� podobných struktur polymer�, m��e být jejich diferenciace obtí�ná. S pomocí FTIR spektroskopie je mo�né odlišit nap�. r�zn� druhy polyamid� nebo HDPE od LDPE.

• Kontrola slo�ení lak� na r�zných substrátech a sledování proces� jejich vytvrzování je další z aplikací, ve kterých lze vyu�ít malý FTIR spektrometr ALPHA II.

• Analýza defekt� a nehomogenit – kombinací FTIR spektrometrie s optickou mikroskopií lze sledovat chemické slo�ení s prostorovým rozlišením a� 0,5 µm a díky tomu tak identifikovat nehomogenity v materiálech a odhalit jejich p�vod.

• Chemické mapování – sledování distribuce jednotlivých slo�ek v materiálu a tvorba chemických map je jednou z hlavních aplikací FTIR mikroskopie. Lze tak odhalit nap�. rozlo�ení polymeru, plniv �i aditiv ve vzorku.

• Analýza vrstevnatých materiál� – mikroskopické sledování chemického slo�ení a stanovení tlouš�ky jednotlivých vrstev laminát�, vícevrstvých folií aj.

• Reverzní in�enýrství – charakterizace materiál� a kompetitivních produkt� pro získání d�le�itých poznatk� pro vývoj.

Shrnutí vyu�itelnosti FTIR spektroskopie

FTIR spektroskopie je u�ite�nou analytickou technikou s širokými mo�nostmi vyu�ití v oblasti výroby a zpracování plast�. Díky cenové dostupnosti a jednoduchému vyhodnocování se jeví jako velice u�ite�ná v moderních plastiká�ských firmách, a to zejména v oblasti kontroly kvality a identifikace materiál�.