聚合物分析信息须知

自20世纪50年代首次广泛使用以来,塑料产量飞速增长,全球生产了超过3.8亿公吨聚合物树脂和纤维,而且其产量还在不断增长。这是因为在许多方面,塑料是一种神奇的材料。

塑料是一种多用途、惰性材料,可以形成密封件,生产成本较低,来源丰富,重量轻,而且容易形成复杂的形状。塑料有助于降低生产和运输成本,让易腐物品更长久地保持新鲜。如果没有塑料,我们的生活会出现很多不便。

然而,我们应该记住,塑料的特性在使其成为如此有用的材料的同时(例如其持久性、稳定性和较低生产成本),还是导致其对环境造成非常大负面影响的原因。 目前生产的塑料的回收率只有16%,随着我们越来越多地使用回收和可回收的聚合物,热分析在确保这些新材料符合所需高标准方面发挥着重要作用。在我们发布的关于热分析聚合物回收和再利用的博客中,可以了解更多此方面的信息。

热分析是一项支持聚合物制造和新材料开发的优秀技术。热分析仪有助于确保您的产品始终达到客户期望的等级,同时确保您的品牌始终为优质品牌。

如果您是聚合物或聚合物分析的新手,此处是我们的快速101概述。

Polymer analysis: what you need to know

 

聚合物的主要用途

包装

毫不奇怪,包装是聚合物的头号用途,每年生产了1.46亿吨包装材料,这超过了聚合物总产量的35%。塑料是一种优秀的包装材料。由于重量轻,塑料可以降低运输成本,可以制成特定形状来保护精致商品并形成密封件,因此有助于在全球运输过程中保持食物新鲜。

建筑和施工

纯粹为建筑和施工行业生产6500万吨塑料。除成本较低外,容易成型的特点也让塑料成为门窗型材和密封件的理想选择。其持久性使之非常适合管道和地板覆盖物,而且其低导热性也使之成为理想的隔热材料。与木材等更传统的建筑材料相比,塑料也相对不易燃

织物

塑料的第三大用途是纺织品。每年生产了5900万吨塑料用于纺织品行业。其中大部分是服装,聚酯和尼龙比棉花更便宜更轻薄,从而使服装更轻便,生产成本更低。这些合成纤维还用于皮毡和地毯等软装饰,这些装饰重量轻、价格便宜、耐磨且容易清洗。

消费者和机构产品

聚合物存在于大量产品(包括牙刷和家具)中,包括化妆品等快速消费品(FMCG)。这是一个广泛的类别,因为成本低,所以塑料在许多情况下(例如隐形眼镜)都是唯一合适的应用材料。每年生产了4200万吨塑料用于该行业。

运输

通过提高汽车效率以减少有害温室气体排放的需求,推动增加塑料在汽车和商用车辆中的使用。塑料是传统汽车材料的优秀轻量型替代品,如今丙烯腈丁二烯苯乙烯(ABS)等复杂的聚合物共混物和工程塑料很常见。仅交通行业每年就需要2700万吨塑料。

电气/电子

每年产生1800万吨塑料用于生产电气和电子产品。大多数塑料具有电绝缘性,这意味着它非常适合生产电气安装、电路板级封装、绝缘材料,例如电缆护套和机电组件的非电气零件。然而,现在已经有导电塑料,且在组件的导电部分需要具备柔性或非常复杂的形状时,需使用导电塑料。

工业机械

由于主要用途塑料每年的产量相对较低,仅为300万吨,因此工业机械行业在许多方面都使用塑料来减轻工厂设备的重量和减少其成本。

此外,每年还生产4700万公吨塑料用于各种小型行业。

塑料类型及其用途

聚苯乙烯(PS)

聚苯乙烯占欧洲所有原生树脂需求的6.1%,用于塑料杯、食品托盘、建筑绝缘和自行车头盔的保护和隔热。塑料还是包装大型精致商品的重要组成部分,然而,其回收率相对较低。

聚氨酯(PUR)

2020年,PUR占欧洲树脂需求的7.8%,由于其能够形成不同类型的材料,因此应用广泛。泡沫PUR用于绝缘产品,而柔性PUR是座椅和手柄的理想选择。固体PUR具有高强度,适用于防护应用领域。

聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)

我们的许多食品和饮料包装都是由PET制成,包括塑料水瓶。这特别有用,因为塑料很好地为氧气和二氧化碳等气体提供屏障。这有助于保持食物新鲜和碳酸饮料起泡。2020年,PET树脂占欧洲所有原生树脂需求的8.4%。

聚氯乙烯(PVC)

过去十年,已经减少PVC或乙烯基的使用。这种树脂曾经是第二大广泛使用的塑料树脂,但如今PVC仅占全球需求的9.6%。其柔性和高冲击强度意味着它仍然是电缆绝缘和管道、地板和墙壁覆盖物、窗框和充气泳池的首选材料。

高密度聚乙烯(HDPE)

顾名思义,HDPE具有非常密集的聚合物链,是一种高强度材料。这种材料适用于玩具、洗发水瓶子、牛奶瓶和管道。这种树脂占树脂需求的12.9%,易于回收。

低密度聚乙烯(LDPE)

LDPE具有相对简单的结构,从而容易加工成产品,且成本较低。这种塑料适用于食品袋、塑料包装、食物储存容器和电线覆盖物。2020年,尽管面临一些回收挑战,但LDPE占塑料树脂需求的17.4%。

聚丙烯(PP)

PP强度高于LDPE,但密度不如HDPE,由于PP耐热性良好,其是微波容器的理想选择。这种材料也适用于钞票、保暖内心和尿布。PP在所有塑料类型中的需求大,占所有塑料使用量的近20%。遗憾的是,这种塑料无法完全回收。

其他

18.1%的原生塑料树脂需求兼有其他类型塑料的需求。其中包括重要的塑料类型,例如用于触摸屏的PMMA、用于电信电缆镀层的PTFE和用于汽车零件的ABS。

聚合物分析的主要目的是什么?

1.质量控制

在生产环境中,聚合物分析的主要原因是质量控制。成品的外观和性能在整个零件寿命期内是否符合要求?如果答案是否,则成品是否会在离开工厂之前报废?或者,如果成本更高,客户是否会拒收成品,或者您是否必须召回产品?显然,由于聚合物基产品的规范如此严格,因此严格的质量控制必不可少。

生产质量控制有两个主要选项:在线分析或离线分析。我们来看看两者的优缺点。

在线质量控制

在这种情况下,您拥有系统,它是生产线不可或缺的一部分,在生产过程中实时监控产品。其反馈迅速,因此可以在出现问题时立即停止生产。这就节省了金钱和时间。但其并不适用于所有类型的样品,而且这些仪器在检出限方面不如离线仪器。

离线质量控制

在这种情况下,分析设备位于实验室或生产侧,在生产时取出样品或原材料进行分析。这是聚合物生产中常见的分析类型。并非实时测量,但仍可以使用快速分析技术获得相对快速的生产运行反馈,此外,还可以选择具有理想检出限的设备。

离线质量控制包括以下内容:

  • 目视检查。这是检查某物是否正确的简单、便宜的方法。其还适用于基本检查,如产品的颜色是否正确,是否有裂缝或其他可见缺陷。然而,这对于操作者而言具有主观性,且通常需要通过其他方法来提供支持。

  • 化学分析。其非常适用于确定成分和找出存在哪些元素成分以及是否有任何元素组分缺失。如层析和XRF分析技术。层析需要一些时间,样品制备相对复杂,而XRF更简单、更快速。

  • 物理性能分析。热性能和机械性能分析能在现场提供成分性能的直接信息。其包括如拉伸强度分析和冲击试验等特定试验。物理性能分析有多种选择,但热分析是通用的方法之一,因为它还能提供聚合物的构成信息。它可用于检查原材料的成分,也可用于成品,以确保内部加工不会以非必要方式改变物理性能。

2. 研发

为特定应用开发新材料需要进行分析,以确保其外观和性能符合预期。有时会开发一种全新的产品,使用热分析等技术来检查产品是否具有正确的物理性能。确保用于控制最终颜色的添加剂不会影响结晶或强度,这是在实验室检查新配方的一个重要部分。

在检查引入现有生产线的潜在新材料时也将进行分析。例如,检查使用回收材料是否会产生与原始聚合物相同的外观和性能。

此外,使用聚合物分析是为了分析竞争对手的产品,以确定其成分构成和物理规格。这有助于在客户需要备用供应商时,对零件进行逆向工程。

热分析的一个有用的应用领域是可以预测新材料等的成分在其寿命期间的性能。稍后将更详细讨论特定的热分析技术,但可以使用STA(同步热分析)设备预测产品寿命,随后使用高级软件技术预估材料在标准使用条件下劣化所需的时间。这种分析能够节省数年的开发时间。

3.故障排除和处理客户投诉

这可用于进行内部故障排除以及处理客户退货或投诉。基于聚合物的产品问题示例包括:

  • 零件畸形或不透明
  • 太硬或不够硬而导致阻尼差
  • 原材料不纯

热分析提供了结晶、材料添加剂、强度和硬度等信息。可以经常使用该系列技术来分析生产问题的根本原因,或者通过展示材料的性能符合其应有的要求来处理客户投诉。

 

热分析法用于聚合物分析

热分析法(TA)是指在材料被加热、冷却或置于恒温条件下时用于衡量材料性能随时间或温度所发生变化的方法。样品质量通常为mg并且所测材料的变化非常小。

检测的材料性能包括样品重量、刚度、温度变化和样品尺寸。这些可衡量的变化被绘制成热分析图,而热分析图的特征能提供有关材料基本特性的信息,如熔点、玻璃化转变和结晶温度等。由此可以测定材料的基本性能和成分,并预测材料在各种应用场景中的性能。一个简单的例子是用于高温应用场景(如汽车发动机)的塑料是否具有足够高的熔点以在使用时保持固态。

热分析的优点

热分析的主要优势在于其能精确分析散装材料的基本特性。即使对于复杂的材料,也可以经常梳理出组成聚合物的性能,以确定混合物的成分。其适用于各种材料,无需材料特定的校准曲线,因此可以轻松研究新型材料。

样品制备过程非常简单,无需处理有害的化学物质,而且,只要稍加培训,任何人都可以进行分析,尤其是使用自动化程度很高的仪器。

分析程序相对较短,许多分析程序在一小时内即可完成。这种设备运行成本低廉,不用时不必保持设备待机,由此节省了电量和气体消耗。

X射线荧光用于聚合物分析

因此,TA为材料验证和热性能特征提供了出色的基线性能和灵敏度,而X射线荧光(XRF)分析仪则用于聚合物基质中的元素和成分测量。

XRF分析的用途示例包括检查原材料聚合物和成品中的氯含量,以说明所用材料中是否存在PVC(以及潜在邻苯二甲酸酯)。也可以用其来测定聚苯乙烯废物中的溴含量。为将六溴环十二烷(HBCD)与其他溴化化合物分离,需要制备样品。XRF还可以轻松测量塑料中的金属含量。

XRF的优点

XRF是一种快速无损技术,可以分析固体、粉末、液体和颗粒形式的聚合物,样品制备过程非常简单。其完全无损,可以用于检查成品组件的最终元素成分。还可用于测量金属镀层的厚度和成分,如塑料组件上的金属镀层。

是否想了解更多聚合物分析信息?

我们的聚合物热分析保护品牌指南旨在进一步解释和揭开聚合物热分析的神秘面纱,包括如何解释一些常见ASTM方法测量的结果。

 

下载指南

 

如果您有任何问题或想要我们的仪器演示,以了解什么适合您的分析需求,请联系我们的专家


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日期: 13 December 2022

作者: Olivier Savard, Product Manager Thermal Analysis

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