Uygulama Notu AN M136

Kauçuk Numunelerin Kalite Kontrolü ve Arıza Analizi

Kauçuk malzemeler doğal ve sentetik varyantlar halinde sınıflandırılabilir; ticareti yapılan malzemelerin çoğunluğu sentetik kökenlidir. Çoğu zaman bu ürünler çok sayıda farklı bileşen içeren karmaşık karışımlardır. Sabit bir ürün kalitesini garanti etmek için, giren ve çıkan ürünlerin kalitesinin düzenli olarak kontrol edilmesi çok önemlidir.

Kızılötesi (IR) spektroskopi, gelen ürünlerin yanı sıra ara ve son ürünlerin kimyasal kimliğini kontrol etmek için etkili bir analiz yöntemidir. IR spektroskopisi, kalite kontrolün yanı sıra, rakip ürünlerin tersine mühendisliği için yararlı bir araçtır ve dolgu maddeleri gibi tek bileşenlerin miktarının belirlenmesine de olanak tanır. Rutin IR ölçümleri için ideal araç, kompakt FTIR spektrometresi ALPHA II'dir (şekil 1, sağ) . Örneğin ATR, dağınık yansıma iletimi (DRIFT) üniteleri gibi çok çeşitli örnekleme modülleriyle donatılabilir ve çok sayıda farklı uygulama için kullanılabilir.

Ürün arızasını analiz ederken, çoğu durumda makroskobik ölçüm yaklaşımıyla erişilemeyen mikroskobik düzeyde küçük kusurlar mevcut olduğundan hataların kaynağını belirlemek genellikle kolay değildir. Bu kadar küçük ve homojen olmayan polimer numuneleri için FTIR mikroskobu LUMOS (soldaki şekil 1'e bakın), en küçük kalıntıların ve çiçeklenmenin görselleştirilmesine ve ölçülmesine olanak tanıdığından tercih edilen sistemdir. Bilinmeyen numune bileşenlerinin tanımlanması için ölçülen spektrum özel ve kapsamlı kütüphanelerde aranır.

Anahtar Kelimeler                                                         Enstrümantasyon ve Yazılım

Lastik                                                                                ALPHA II FTIR spektrometresi    

Başarısızlık analizi                                                          LUMOS FTIR mikroskobu

Contalar                                                                           OPUS spektroskopik yazılımı

Polimerler

Şekil 1: LUMOS FTIR mikroskobu ve ALPHA II FTIR spektrometresi

FTIR spektroskopisinin prensibi

FTIR (Fourier-Transform Kızılötesi) spektroskopisi onlarca yıldır kullanılan bir analiz tekniğidir. Her kimyasal maddenin tıpkı parmak izi gibi kendine ait bir spektral imzası olduğu gerçeğinden yararlanıyor.  Şekil 2, bir monomerin, bir polimerin ve bir dolgu maddesinin spektrumlarını göstermektedir. Bu nedenle FTIR spektroskopisi organik ve inorganik maddelerin analizi için uygulanır ve hem saf maddeler hem de karışımlar için kullanılabilir. Numune özelliklerine bağlı olarak farklı dalga numaralarında farklı şekilde emilen görünmez kızılötesi ışık kullanır. Ölçülen absorpsiyon bantlarının konumu ve yoğunluğu, numunelerin ve karışımların hem tanımlanması hem de miktarının belirlenmesi için kullanılabilir.

Daha küçük numuneler, elyaflar ve parçacıklar gibi numunelerin mikrometre ölçeğine kadar ölçülmesini sağlayan FTIR mikroskobu yardımıyla analiz edilebilir. Kesin olarak tanımlanmış numune alanlarını ölçmek mümkün olduğundan, ince katmanlar veya kalıntılar seçici olarak belirlenebilir. Tam otomatik taramalı ölçümler yoluyla, bireysel kimyasal bileşiklerin dağılımını gösteren, numunenin kimyasal görüntüleri adı verilen görüntüler oluşturulabilir.

Şekil 2: Bir monomerin, bir dolgu maddesinin ve PVC-NBR polimerinin IR Spektrumları

Enstrümantasyon

Günümüzde rutin ölçümlerin çoğu esas olarak ATR (Zayıflatılmış Toplam Yansıma) tekniği ile gerçekleştirilmektedir, zira bu tekniğin kullanımı geleneksel iletim moduna göre çok daha rahattır. Bu sayede IR radyasyonu numune yüzeyine hafifçe (birkaç mikron) nüfuz eder. FTIR spektrometresinin IR dedektörü daha sonra numuneden kaynaklanan absorbansı ölçebilir. Tipik olarak yalnızca az miktarda numune alınır ve numune hazırlanması gerekmez. Diğer bir avantaj ise sarf malzemesi gerekmediği için işletme maliyetlerinin çok düşük olmasıdır.

Bruker'in ALPHA II FTIR spektrometresi, ürün geliştirmedeki birçok uygulama için de kullanılabilen, gelen ürünlerin muayenesi ve kalite kontrolüne yönelik kompakt bir cihazdır. Ölçüm için numunenin ATR kristali ile temas ettirilmesi yeterlidir. Katı numunelerin bir basınç mekanizması aracılığıyla kristale bastırılması gerekir; sıvı numuneler doğrudan ölçülebilir (bkz. şekil 3). Son derece sert ve kimyasal olarak inert olduğu için en yaygın kristal malzeme elmastır. Bununla birlikte, özellikle yüksek kurum içeriğine sahip koyu numuneler için, önemli ölçüde daha yüksek kırılma indeksi nedeniyle germanyum genellikle daha iyi bir seçimdir.

 FTIR mikroskobu LUMOS'un yardımıyla kusurlar, parçacıklar ve kalıntılar gibi mikroskopik açıdan küçük numuneleri herhangi bir numune hazırlığı gerektirmeden analiz etmek de mümkündür.

Şekil 3: ATR ölçüm tekniğinin şematik resmi. Kızılötesi ışık ATR kristali boyunca yönlendirilir.

Uygulama örneği: Conta Analizi

Yanlış contaların kullanılması, makinelerin ve hatta endüstriyel üretim tesislerinin tamamının arızalanmasına neden olabileceğinden ciddi kazalar ve pahalı hasarlar açısından yüksek risk oluşturur. Contalar, kimyasal ve fiziksel özellikler açısından önemli ölçüde farklılık gösterebilen çok çeşitli farklı bileşimlerden yapılır.

Aşağıdaki örnek, bilinmeyen bir malzemeden yapılmış 7 mm'lik bir contanın ölçümünü göstermektedir. Spektrum germanyum-ATR ünitesi ile ölçüldü ve daha sonra bir dijital kütüphaneye karşı 280 spektrum ile otomatik bir karşılaştırma ile tanımlandı. Şekil 4'te, örnek spektrum kırmızıyla ve ilk isabetin kütüphane spektrumu maviyle gösterilen kitaplık araştırmasının sonucu gösterilmektedir. Her iki spektrumun taban çizgisi kayması, numunenin çok yüksek siyah karbon içeriğinden kaynaklanmaktadır. 924 (maks. 1000) gibi çok iyi bir isabet kalitesine sahip olan numune, Nitril Bütadien Kauçuğu (NBR) olarak tanımlanıyor.

Şekil 4: Örnek (kırmızı) ve kütüphane spektrumu (mavi) ile spektrum araştırmasının sonucu.

Uygulama örneği: Bir kauçuk numunesinin arıza analizi

Burada incelenen siyah kauçuk numunesinde beyaz noktalar şeklinde mikroskobik düzeyde küçük yabancı maddeler bulunmaktadır. Ayrıca, görünür görüntüde çok daha zayıf kontrasta sahip, belli belirsiz farkedilebilen homojensizlikler vardır. Bileşimin belirlenmesi için numune IR mikroskobu kullanılarak analiz edildi. Ölçüm, Bruker FTIR mikroskobu LUMOS ile, numunenin minyatür bir numune tutucuya sabitlenmesiyle gerçekleştirildi. 1000 x 1250 µm'lik bir alan (20 x 25 ölçüm noktası) tam otomatik olarak ölçüldü. Bu yaklaşım, her 50 x 50 µm boyutlu görüntü alanına ayrı bir spektrum atanmasına olanak tanır.

Bu spektrumlar matematiksel yöntemlerle (integrasyon, küme analizi, çarpanlara ayırma) yerel kimyasal bileşim hakkında sonuçlara varılmasına olanak tanıyan kimyasal görüntülere aktarılabilir. Şekil 5'teki kimyasal görüntü, OPUS'un spektrumları benzerliklerine göre gruplandıran küme analizi fonksiyonuyla oluşturulmuştur.

Numune üzerindeki kontaminasyonları görsel görüntüde de açıkça göstermektedir. Ayrıca kontrast eksikliği nedeniyle görsel görüntüde görünmeyen bu tür kirlenmeler de görülebilir.

Şekil 5: Bir kauçuk numunesi üzerindeki kusurun görsel (üstte) ve kimyasal görüntüsü (altta).

Şekil 6'da üç örnek spektrum, kirlenmiş alandan iki spektrum ve kauçuğun bir spektrumu gösterilmektedir.

Üst spektrum beyaz kirlenme alanında ölçüldü ve bir kütüphane araştırması yoluyla PTFE olarak açıkça tanımlandı. Daha karanlık alandan alınan spektrum açıkça bir poliamid spektrumudur (bkz. Şekil 6 orta).

Şekil 6: Kirlenmelerin çıkarma spektrumları. Üst: PTFE, orta: poliamid, alt: kauçuk.

Özet

FTIR spektroskopisi, doğal veya sentetik kauçuk gibi polimerlerin analizi söz konusu olduğunda çok sayıda olası uygulama sunar. Gelen mal muayenesi ve ürün kalite kontrolünün yanı sıra rakip ürünlerin analizine de olanak sağlar. Kapsamlı spektral kütüphanelerin ve spektrum arama ve karışım analizine yönelik güçlü fonksiyonların yardımıyla her türlü farklı malzeme hızlı bir şekilde tanımlanabilir.

FTIR mikroskobu ile en küçük kusurları ve kalıntıları tespit etmek ve analiz etmek mümkündür. Ayrıca otomatik grid ölçümleri, farklı numune bileşenlerinin ve kontaminasyonların dağılımını gösteren kimyasal görüntülerin oluşturulmasına olanak tanır.