Výzvy v oblasti charakterizace polymerů a aplikace pyrolýzní-GC/MS

Přednášející: Michael Soll (European Business Development Manager, Frontier Lab)

Pokrok v analytické pyrolýze: Py-GC/MS pro charakterizaci materiálů

Moderní materiálová analýza vyžaduje sofistikované techniky k pochopení složení polymerů, jejich degradace a potenciálních defektů. Pyrolýzní-GC/MS (Py-GC/MS) se stala přední metodou pro takové studie, která umožňuje přesnou charakterizaci komplexních polymerních materiálů.

Společnost Frontier Laboratories stojí v čele analytické pyrolýzy a vyvíjí pokročilé pyrolyzéry a specializované kolony pro analýzu polymerů, mikroplastů a vzorků životního prostředí. Jejich nejnovější výzkum zkoumá úlohu Py-GC/MS při analýze vad materiálů, hodnocení bioplastů a studiu degradace polymerů.

Pochopení Py-GC/MS a jejich aplikací

Py-GC/MS je výkonný nástroj pro identifikaci struktury polymerů, přísad a degradačních produktů. Zahříváním materiálů na specifické teploty umožňuje tato technika vědcům analyzovat tepelné chování látek a zjišťovat změny v průběhu času.

Některé klíčové aplikace zahrnují:

• Analýza žloutnutí PVC: Studie degradace PVC materiálů pod vlivem slunečního záření.
• Charakterizace bioplastů: Identifikace klíčových složek v biologicky rozložitelných plastech za účelem posouzení dopadu na životní prostředí.
• Identifikace mikroplastů: Detekce a kvantifikace znečištění mikroplasty v mořském prostředí.
• Analýza závad recyklovaných materiálů: Vyhodnocování závad v recyklovaných ABS komponentech za účelem zlepšení kvality výrobků.

Altium: Uplatnění pyrolýzní GC/MS v analýze mnoha různých komplexních vzorků

Hlavní výsledky výzkumu

1. Žloutnutí materiálů z PVC

Jedna ze studií se zaměřila na pochopení toho, proč desky z PVC při vystavení slunečnímu záření žloutnou. Analýza žloutnutí materiálu multifunkčním pyrolyzérem pomocí různých analytických metod:

• Evolved Gas-MS (EGA-MS）
• Pyrolysis-GC/MS (Py-GC/MS）
• Heart cutting EGA-GC/MS (HC/EGA-GC/MS）

Výsledky:

• Na žluté straně desky došlo k degradaci a úbytku tepelných stabilizátorů, které způsobují vznik HCl ve struktuře PVC. 
• Žloutnutí lze přičíst vzniku dvojných vazeb ve struktuře PVC.
• Přítomnost alkoholů s dlouhým řetězcem pouze v bílé ploše desky, což naznačuje přítomnost stabilizátoru. 
• Tvorba HCl je potlačena tepelnými stabilizátory.

Altium: EGA-MS křivky žluté a bílé strany PVC desky

2. Analýza složení bioplastů

S rostoucí poptávkou po udržitelných plastech byly v rámci výzkumu zkoumány komerční sáčky z bioplastů, respektive jejich složení a přídavné látky pomocí EGA-MS a Py-GC/MS. 

Zjištění odhalila následující skutečnosti:

• Rozdíly v přísadách, jako je Irgafos 168 (anti-oxidant) a erukamid, mezi konvenčními a biologicky rozložitelnými plasty.
• Přítomnost polysacharidů v některých bioplastech, které ovlivňují jejich chování při rozkladu.
• Rozdíly ve stabilizátorech a antioxidantech ovlivňující životnost plastů.

Altium: Výsledky TD-GCMS

3. Analýza závad recyklovaných materiálů ABS

K analýze polymerů a přísad obsažených v dobrých a vadných výrobcích na bázi ABS kartáčů byla použita pyrolýza (Py)-GC/MS a energiově-disperzní rentgenová analýza (SEM-EDX) a byla zkoumána příčina vzniku trhlin ve vadném výrobku.

Py-GC/MS pro analýzu polymerů a organických přísad: 

• Evolved gas analysis (EGA)-MS
• Pyrolýzní (Py)-GC/MS
• Termální desorpce (TD)-GC/MS

Altium: Srovnání pyrogramů dobrého ABS výrobku a výrobku s vadou.

Výsledky:

• Rozdíly v polymerních aditivech mezi normálním a recyklovaným ABS.
• Ztráta kritických stabilizátorů v defektních vzorcích, což vede k trhlinám v materiálu.
• Přítomnost alternativních stabilizátorů, které potenciálně ovlivňují pevnost materiálu.

4. Detekce mikroplastů v mořském prostředí

Rozdělení mikroplastů:

• Mikroplasty (1 μm - 5 mm)
  • Primární - pelety a vlákna
  • Sekundární - rozložené kusy
  • Poškození volně žijících živočichů pozřením
• Nano-plasty (< 1 μm)
  • Dopad na mořské živočichy při náhodném požití
  • Účinky na zdraví v důsledku koncentrace POPs prostřednictvím potravního řetězce

Pomocí specializovaného pyrolýzního systému (Micro-Furnace Py-GC/MS) a softwaru F-Search MPs 2.1 výzkumníci detekovali v mořských sedimentech různé typy polymerů, včetně:

• Polyethylen (PE) a polypropylen (PP) jako dominantní znečišťující látky.
• Přítomnost perzistentních organických znečišťujících látek (POPs) navázaných na mikroplasty, což zvyšuje rizika pro životní prostředí.
• Kvantitativní výsledky zdůrazňující významnou kontaminaci polymery v pobřežních sedimentech.

Altium: Rozdíly v analýze mikroplastů v mořských sedimentech z různých částí pobřeží

Závěr:

Použití multifunkčního pyrolyzéru v kombinaci s GC/MS, doplňkovými moduly (MFS, MJT, SS, AS) a databázemi polymerů a vyhledávacím softwarem (FSEARCH, F-SEARCH MPs) umožňuje kombinované termické metody (EGA-MS, pyrolýzní-GC/MS, TD-GC/MS, HC-EGA-GC/MS) pro spolehlivou charakterizaci polymerních materiálů (i ve stopovém rozsahu) nebo identifikaci a kvantifikaci polymerů, přísad a nečistot s cílem splnit dnešní nové výzvy v laboratoři kvůli vzorkům souvisejícím s udržitelností a životním prostředím.