Использование БлИК-спектроскопии для исследования полимерных материалов

Использование БлИК-спектроскопии для исследования полимерных материалов

Введение

Ближняя инфракрасная спектральная область охватывает диапазон длин волн от 780 нм до 2500 нм (диапазон волновых чисел от 12800 см-1 до 4000 см-1). Спектры в БлИК области представлены обертонами колебаний C-H, N-H, O-H и S-H и комбинациями основных типов колебаний средней инфракрасной области. Они несут химическую и физическую информацию, для использования которой требуется математическая обработка. Полосы в ближней ИК области слабее и шире, чем полосы основных колебаний в средней ИК области. Так как абсорбционная способность в блИК области мала, то излучение может проникать в материал (включая твердые вещества) на несколько миллиметров. Кроме того, многие вещества, такие как стекло, являются относительно прозрачными в этой области длин волн. Измерения в блИК области могут проводиться в автономном режиме (off-line) и в потоковом режиме (at-line, in-line, on-line) для производственно-аналитической технологии.

Использование БлИК-спектроскопии

Полимерные материалы относятся к новым конструкционным материалам, ускоряющим технологический процесс за счет создания веществ с улучшенными механическими и физическими свойствами.

полімерні матеріали | новації

Рис.1. Примеры полимерных материалов

Высокий уровень прочности, высокая эластичность и изоляционные свойства полимерной продукции позволяют использовать ее в различных отраслях, таких как геомембраны, спортивное оборудование, защитные оболочки и др. Механические и физические свойства полимерных материалов будут зависеть от качества сырья, из которого изготовлена ​​та или иная продукция. Поэтому важным этапом в технологическом процессе производства является контроль качества химического сырья, промежуточных и конечных продуктов производства.

БлИК-спектроскопия имеет широкую область применения в химическом, физическом анализе и производственном процессе. Так, с точки зрения химического анализа БлИК-спектроскопия применяется для идентификация активных субстанций, вспомогательных веществ, готовых лекарственных форм, промежуточных продуктов производства, химического сырья и упаковочных материалов. Также возможно применение для количественного определения содержания активных субстанций в матрице образца. Использование БлИК-спектроскопии в физическом анализе может касаться определения таких параметров как кристаллическая форма, кристалличность, полиморфизм, размер частиц, твердость и свойства пленок. БлИК-спектроскопия может использоваться в производственном процессе для мониторинга таких операций, как процессы смешивания, сушки, гранулирования и покрытия оболочкой с целью контроля технологий процесса, и для определения конечных точек этих процессов.

Широкое распространение метода БлИК-спектроскопии обусловлено доступностью и надежностью современных компактных приборов, характеризующихся своей экономичностью, портативностью, простотой использования и гибкостью в установке. Такие инструменты можно легко применять для анализа полимеров в различных формах – пленки, порошки, гранулы, растворы.

Примером применения данного метода может служить представленное исследование, целью которого являлась верификация промежуточных продуктов полимерного происхождения. Для проведения исследования использовали такие образцы: полимеры без присадок, полимеры, модифицированные присадками и присадки.

MicroNIR onsite-W | новації

Рис.2. Прибор MicroNIR onsite-W

Измерение проводилось на приборе БлИК-спектрометр MicroNIR Onsite-W (производитель VIAVI Solutions, США). Источник излучения – две встроенные вакуумные вольфрамовые лампы, детектор – 128-элементная InGaAs фотодиодная линейка, с сапфировым окном с внешним диаметром 30 мм, рис.2. Диапазон длин волн составлял 950 – 1650 нм (10,526 – 6060 см-1).

Проведение измерений

Подготовленный для исследования образец подносили к спектрометру так, чтобы образец касался сапфирового окна. Измеряли спектры каждого из материалов на всем диапазоне длин волн. Образцы полимеров анализировали 10 раз, образцы присадок – 5 раз, полностью повторяя схему пробоподготовки и условия анализа.

Обсуждение результатов

Визуальный анализ БлИК-спектров полимерных материалов позволил выявить различия между спектрами полимера без присадок и с присадками. В спектрах полимера (рис.3) видны небольшие различия в области от 1350 нм до 1650 нм, что обусловлено вкладом характеристических пиков спектров присадок в спектры полимера с присадками.

спектр полимеров | новации

Рис. 3. БлИК спектры полимерных материалов

Для дальнейшей обработки спектров, полученных в режиме реального времени, а также в процессе разработки калибровочной модели, необходимо проводить предварительную математическую обработку данных спектров. Это может быть сделано с целью уменьшения изменчивости базовой линии или других нежелательных факторов, влияющих на спектральных набор математической модели. В некоторых случаях спектры также могут быть нормализованы для уменьшения разброса данных. Предварительная спектральная обработка также включает применение производной первого или второго порядка. Производные высших порядков использовать не рекомендуется из-за растущего влияния спектрального шума. Для интерпретации спектров полимерных материалов применяли обработку Standard Normal Variate (SNV) и первую производную, рис.4.

спектры полимеров | новации

Рис. 4. БлИК спектры полимерных материалов после обработки

 При исследовании данных методом главных компонент (Principal Components Analysis, PCA), особое внимание уделяется диаграммам разброса главных компонент. Они несут в себе информацию, полезную для понимания того, как соотносятся данные. На диаграмме разброса каждый образец изображается точкой в ​​координатах главных компонент. Близость двух точек свидетельствует о сходстве их спектров, а относительное отдаление показывает их различие. Диаграмма разброса значений главных компонент полимерных материалов представлена на рис.5.

Диаграмма полимерных материалов | новации

Рис. 5. Диаграмма разброса значений главных компонент проанализированных полимерных материалов

Хемометрический анализ спектров показал существенные различия между полимером без присадок и полимером с присадками, поскольку группы спектров являются изолированными друг от друга. Спектральные данные полимера с присадками дифференцируются от спектров присадок, поскольку отдаленность между данными группами значительно больше, чем разброс точек в пределах каждой из групп. Анализ данной диаграммы разброса значений главных компонент подтверждает возможность использования БлИК-спектроскопии для верификации сырья и промежуточных продуктов в конкретной задаче.

Выводы

БлИК-спектроскопия используется для верификации сырья, контроля промежуточных и конечных продуктов. Применение БлИК-спектроскопии на разных этапах контроля в технологическом процессе при изготовлении полимерных материалов позволяет оптимизировать производство, снизить затраты и повысить качество выпускаемой продукции. Данный пример исследования может служить начальным оценочным этапом при разработке БлИК метода для контроля качества промежуточных  и конечных продуктов.

Если вы нашли ошибку, пожалуйста, выделите фрагмент текста и нажмите Ctrl+Enter.

Сообщить об опечатке

Текст, который будет отправлен нашим редакторам: