Infračervené spektrum polystyrenu a jeho aplikace

Infračervená spektroskopie (IR spektroskopie) je analytická metoda, která umožňuje zkoumat chemické složení látek pomocí infračerveného záření. Když molekuly absorbují infračervené záření, dochází k excitaci jejich rotačních a vibračních stavů. V moderní praxi se nejčastěji používá FTIR spektroskopie - tedy infračervená spektroskopie s Fourierovou transformací, která umožňuje rychlé získání celého spektra najednou.

FTIR spektroskopie je založena na interakci látky s infračerveným (IČ) zářením, kdy výstupem je naměřené spektrum. Do tvaru spektrální křivky se promítá chemické složení vzorku. Látka, která je IČ aktivní, absorbuje IČ záření o určitých vlnových délkách, resp. energiích. Tato energie se spotřebuje na rozkmitání atomů v molekule - tzn. mění se úhel a délka vazeb molekuly. Absorpce energie se v IČ spektru projeví jako tzv. pás.

Tvar Infračerveného spektra je tedy závislý na chemickém složení vzorku, kdy poloha pásu v sobě nese informaci o tom, o jakou vazbu se jedná (kvalitativní informace) a intenzita pásu vypovídá o tom v jaké míře je vazba v látce zastoupena (kvantitativní informace).

Použití FTIR spektroskopie v analýze plastů

Jako obzvláště vhodná se ukázala aplikace v oblasti analýzy plastů - v dnešní době FTIR spektroskopie platí za standard v oblasti identifikace a kontroly kvality plastů a prakticky každá plastikářská laboratoř disponuje FTIR instrumentací.

Na konci životnosti pak plasty končí mezi odpadem. Za ideálních podmínek se polymer recykluje a přemění v nový výrobek s novými vlastnostmi, jako např. když se setká plast s UV stabilizátorem a plast se změkčovadlem. Komplexním úkolem pro společnosti recyklující plasty zůstává analýza a identifikace plastového odpadu, jakož i zjištění jejich mechanických vlastností. V závislosti na výsledcích analýzy se plasty rozdělí do různých kategorií, aby je bylo možné zamýšleným způsobem znova zpracovat. Mechanické vlastnosti plastů jsou důležité kvůli vlastnostem finálního produktu. Zkoušení plastů vychází z normy EN ISO 527-1/2.

Čtěte také: Více o Zákonu Ducha Svatého

Identifikace a kontrola kvality plastů

Principem kontroly kvality je porovnání spektra referenčního materiálu (např. čisté látky, materiálu vhodné kvality atd.) se spektrem materiálu neznámé kvality (nové šarže příchozí suroviny atd.). Jsou-li spektra rozdílná, jinými slovy mají-li nízký korelační koeficient (obvykle pod 95%), je to důkaz rozdílného chemismu měřeného vzorku a reference, a proto není vzorek dostatečně kvalitní a není vhodné daný materiál posílat do výrobního procesu.

S novým FTIR spektrometrem ALPHA II od výrobce Bruker je kontrola kvality plastů velice jednoduchá a uživatelsky nenáročná. Bruker díky četným inovacím extrémně zjednodušil ovládání přístroje, a tak lze celou analýzu provádět pomocí několika málo kliků na dotykovém panelu s integrovaným PC, upevněném přímo na přístroji. Samotné měření probíhá z plochy cca 1,5 x 1,5 mm a trvá maximálně několik vteřin. Poté se softwaru automaticky zobrazí změřené spektrum, které je jediným dotykem obrazovky porovnáno se spektrem referenčním. Stiskem jediného tlačítka lze vytisknout report z FTIR analýzy. Tento report obsahuje výsledek kontroly kvality, obě porovnávaná spektra i míru shody v podobě korelačního koeficientu.

Identifikace neznámých látek funguje na stejném principu a je analogicky jednoduchá. Jediným rozdílem je, že software porovnává spektrum neznámého materiálu s celým souborem referenčních spekter uložených v elektronické databázi neboli knihovně. Software automaticky nalezne, které spektrum z knihovny je vzorku nejpodobnější a uvede míru shody (korelační koeficient). Bruker má v sortimentu celou řadu knihoven, kdy tu nejkompletnější tvoří více, než 26.000 spekter nejrůznějších látek.

Jednou z velice zajímavých možností identifikace je také ALPHA II v konfiguraci s měřící jednotkou pro bezkontaktní měření v odrazovém (reflexním) módu. Pro měření není třeba deponovat vzorek na krystal, ale stačí jej bez jakékoliv úpravy umístit před přístroj. Dokonce není vyžadováno ani kontaktu se vzorkem - jedná se tedy o bezkontaktní a nedestruktivní měření bez nutnosti jakékoliv úpravy vzorku. Naměřené spektrum není tak kvalitní jako v případě měření na krystalu, ale pro identifikaci základních plastů plně dostačuje. Oproti jiným technikám navíc vykazuje kladné výsledky i v případě tmavých vzorků.

Další aplikace FTIR spektroskopie v oblasti plastů

Výše zmíněné aplikace nejsou konečným výčtem - jelikož je FTIR spektroskopie v oblasti plastů skutečně velmi rozšířenou technikou, rozrůstá se i spektrum využití přístrojů:

Čtěte také: Detailní přehled akrylátové omítky MAMUT Spektrum

  • Kvantifikace plniv a aditiv: intenzita signálu v IČ spektru je závislá na množství jednotlivých komponent ve vzorku.
  • Rozlišení podobných polymerů: v případě podobných struktur polymerů může být jejich diferenciace obtížná. S pomocí FTIR spektroskopie je možné odlišit např. různé varianty polystyrenu.
  • Chemické mapování: sledování distribuce jednotlivých složek v materiálu a tvorba chemických map je jednou z hlavních aplikací FTIR mikroskopie. Lze tak odhalit např. nehomogenity materiálu.

Infračervené spektrum polystyrenu a jeho derivátů

Jako příklad lze uvést polystyreny. V rafinaci se polystyren chápe jako GPPS (General Purpose Polystyrene). Jako homopolymer je velmi křehký. Pro snížení křehkosti se může přidat velmi malé množství BR (butyl rubber), čímž se materiál změní na rázům odolný GPPS: HIPS (High Impact Polystyrene). Tato vlastnost se ale může zlepšit přidáním akrylonitrilu k základnímu GPPS. Výsledkem je pak SAN - styren-akrylonitrilový kopolymer. Akrylonitrily ovlivňují pevnost, houževnatost a tvrdost polystyrenu. Dále je možné přidat butadieny pro zlepšení vlastností SAN, čímž se dosáhne ABS - akrylonitril-butadien-styren kopolymer. Při recyklování už plasty obsahují odpovídající aditiva a kopolymery.

Pro rychlou identifikaci polymeru se využívá metoda infračervené spektroskopie. Měření se uskuteční v průběhu několika vteřin pomocí ATR (attenuated total reflection) spektroskopie. Vzorek je uchycený v ATR nástavci reprodukovatelným tlakem. Infračervené záření proniká do vzorku přes její povrch podle pravidla zeslabeného celkového odrazu. Identifikace polymeru je podporovaná softwarem LabSolutionsIR v kombinaci za pomoci jeho knihoven.

V našem případě byly zkoušené různé varianty polystyrenu. Aby se ověřila kvalita povrchu vzorku, každý byl změřen 10x. Analyzované byly směsi ABS - recyklovaný ABS a ABS s označením BX. Podle infračerveného spektra ABS recyklát je směs ABS s vysokým obsahem styrenu, PC a metakrylátu. Naopak ABS BX je směsí s vysokým obsahem styrenu a polypropylenglykolu (PPG, změkčovadlo). Pro hodnocení kvality směsí se pro analýzu vybraly nitrilové a styren/butadienové pásy v infračerveném spektru.

Kontrola rozlišovací schopnosti a ověření stupnice vlnočtů

Pro kontrolu rozlišovací schopnosti a ověření stupnice vlnočtů se používá 0,05 mm silný polystyrenový film. Rozdíl mezi vlnočty 2870 cm-1 a 2849,5 cm-1 musí být větší než 18. Ověření stupnice vlnočtů se provádí při vlnočtech v cm-1 uvedených v tabulce 1.


Vlnočet (cm-1) Vlnová délka (µm)
1601,2 6,25
1028,3 9,72

Čtěte také: Jak správně lepit polystyren

Porovnáním naměřeného spektra polystyrenu s referenčním spektrem a uvedenými maximy se ověřuje přesnost stupnice. Odchylka by neměla být nejvýše 0,5 % vlnočtové stupnice.

Propustnost plastů pro infračervené záření

Experiment si klade za cíl pomocí termovizní kamery demonstrovat rozdílnou propustnost různých plastů pro tepelné infračervené záření - konkrétně jde o folie vyrobené z polypropylenu (PP), polystyrenu (PS) a polyethylentereftalátu (PET).

