طرق شائعة مفصلة للغاية لتحليل تركيبة البلاستيك المعدلة

طرق شائعة مفصلة للغاية لتحليل تركيبة البلاستيك المعدلة

يحدد هيكل مواد البوليمر خصائصها. ومن خلال التحكم في البنية وتعديلها، يمكن الحصول على مواد بوليمرية ذات خصائص مختلفة. من أجل فهم تركيبة المواد الخام المشتراة أو إجراء هندسة عكسية لصياغة مواد السوق، تحتاج العديد من مختبرات البحث والتطوير التابعة لمصانع التعديل إلى تحليل تركيبة المواد البلاستيكية. للتحليل العكسي للمواد العادية، عادةً ما يستخدم فنيو المؤسسات أساليب مجهرية تعتمد على الخبرة، مثل الحرق بالنار أو العض بالأسنان، لإصدار الأحكام. بالنسبة لبعض المواد المعقدة، عادة ما تكون هناك حاجة إلى أساليب تجريبية احترافية.

لتحليل تركيب المواد المعقدة، يتم استخدام طرق التحليل المجهري في المقام الأول، وذلك باستخدام تجارب مثل GPC، وXRD، والتحليل الطيفي للأشعة تحت الحمراء، وقياس الطيف الكتلي، وما إلى ذلك. من خلال الخطوات الخمس الرئيسية للتقييم، والمعالجة المسبقة، وتحليل الأدوات، ومطابقة المكتبة الطيفية، والتحليل العكسي، يمكن الحصول على معلومات طيفية دقيقة. يمكن لهذه المعلومات، بالإضافة إلى خبرة التطوير الواسعة، أن تساعد موظفي البحث والتطوير على إعادة بناء تركيبة التركيبات البلاستيكية.

اليوم، قمنا بتجميع العديد من الطرق التجريبية شائعة الاستخدام لتركيب البلاستيك المعدل وتحليل الهيكل. عندما تواجه مواد غير مألوفة، فلن تشعر بالارتباك بعد الآن! (نظرًا لتنوع الأساليب التجريبية ومحدودية طول المقالة، تسرد هذه المقالة بعض الطرق الشائعة فقط.)

I. GPC – الوزن الجزيئي وتوزيعه

المبادئ الأساسية:
GPC هو نوع خاص من اللوني السائل. الأداة المستخدمة هي في الأساس نظام كروماتوغرافيا سائلة عالي الأداء (HPLC)، تم تكوينه بشكل أساسي بمضخة تسريب، وحاقن، وعمود كروماتوغرافي، وكاشف تركيز، ونظام معالجة بيانات الكمبيوتر.
يتم استخدام هذه الطريقة التجريبية في المقام الأول في مجال البوليمر، مع المذيبات العضوية باعتبارها الطور المتحرك (على سبيل المثال، الكلوروفورم، THF، DMF). تشتمل حشوات الطور الثابت الشائعة على بوليمرات ستيرين- ديفينيل بنزين المشتركة.

يكمن الاختلاف الأكثر وضوحًا عن HPLC في نوع (طبيعة) الأعمدة الكروماتوغرافية المستخدمة. يقوم HPLC بفصل الجزيئات بناءً على التقارب بين الجزيئات المختلفة في العينة والحشو الموجود في العمود، بينما يخضع فصل GPC بشكل أساسي لآلية استبعاد الحجم.
عندما تدخل العينة التي تم تحليلها العمود مع الطور المتحرك بمعدل تدفق ثابت عبر مضخة التسريب، يتم استبعاد جزيئات البوليمر الأكبر ذات الأحجام التي تتجاوز حجم مسام الجل من اختراق مسام الجل ويمكن أن تتدفق فقط بين جزيئات الهلام، ويتم الشطف أولاً من العمود بأصغر حجم شطف (أو وقت). يمكن لجزيئات البوليمر متوسطة الحجم أن تخترق بعض المسام الكبيرة في الهلام ولكن ليس المسام الأصغر، وتتم إزالتها لاحقًا قليلًا باستخدام حجم شطف أكبر قليلاً. يمكن لجزيئات بوليمر أصغر بكثير ذات أحجام أصغر من حجم مسام الجل أن تخترق مسام الهلام بشكل كامل، وتتخلص من آخر العمود الذي يحتوي على أكبر حجم شطف.

ولذلك، فإن حجم شطف البوليمرات يرتبط بحجم جزيئات البوليمر، أي الوزن الجزيئي. كلما زاد الوزن الجزيئي، قل حجم الشطف. تتم إزالة البوليمرات المنفصلة بشكل مستمر من العمود من أجل تقليل الوزن الجزيئي وإدخالها إلى كاشف التركيز.

المعايير:
البوليسترين (PS، قابل للذوبان في المذيبات العضوية المختلفة).
بولي (ميثيل ميثاكريلات) (PMMA).
بولي (أكسيد الإيثيلين) (PEO، المعروف أيضًا باسم بولي أوكسي إيثيلين، قابل للذوبان في الماء). بولي إيثيلين جلايكول (PEG، قابل للذوبان في الماء).
يمتلك PEO وPEG نفس العمود الفقري لسلسلة الكربون، ولكن تختلف مواد التوليف والمجموعات النهائية. بسبب خصائص المواد الخام، يختلف الوزن الجزيئي وبنية منتجاتها. غالبًا ما يشير PEO إلى بولي (أكسيد الإيثيلين) مع أحد الطرفين المغطى بالميثيل والطرف الآخر المغطى بالهيدروكسيل، بينما يشير PEG عمومًا إلى البولي إيثيلين جلايكول مع تغطية كلا الطرفين بالهيدروكسيل.

على سبيل المثال، التغيرات في توزيع الوزن الجزيئي لمطاط الستايرين بوتادين أثناء التلدين:

تم أخذ العينات على فترات منتظمة أثناء عملية التلدين للتحليل. وتظهر النتائج في الشكل. ومع زيادة الوقت، يزداد انقسام المكونات ذات الوزن الجزيئي العالي، ويتحول منحنى GPC نحو الأوزان الجزيئية الأقل. وبعد 25 دقيقة، تختفي المكونات ذات الوزن الجزيئي العالي بشكل شبه كامل. إذا كان الغرض من التلدين هو القضاء على هذه المكونات، فإن 25 دقيقة كافية. يمكن أن تساعد بيانات GPC العمال في تحديد وقت التلدين.

ثانيا. التحليل الطيفي للأشعة تحت الحمراء – المجموعات الوظيفية، التركيب الكيميائي

1. المبادئ الأساسية:
التحليل الطيفي هو طريقة لتحديد المواد وتحديد تركيبها الكيميائي أو تركيبها أو محتواها النسبي بناءً على أطيافها. وفقًا لمبادئ التحليل، تنقسم التقنيات الطيفية بشكل أساسي إلى التحليل الطيفي للامتصاص، والتحليل الطيفي للانبعاث، والتحليل الطيفي للانتثار. بناءً على حالة المادة المقاسة، يتم تصنيف التقنيات الطيفية في المقام الأول إلى التحليل الطيفي الذري والتحليل الطيفي الجزيئي. ينتمي التحليل الطيفي للأشعة تحت الحمراء إلى التحليل الطيفي الجزيئي، مع نوعين من التحليل الطيفي لانبعاث الأشعة تحت الحمراء وامتصاص الأشعة تحت الحمراء، ويشيع استخدام التحليل الطيفي لامتصاص الأشعة تحت الحمراء.

2. تطبيقات في أبحاث المواد البوليمرية:

• تحليل وتحديد البوليمرات

البوليمرات لها أنواع وأطياف معقدة. المواد المختلفة لها هياكل مختلفة، مما يؤدي إلى أطياف مقابلة مختلفة. ولذلك، يجب مقارنة نتائج التحليل مع الأطياف القياسية للحصول على النتائج النهائية.

• قياس تبلور البوليمر

نظرًا لصعوبة الحصول على عينات بوليمر بلورية بالكامل، فإن التحليل الطيفي لامتصاص الأشعة تحت الحمراء وحده لا يمكنه قياس الكمية المطلقة للتبلور بشكل مستقل ويتطلب نتائج مجمعة من طرق اختبار أخرى.
على سبيل المثال، حيود الأشعة السينية، وطريقة الكثافة، وكالوريمتر المسح الضوئي التفاضلي (DSC)، وامتصاص الرنين المغناطيسي النووي (NMR)، وما إلى ذلك.

ثالثا. التحليل الطيفي للأشعة فوق البنفسجية – تحديد الهوية، واختبار الشوائب، والتقدير الكمي

المبادئ الأساسية:
عندما يشع الضوء جزيئات أو ذرات العينة، تمتص الإلكترونات الخارجية الضوء فوق البنفسجي ذي الأطوال الموجية المحددة، وتنتقل من الحالة الأرضية إلى الحالة المثارة، مما ينتج عنه طيفًا. نطاق الطول الموجي للأشعة فوق البنفسجية هو 10-400 نانومتر. تسمى الأطوال الموجية في نطاق 10-200 نانومتر الضوء فوق البنفسجي البعيد، بينما تسمى الأطوال الموجية في نطاق 200-400 نانومتر الضوء فوق البنفسجي القريب. بالنسبة لتوصيف بنية المادة، يكون التركيز بشكل أساسي في نطاق الطول الموجي للأشعة فوق البنفسجية والمرئية، أي 200-800 نانومتر.

• التحليل النوعي:

مناسبة بشكل خاص لتحديد الأنظمة المترافقة، واستنتاج البنية الهيكلية للمواد غير المعروفة، ويمكن استخدامها مع التحليل الطيفي للأشعة تحت الحمراء، والتحليل الطيفي بالرنين المغناطيسي النووي، وما إلى ذلك، لتحديد النوعي والتحليل الهيكلي. يتم إجراء الاختبار النوعي من خلال مقارنة منحنيات طيف الامتصاص والعلاقة بين أطوال موجات الامتصاص القصوى.

• قياس تبلور البوليمر

نظرًا لصعوبة الحصول على عينات بوليمر بلورية بالكامل، فإن التحليل الطيفي لامتصاص الأشعة تحت الحمراء وحده لا يمكنه قياس الكمية المطلقة للتبلور بشكل مستقل ويتطلب نتائج مجمعة من طرق اختبار أخرى.
على سبيل المثال، حيود الأشعة السينية، وطريقة الكثافة، وكالوريمتر المسح الضوئي التفاضلي (DSC)، وامتصاص الرنين المغناطيسي النووي (NMR)، وما إلى ذلك.

رابعا. اختبار قياس الطيف الكتلي

1. المبادئ الأساسية:
قياس الطيف الكتلي هو تقنية متخصصة تستخدم على نطاق واسع في مجالات مختلفة لتحديد المركبات عن طريق تحضير وفصل وكشف أيونات الطور الغازي. يوفر قياس الطيف الكتلي معلومات هيكلية غنية في تحليل واحد. يعد الجمع بين تقنيات الفصل مع قياس الطيف الكتلي إنجازًا كبيرًا في علم الفصل. من بين العديد من طرق الاختبار التحليلي، يعتبر قياس الطيف الكتلي طريقة عالمية ذات خصوصية وحساسية عالية، ويتم تطبيقه على نطاق واسع. يعد قياس الطيف الكتلي طريقة مريحة وموثوقة لتوفير الوزن الجزيئي والصيغة الكيميائية للمركبات العضوية، كما أنه وسيلة مهمة لتحديد المركبات العضوية.
بعد التبخير، تدخل جزيئات الغاز عينة إلى غرفة التأين. تم تجهيز أحد طرفي غرفة التأين بفتيل كاثود، والذي ينتج شعاعًا إلكترونيًا عند كهربته. تحت تأثير شعاع الإلكترون، تفقد الجزيئات الإلكترونات، وتتفكك إلى أيونات، وتنقسم أيضًا إلى أيونات مجزأة ذات أعداد كتلية مختلفة بشحنات. يعتبر مصدر الأيونات هذا هو الأكثر استخدامًا في أجهزة قياس الطيف الكتلي ويسمى 'مصدر الأيونات ذات التأثير الإلكتروني'.

2. التطبيقات في مواد البوليمر:

• تحليل المونومرات والوسائط والمواد المضافة في مواد البوليمر

كما هو موضح في طيف الكتلة أدناه، يمكن تحديد أن الجزيء المجهول يحتوي على مجموعة كربوكسيل واحدة ومجموعة ميثيل واحدة، والجزء المتبقي يمكن أن يكون فقط -CO2 أو -C3H4. ومع ذلك، فإن هذا الأخير هو الأرجح.

• توصيف البوليمرات

يحتوي كل مركب بوليمر على صيغة جزيئية وبنية جزيئية مختلفة. يشبه طيف الكتلة 'بطاقة الهوية' الخاصة بمادة البوليمر. بناءً على طيف كتلته، يمكن تحديد مادة البوليمر الموجودة فيه.

V. حيود الأشعة السينية (XRD) - تحديد تبلور البوليمر

1. المبادئ الأساسية:
الأشعة السينية هي نوع من الإشعاع الكهرومغناطيسي ذو أطوال موجية قصيرة جدًا (حوالي 10-8 إلى 10-12 مترًا)، بين الأشعة فوق البنفسجية وأشعة جاما. تم اكتشافها من قبل الفيزيائي الألماني رونتجن في عام 1895. يمكن للأشعة السينية أن تخترق مواد ذات سماكة معينة ويمكن أن تسبب توهج المواد الفلورية، وحساسية المستحلبات الفوتوغرافية، وتأيين الغازات.

2. تطبيقات XRD:
سيركز هذا القسم على تطبيق أو حساب XRD في بلورة البوليمر.
تشمل صيغ حساب تبلور السليلوز الطبيعي الأربعة التالية:

استنادا إلى الشكل أدناه، يمكن ملاحظة أن مستويات الحيود البلورية الأربعة للسليلوز الطبيعي لها عرض كبير لنصف الذروة، وتداخل عالي بين قمم الحيود، وتداخل كبير بين المراحل البلورية وغير المتبلورة، مما يجعل من الصعب تحديد موقع الذروة غير المتبلورة.

سادسا. تشتت الأشعة السينية ذات الزاوية الصغيرة (SAXS) - ترتيب البلورات على المقياس الذري

1. المبادئ الأساسية:
تُجبر الذرات الموجودة في البلورة على الاهتزاز تحت تأثير الأشعة السينية الساقطة، لتشكل مصدرًا جديدًا للأشعة السينية التي تنبعث منها أشعة سينية ثانوية.
إذا كانت العينة المشععة ذات بنية غير دورية ذات كثافات إلكترونية مختلفة، فإن الأشعة السينية الثانوية لن تتداخل، وهي ظاهرة تعرف باسم تشتت الأشعة السينية المنتشرة. يجب قياس تشتت الأشعة السينية عند زوايا صغيرة، ومن ثم يطلق عليه تشتت الأشعة السينية ذات الزاوية الصغيرة.

2. متطلبات إعداد العينة:

• العينات السائبة: إذا كانت العينة السائبة سميكة جدًا بحيث لا يمكن للشعاع المرور من خلالها، فيجب تخفيفها.

• عينات الفيلم: إذا لم تكن عينة الفيلم سميكة بدرجة كافية، فيمكن تجميع عدة عينات متطابقة معًا للاختبار.

• عينات المسحوق: يجب طحن عينات المسحوق حتى لا يظهر أي ملمس حبيبي. أثناء الاختبار، يجب أن يتم تغليفها بورق ألومنيوم رفيع جدًا (حامل) أو خلطها بشكل موحد مع الكولوديون لإعداد عينة من الصفائح ذات سمك مناسب.

• عينات الألياف: بالنسبة لعينات الألياف، يجب تقطيعها إلى قطع قدر الإمكان وتحضيرها مثل عينات المسحوق.

• العينات الحبيبية: بالنسبة للعينات الحبيبية الخشنة التي لا يمكن طحنها، يكون تحضيرها أكثر صعوبة. تتمثل إحدى الطرق في تقطيع الحبيبات إلى شرائح رفيعة بنفس السماكة وترتيبها بدقة على شريط لاصق. هناك طريقة أخرى تتمثل في إذابة أو إذابة الحبيبات لتحضير عينات الصفائح، لكن هذا يجب ألا يؤدي إلى تدمير البنية الأصلية للعينة.

• العينات السائلة: يجب حقن عينات المحلول في الأنابيب الشعرية لفحصها. عند تحضير المحاليل يجب ملاحظة ما يلي: 1. يجب أن يذوب المذاب بالكامل في المذيب، أي لا يوجد ترسيب. 2. يجب أن يكون فرق كثافة الإلكترون بين المذاب والمذيب أكبر ما يمكن.

3. التطبيقات في المواد البوليمرية:
ظواهر تشتت الأشعة السينية ذات الزاوية الصغيرة شائعة في البوليمرات الطبيعية والاصطناعية، مع العديد من الخصائص المختلفة. تشتمل تطبيقات تشتت الأشعة السينية ذات الزاوية الصغيرة في البوليمرات بشكل أساسي على الجوانب التالية:

• تحديد شكل وحجم الجسيمات وتوزيع حجم الجزيئات في المواد الهلامية البوليمرية من خلال تشتت غينييه.

• دراسة الحبيبات البلورية في البوليمرات البلورية، والمجالات الدقيقة (بما في ذلك المراحل المشتتة والمستمرة) في خلطات البوليمر، وشكل وحجم وتوزيع الفراغات والشقوق في البوليمرات من خلال تشتت جينيير.

• دراسة اتجاه وسمك ونسبة التبلور وسمك الطبقات غير المتبلورة من البلورات الصفائحية في أنظمة البوليمر من خلال قياسات طويلة الأمد.

• الحركة الجزيئية وانتقالات الطور في أنظمة البوليمر.

• دراسة طول الارتباط وسمك الطبقة البينية ومساحة السطح الإجمالية لأنظمة البوليمر متعددة الأطوار باستخدام طريقة دالة الارتباط بورود-ديبي.

• تحديد الوزن الجزيئي للبوليمرات من خلال قياسات الكثافة المطلقة.

بدءًا من التحليل الطيفي بالأشعة تحت الحمراء إلى كالوريمتر المسح الضوئي التفاضلي (DSC)، ومن قياس الوزن الحراري إلى تحليل العناصر، يتم باستمرار ترقية 'عناصر الفحص الفيزيائي' للمواد البلاستيكية المعدلة مع تعقيد التركيبات. كلما كانت طرق الاختبار أكثر دقة، كلما تمكنت من تمكين كل جرام من مثبطات اللهب وكل جسيم حشو من بذل أقصى قيمة له أثناء المعالجة. الهدف النهائي لتحليل التركيب هو دائمًا تمهيد الطريق للتكرار التالي للمواد ذات الأداء الأعلى والتكلفة الأقل.