Erforschen Sie die Polymercharakterisierung (Teil 1): Techniken und ihre Auswirkungen

Polymere sind Materialien, die aus einer Kette sich wiederholender kleiner Monomere bestehen und fast überall zu finden sind. Es gibt natürliche Polymere wie Wolle und Zellulose, aber die meisten Menschen sind eher mit der größten Gruppe synthetischer Polymere vertraut: Kunststoffe. Doch mit der wachsenden Besorgnis über die Auswirkungen von Kunststoffen auf die Nachhaltigkeit werden Techniken zur Polymercharakterisierung immer wichtiger.

Diese Techniken können eine Vielzahl von Messungen und Erkenntnissen über die Eigenschaften von Polymeren liefern. Man kann eine Plastikflasche nehmen und herausfinden, aus welchen Polymeren sie besteht, einschließlich der Additive, die ihre Eigenschaften verbessern oder verändern. Oder man beginnt mit isolierten Polymeren, untersucht ihre Molekularstruktur, z. B. ob sie in einer kristallinen oder amorphen Phase angeordnet ist, und nutzt diese Informationen, um neue Generationen von Plastikflaschen zu entwerfen.

So können Innovationen in der Polymercharakterisierung helfen, neue Materialien mit gewünschten Eigenschaften zu entwerfen. Wie hat unser gesteigertes Verständnis von Polymeren und verwandten Analysetechnologien unsere Fähigkeit verbessert, funktionellere und nachhaltigere Materialien zu entwerfen?

Die breite Palette der Techniken zur Polymercharakterisierung

Die Polymercharakterisierung umfasst viele chemische Analysetechniken, die die chemischen Eigenschaften des Polymers untersuchen, wie dessen elementare, molekulare Zusammensetzung oder molekulare Phasen.

Zum Beispiel analysiert die Röntgenfluoreszenz (XRF) die elementare Zusammensetzung von Polymeren. Diese Informationen können im Entwurfsstadium helfen, indem sie sicherstellen, dass die Zusammensetzung eines Kunststoffs innerhalb der erwarteten Parameter liegt. Aber sie ist auch für das Recycling unerlässlich: XRF kann die elementare Zusammensetzung in einem Kunststoff messen, um zu zeigen, wie recycelbar er ist, und die Arten der enthaltenen Additive zu identifizieren, wie Lichtschutzmittel, Antistatika, Farbstoffe und Füllstoffe.

XRF ist auch in der Polymerherstellung nützlich, da es die Katalysatoren und deren Konzentrationen zur Herstellung von Polymeren bestimmen kann. Diese Polymerisationskatalysatoren sind teuer: deren Quantifizierung hilft Herstellern, zu verstehen, wie effektiv ein Katalysator ist, und stellt sicher, dass Hersteller die optimale Menge an Katalysator für die Produktionskosten verwenden.

Röntgenbeugung (XRD) konzentriert sich auf die Struktur oder Phasen von Polymeren. Es hilft, Polymere auf eine bestimmte Eigenschaft zuzuschneiden, indem ihr kristalliner/amorpher Anteil analysiert wird. Dieses Verhältnis ist entscheidend für die Eigenschaften eines Polymers: Zugfestigkeit, Schlagzähigkeit und Opazität werden alle vom besonderen kristallinen/amorpheren Verhältnis beeinflusst.

Zum Beispiel, wenn ein Polymer gedehnt wird, kann es kristallisieren, was es härter, aber auch spröder macht. Eine Abstimmung der molekularen Parameter kann dieses Kristallisationsverhalten unter Belastung so verändern, dass es zur Anwendung passt.

Differenzscanningkalorimetrie (DSC) misst den Wärmestrom während des Erhitzens oder Abkühlens, was hilft, thermische Übergänge wie Schmelzpunkte und Glasübergänge zu analysieren. DSC trägt zur Verbesserung von Herstellungsprozessen bei, indem es die Schmelzkurven eines Polymers identifiziert, was den Herstellern ermöglicht, die optimale Mischung von Additiven sowie die Verarbeitung des Polymers im großen Maßstab und dessen Extrusion zu bestimmen.

Was ein besseres Verständnis von Polymeren bewirken kann

Die Kontrolle über Gestaltungs- und Fertigungsprozesse, die diese Technologien bieten, führt zu vielen Verbesserungen in der Funktionalität und Nachhaltigkeit von Polymeren. Zum Beispiel, wenn Farbstoffe inkrementell hinzugefügt werden, bis die gewünschte Farbe erreicht ist, kann XRF das ideale Verhältnis von Farbstoffen zu Polymer anzeigen, was Kosten für teure Farbstoffe spart. Da Farbstoffe oft teurer als das Polymer selbst sind, lohnt es sich, mit XRF zu prüfen.

Ein weiterer Vorteil sind stabilere Kunststoffe. Wenn die Langlebigkeit und Haltbarkeit des Kunststoffs wichtige Eigenschaften sind, können Hersteller UV-Stabilisatoren hinzufügen, um zu verhindern, dass das Polymer im Sonnenlicht spröde wird. Solche Additive sind in den richtigen Proportionen nützlich, können aber den Kunststoff schwächen, wenn zu viel oder zu wenig hinzugefügt wird – die Polymercharakterisierung hilft Herstellern, ein Gleichgewicht zu finden.

Die Polymercharakterisierung ist auch wichtig für die Einhaltung internationaler Vorschriften. Eine Herausforderung für Charakterisierungstechnologien in diesem Kontext ist die Fähigkeit, chemische Analysen bereitzustellen, die den neuesten regulatorischen Standards entsprechen. Malvern Panalytical steht in Kontakt mit Normungsorganisationen wie ISO und ASTM International sowie mit Regulierungsbehörden wie einem der EU Joint Research Centres (dem Institut für Referenzmaterialien und -messungen), um sicherzustellen, dass seine Instrumente stets den höchsten Erwartungen entsprechen.

Durch die Kombination von Innovation mit Regulierung und technischer Unterstützung für unsere Kunden streben wir danach, die besten Techniken zur Polymercharakterisierung in die Hände von Forschern und Herstellern zu legen. 

Stellen Sie sicher, dass Sie das Beste aus den neuesten Innovationen in der Polymercharakterisierung herausholen – lesen Sie unsere Seite zum Polymerrecycling, um mehr zu erfahren.

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