Experimentální postup

  1. Pomocí mikrometrického měřítka vybereme takové plastové folie z různých materiálů, které mají stejnou tloušťku; v našem konkrétním experimentu to byla tloušťka 0,25 mm.
  2. Postupně mezi kameru a vybraný předmět (např. konvice s horkou vodou) umisťujeme jednotlivé folie a sledujeme, jak se mění kamerou snímaný obraz.

Zásadním faktorem, který ovlivňuje všechna termografická měření, je emisivita snímaného povrchu, stručně řečeno jeho schopnost pohlcovat dopadající záření. Předměty s nízkou emisivitou podstatnou část dopadajícího záření odrážejí a tím zkreslují termografické měření, které primárně sleduje vlastní tepelné záření tělesa, nikoliv záření odražené. Při výběru vhodných vzorků pro experiment bychom se tedy měli vyhnout plastům s nízkou emisivitou; obvykle jsou to plasty na první pohled velmi lesklé.

Mnohdy může být při tomto experimentu pro studenty nejpřínosnější zjištění, že materiály kolem nás různě reagují na průchod elektromagnetického záření různých vlnových délek, tj. předměty průhledné ve viditelném světle nemusí být průhledné v jiných spektrálních oborech a naopak. Výše popsaný experiment například ukazuje, že ve viditelném oboru průhledný PET je pro tepelné infračervené záření téměř neprůhledný. Naopak, barevné obaly od papírových kapesníčků (z PE-LD) světlo téměř nepropouštějí, ale tepelné infračervené záření jimi pouze nepatrně zeslabeno prochází.

Propustnost plastů v blízkém infračerveném záření

Propustnost můžeme - s jinými výsledky - studovat také v infračerveném záření jiných vlnových délek - například v blízké infračervené oblasti se zabýváme vlnovými délkami okolo 1 µm (tj. o řád menšími než v případě tepelného záření typického pro předměty pokojové teploty).

Analýza interakcí přírodní organické hmoty s organickými polutanty

Infračervená spektroskopie byla rovněž použita pro sledování interakcí přírodní organické hmoty s organickými polutanty. Přírodní organická hmota byla reprezentována standardem huminových kyselin IHSS Leonardite a za zástupce organických ionů byly zvoleny aromatické farbiva methylenová modrá a Rhodamin 6G a také alifatická látka Septonex. Jejich interakce byly poté sledovány pomocí infračervené spektroskopie.

Na získaná infračervená spektrá vytvořených komplexů a připravených slepých vzorků byla napokon aplikována analýza hlavních komponent (PCA), která pomohla odhalit spektrální změny na první pohled nerozeznatelné v samotných spektrech. Bylo zjištěno, že nejpravděpodobnějším mechanismem interakce huminových kyselin s aromatickými polutanty jsou π-π interakce, zatímco při vazbě alifatických látek je předpokládána elektrostatická povaha interakce.

Mechanické zkoušky plastů

Infračervená spektroskopie se používá pro získání informací o plastu a zkoušky homogenity z povrchu materiálu. V přístroji byla ze vzorku o tloušťce 4 mm proměřena vrstva do hloubky cca 4 µm. S ohledem na celkovou tloušťku změřené vrstvy může tahová zkouška pro posouzení homogenity celého vzorku doplnit výsledky měření z FTIR.

Elasticita byla měřena pomocí zkušebního stroje AGS-X s bezkontaktním videoprůtahoměrem TRViewX. Tento průtahoměr vyhodnocuje smluvní mez kluzu s vysokou přesností. Vzorky byly uchyceny do čelistí a předepnuty silou 5N. Pro videoprůtahoměr byly uprostřed vzorku vytvořeny markery ve vzdálenosti 50 mm. Norma EN ISO vyžaduje změření min. 5 vzorků, které je třeba změřit pro každou dávku.

Pět křivek síla-dráha vzorků ABS ukázalo, že kromě jednoho vzorku všechny ostatní vykazují dobrou opakovatelnost. Výsledky z ostatních dávek byly taktéž opakovatelné. Vzorky v dávce materiálu ABS Magnum vykazují větší odchylky tažnosti, zatímco křivky Síla-Dráha byly opakovatelné.

Pomocí infračervené spektroskopie je možné analyzovat polymery tvaru vzorků pro tahové zkoušky (EN ISO 527-1/2) na povrchu na jejich homogenitu. Uvedené výsledky byly potvrzeny pro celý vzorek pomocí tahové zkoušky (podle EN ISO 527-1/2) vzorků materiálu.

tags: #infracervene #spektrum #polystyrenu

Oblíbené příspěvky: