Classification of polyethylene by Raman spectroscopy

Význam tématu

Polyethylen (PE) je jedním z nejrozšířenějších plastů s roční produkcí kolem 80 milionů tun. Rozlišení vysokohustotního (HDPE) a nízkohustotního (LDPE) PE je zásadní pro správné aplikace vzhledem k rozdílným mechanickým vlastnostem. Standardní metody měření hustoty vyžadují čisté vzorky a složitou přípravu v případě vícevrsvých fólií. Ramanova mikroskopie umožňuje konfokální analýzu v místě vzorku bez nutnosti separace vrstev a poskytuje molekulární informace o krystalinitě, která koreluje s hustotou.

Cíle a přehled studie

Cílem bylo ověřit schopnost konfokální Ramanovy mikroskopie v kombinaci s diskriminační analýzou (PCA) k rozlišení HDPE a LDPE ve formě granulí i tenkých fólií. Pro kalibraci bylo použito 12 vzorků (mix granulí a fólií) a k validaci 4 nezávislé vzorky s předem známou hustotou.

Použitá metodika a instrumentace

Spektra byla snímána na Thermo Scientific DXR2 Raman Microscope s laserem 532 nm (2 mW), objektivem 10× a štěrbinou 50 µm. Data byla akumulována 30 s (10×3 s) na 3–4 bodech vzorku a zprůměrována. Předzpracování zahrnovalo Norrisovu 2. derivaci a standardní normální variaci (SNV). Chemometrická analýza byla provedena v softwaru TQ Analyst s PCA zaměřenou na oblasti CH2 ohybu (1398–1470 cm⁻¹) a CH strečinku (2825–2970 cm⁻¹).

Hlavní výsledky a diskuse

- Oblasti 1416 a 1440 cm⁻¹ (CH2 ohyb) a 2848 a 2882 cm⁻¹ (CH2 strečink) se liší podle míry krystalinity a hustoty PE.
- PCA model se 5 hlavními komponentami pokryl 99,7 % variability spekter.
- Vzorové třídy HDPE a LDPE byly úspěšně rozlišeny s Mahalanobisovou vzdáleností M<3.
- Validace na 4 referenčních vzorcích potvrdila správnou klasifikaci.

Přínosy a praktické využití metody

• Nedestruktivní analýza bez nutnosti separace vrstev.
• Rychlé výsledky v řádu minut.
• In situ měření vícevrsvých fólií.

Budoucí trendy a možnosti využití

• Quantitativní kalibrace pro přesné stanovení hustoty PE.
• Nasazení v reálném čase pro průmyslovou kontrolu kvality.
• Využití modernějšího přístroje DXR3 pro zvýšení rychlosti a citlivosti.

Závěr

Konfokální Ramanova mikroskopie ve spojení s PCA diskriminační analýzou je efektivní a rychlá metoda pro klasifikaci PE granulí i fólií podle hustoty. Metoda je nedestruktivní, vyžaduje minimální přípravu a umožňuje in situ analýzu vícevrsvých materiálů.

Reference

• Piringer O.G. a Baner A.L.: Plastic Packaging: Interactions with Food and Pharmaceuticals, Wiley-VCH, 2008.
• ISO 1183-1:2012, ISO 1183-2:2004, ASTM D792-13, ASTM D1505-10, ASTM D4883-08.
• Strobl G.R. a Hagedorn W.: J. Polym. Sci. B Polym. Phys. 1978, 16, 1181–1193.
• Sato H. et al.: J. Appl. Polym. Sci. 2002, 86, 443–448.
• Migler K.B. et al.: Macromolecules 2015, 48, 4555–4561.
• Simone E. et al.: Chem. Eng. Res. Des. 2014, 92, 594–611.
• Huang J. et al.: Am. Pharm. Rev. 2010, 13(6).
• Thermo Scientific Product Overview: TQ Analyst Software Chemometric Algorithms, 2009.
• Mieth A. et al.: Guidance for the identification of polymers in multilayer films, EUR 27816 EN, 2016.