Використання БлІЧ-спектроскопії для дослідження полімерних матеріалів

Використання БлІЧ-спектроскопії для дослідження полімерних матеріалів

Вступ

Ближня інфрачервона спектральна область охоплює діапазон довжин хвиль від 780 нм до 2500 нм (діапазон хвильових чисел від 12800 см-1 до 4000 см-1). В спектрах БлІЧ області представлені головним чином обертони коливань C-H, N-H, O-H і S-H і комбінації основних типів коливань середньої інфрачервоної області. Вони несуть складну хімічну і фізичну інформацію, для використання якої в більшості випадків потрібна складна математична обробка. Смуги в БлІЧ області значно слабші і ширші, ніж смуги основних коливань в середній ІЧ області, від яких вони походять. Так як абсорбційна здатність в БлІЧ області мала, випромінювання здатне проникати в матеріал (включаючи тверді речовини) на кілька міліметрів. Крім того, багато речовин, такі як скло, є відносно прозорими в цій області довжин хвиль. Вимірювання в БлІЧ області можуть проводитися, як в автономному режимі (off-line), так і в потоковому режимі (at-line, in-line, on-line) для виробничо-аналітичної технології.

Використання БлІЧ спектроскопії

Полімерні матеріали позиціонуються як нові конструкційні матеріали, що прискорюють технологічний процес за рахунок створення речовин з покращеними механічними і фізичними властивостями.

полімерні матеріали | новації

Рис.1. Приклади полімерних матеріалів

Високий рівень міцності, висока еластичність і ізоляційні властивості полімерної продукції дозволяють використовувати її в різних галузях, наприклад як геомембрани, спортивне обладнання, захисні оболонки та ін. Механічні та фізичні властивості полімерних матеріалів будуть залежати від якості сировини, з якої виготовлена та чи  інша продукція. Тому важливим етапом у технологічному процесі виробництва є контроль якості хімічної сировини,  проміжних та кінцевих продуктів виробництва.

БлІЧ спектроскопія має широку область застосування у хімічному і фізичному аналізі та виробничій  практиці. Так, з точки зору хімічного аналізу БлІЧ спектроскопія може застосовуватись для ідентифікація активних субстанцій, допоміжних речовин, готових лікарських форм, проміжних продуктів виробництва, хімічної сировини та пакувальних матеріалів. Також можливе застосування для кількісного визначення вмісту активних субстанцій у матриці зразку. Використання БлІЧ спектроскопії у фізичному аналізі може стосуватись визначення таких параметрів як кристалічна форма, кристалічність, поліморфізм, розмір частинок, твердість і властивості плівок. БлІЧ спектроскопія може використовуватись у виробничому процесі для моніторингу таких операцій, як процеси змішування, висушування, гранулювання і покриття оболонкою з метою контролю технології процесу, та для визначення кінцевих точок цих процесів.

Широке поширення методу БлІЧ спектроскопії обумовлено доступністю і надійністю сучасних компактних приладів, що характеризуються своєю економічністю, портативністю, простотою використання і гнучкістю в установці. Такі інструменти  можна легко застосовувати для аналізу полімерів в різних формах – плівки, порошки, гранули, розчини.

Прикладом застосування даного методу може слугувати представлене дослідження, метою якого постала верифікація проміжних продуктів полімерного походження. Для проведення дослідження використали такі зразки: полімери без присадок, полімери, що модифіковані присадками і присадки.

MicroNIR onsite-W | новації

Рис.2. Вигляд приладу MicroNIR onsite-W

Вимірювання проводилось на приладі БлІЧ-спектрометр MicroNIR Onsite-W (виробник VIAVI Solutions, США). Джерело випромінювання – дві вбудовані вакуумні вольфрамові лампи, детектор – 128-елементна InGaAs фотодіодна лінійка, з сапфіровим вікном із зовнішнім діаметром 30 мм, рис.2. Діапазон довжин хвиль становив 950 – 1650 нм (10,526 – 6060 см-1).

Проведення вимірювань

Підготовлений для дослідження зразок підносили до спектрометра так, щоб зразок торкався сапфірового віконця. Вимірювали спектри кожного з матеріалів на всьому діапазоні довжин хвиль. Зразки полімерів аналізували 10 разів, зразки присадок – 5 разів, повністю повторюючи схему пробопідготовки та умови аналізу.

Обговорення результатів

Візуальний аналіз БлІЧ спектрів полімерних матеріалів дозволив виявити відмінності між спектрами полімеру без присадок та з присадками. В спектрах полімеру (рис.3) видно невеликі розбіжності в області від 1350 нм до 1650 нм, що обумовлено внеском характеристичних піків спектрів присадок у спектри полімеру з присадками.

спектр полімеров | новації

Рис. 3. БлІЧ cпектри полімерних матеріалів

Для подальшого опрацювання спектрів, що одержуються в режимі реального відображення, а також при розробці калібрувальної моделі, необхідно проводити попередню математичну обробку даних спектрів. Це може бути зроблено з метою зменшення мінливості базової лінії чи інших нерелевантних факторів, які впливають на спектральних набір математичної моделі. У деяких випадках спектри також можуть бути  нормалізовані для зменшення розкиду даних. Попередня спектральна обробка також включає застосування похідної першого або другого порядку. Похідні вищих порядків використовувати не рекомендується з огляду на зростаючий вплив спектрального шуму. Для інтерпретації спектрів полімерних матеріалів  застосували  обробку Standard Normal Variate (SNV) і першу похідну, рис.4.

спектри полімеров | новації

Рис. 4. БлІЧ cпектри полімерних матеріалів після обробки

При дослідженні даних методом головних компонент (Principal Components Analysis, PCA), особлива увага приділяється діаграмам розкиду головних компонент. Вони несуть в собі інформацію, корисну для розуміння того, як співвідносяться дані. На діаграмі розкиду кожен зразок зображується точкою в координатах головних компонент. Відносна близькість двох точок свідчить про схожість їх спектрів, тоді як відносно далеке розташування точок показує їх відмінність. Діаграма розкиду значень головних компонент полімерних матеріалів представлено на рис.5.

даграмма полімеров | новації

Рис. 5. Діаграма розкиду значень головних компонент для проаналізованих  полімерних матеріалів

Хемометричний аналіз спектрів показав істотні відмінності між полімером без присадок і полімером з присадками, оскільки групи спектрів є ізольованими одна від одної. Спектральні дані полімеру з присадками впевнено є значно більшою, ніж розкид точок в межах кожної з груп. Аналіз даної діаграми розкиду значень головних компонент підтверджує можливість використання БлІЧ-спектроскопії для верифікації сировини  та проміжних продуктів в конкретній задачі.

Висновок

БлІЧ-спектроскопія використовується для верифікації сировини, контролю проміжних і кінцевих продуктів. Застосування БлІЧ-спектроскопії на різних диференціюються від спектрів присадок, оскільки віддаленість між даними групами етапах контролю і у технологічному процесі при виготовленні полімерних матеріалів дозволяє оптимізувати виробництво, знизити витрати і підвищити якість продукції.  Даний приклад дослідження може слугувати початковим оціночним етапом при розробці БлІЧ методу для контролю якості проміжних і кінцевих продуктів.

Якщо ви знайшли помилку, будь ласка, виділіть фрагмент тексту та натисніть Ctrl+Enter.

Повідомити про помилку

Текст, який буде надіслано нашим редакторам: