Kalite Kontrol ve Geliştirme için Yapıştırıcıların FTIR Analizi

Yapıştırıcıların FTIR analizi

Yapıştırıcılar günümüz dünyasında vazgeçilmez hale gelmiş ve çeşitli uygulamalar için kullanılmaktadır. Otomotiv endüstrisinde ön konsollar, ön camlar, oturma elemanları ve araç gövde parçaları, önemli ölçüde ağırlık tasarrufu sağlayan özel otomotiv yapıştırıcıları ile yapıştırılmıştır. Tıpta, süper yapıştırıcı olarak kullanılmasıyla iyi bilinen siyanoakrilat, yaraların hızlı bağlanması için kullanılır. Şimdiye kadar, kürlenme süresi ve mukavemeti açısından özel özelliklere sahip yapıştırıcılar en çeşitli uygulamalar için mevcuttur. Modern yapıştırıcılar genellikle çeşitli çözücüler, reçineler, dolgu maddeleri ve katkı maddeleri içeren karmaşık karışımlardır. Tutarlı ürün kalitesini sağlamak için hem hammaddeleri hem de bitmiş ürünü kontrol etmek ve hem kimyasal hem de fiziksel özellikleri test etmek gerekir.

FT-IR spektroskopisi, kalite kontrol, üretim ve yapıştırıcıların geliştirilmesindeki çeşitli sorular için değerli bir analitik tekniktir. Yöntem, hem gelen hammaddelerin kimliğinin ve kalitesinin test edilmesi hem de bitmiş ürünün incelenmesi ve nicelendirilmesi için çok uygundur. Ürün geliştirmede IR spektroskopisi, rekabetçi bir ürünün bileşimini analiz etmeyi ve bir yapıştırıcının sertleşme sürecini izlemeyi sağlar. IR mikroskobu, arıza analizi için güçlü bir yöntemdir, çünkü en küçük ürün kusurları bile mikrometre aralığında analiz edilebilir ve görselleştirilebilir.

ALFA FTIR spektrometresi ile Bruker, gelen ürün denetimi, kalite kontrolü ve ürün geliştirme için doğru cihazı sunar. Bir maddenin spektrumu, herhangi bir numune hazırlama, reaktif veya sarf malzemesi olmadan saniyeler içinde ölçülebilir.

FT-IR mikroskobu LUMOS kullanılarak kusurlar, partiküller ve inklüzyonlar gibi mikroskobik numuneler de analiz edilebilir ve genellikle numune hazırlamaya gerek yoktur. Yapıştırıcıların mekansal olarak çözümlenmiş araştırması, ürün kusurlarını analiz ederken özellikle faydalıdır; çünkü çoğu zaman dakik homojensizlikler, kalıntılar veya yabancı maddeler bunun nedenidir.

FT-IR spektrometresi ALFA’ da gelen ürünlerin incelenmesi

ALFA ALFA (bkz. Şekil 1), değiştirilebilir ölçüm modülleri aracılığıyla çeşitli gereksinimlere göre ayarlanabilen çok kompakt bir spektrometredir. En sık kullanılan ölçüm tekniği, zayıflatılmış toplam yansıma (ATR) olarak adlandırılır. Numune hazırlamaya gerek olmadığı için ATR tekniği çok rahat ve hızlı bir ölçüm yöntemidir. Bir IR spektrumunu ölçmek için numunenin sadece ATR kristali ile temas ettirilmesi gerekir. Bir hammaddenin kimlik kontrolü için spektrum, OPUS spektroskopi yazılımının hızlı karşılaştırma fonksiyonu ile açık veya daha fazla referans spektrumuyla otomatik olarak karşılaştırılır.

Şekil 1: LUMOS FT-IR mikroskobu ve ALFA FT-IR spektrometresi (detay).

Örneğimiz, OPUS hızlı karşılaştırma işlevi yardımıyla iki bileşenli bir epoksi reçinenin bir amin kürleme maddesinin kalite kontrolünü göstermektedir. Gelen hammadde (mavi spektrum), bir referans numunenin önceden ölçülen spektrumuyla karşılaştırılır (kırmızı spektrum, bkz. 2). % 99'dan fazla bir korelasyon değeri, örnek spektrumun referans spektrumla çok iyi bir uyum içinde olduğunu gösterir. Referans ve numune spektrumunun korelasyonu önceden tanımlanmış% 98 eşik değerinin üzerinde olduğundan, numune bir "OK" ile derecelendirilir.

Tek bir referans spektrumuna karşı gösterilen karşılaştırmaya ek olarak, ürün toleranslarını modellemek için birçok referans spektrumunun ortalama spektrumuyla karşılaştırmak da mümkündür. Üçüncü bir seçenek olarak, bir dizi farklı maddeyle de karşılaştırılabilir.

Şekil 2: Gelen ürün kontrolü: Bir amin sertleştiricinin (mavi) uygun bir referans spektrumuna (kırmızı) karşı spektrum karşılaştırmasının sonucu, malzemenin doğru kimliğini doğrular.

ALFA spektrometresi ile bir yapıştırıcının kürlenme süresinin ölçülmesi

Bu örnek, bir yapıştırıcının ALFA spektrometresi ile reaksiyon izlemesini göstermektedir. OPUS'un reaksiyon izleme fonksiyonunu kullanarak, tüm kürleme sürecini bir saniyeye kadar bir zaman çözünürlüğü ile izlemek mümkündür. Aşağıda, plastik bir yapıştırıcının kürlenmesini gösteriyoruz. Yapıştırıcı esas olarak bütil asetat, aseton ve poli metil metakrilattan (PMMA) oluşur. Ölçüm için, ATR ünitesinin elmas kristali üzerine küçük bir damla yapıştırıcı yerleştirildi. Daha sonra her 30 saniyede bir spektrum otomatik olarak ölçüldü. Şekil 3, bütil asetat ve PMMA bileşenlerinin zamansal evrimini göstermektedir. 

Değerlendirme PMMA (1144 cm^-1) ve bütil asetata (1040 cm^-1) özgü spektral bantların entegrasyonu ile gerçekleştirilmiştir. Çözücünün buharlaşması nedeniyle PMMA konsantrasyonu (mavi eğri) beklendiği gibi yükselirken, bütil asetat (kırmızı) konsantrasyonu sürekli düşüşten önce bir artış gösterir. Bu artış, asetonun ilk dakikalarda hızlı buharlaşması ile açıklanabilir. Böylece yavaş buharlaşan bütil asetatın konsantrasyonu başlangıçta artar. Son olarak, asetonun tamamen buharlaşmasından sonra bütil asetat konsantrasyonu da azalır. Şekil 3'teki (solda) 3B çizim, butil asetat bandının 1040 cm^-1 civarındaki zamansal evrimini göstermektedir.

Şekil 3: Bir plastik tutkalın sertleşmesinin reaksiyon izlemesinin ekran görüntüsü. Solda: Spektrumların zamana karşı 3B çizimi. Sağda: Kürleme işlemi sırasındaki spektral değişiklikten hesaplanan bütil asetat (kırmızı) ve pmma'nın (mavi) konsantrasyon değişikliği.

Bir yapıştırıcının tersine mühendisliği

Rekabetçi ürünlerin analizi, kendi ürünlerinin geliştirilmesini teşvik edebilir ve patent ihlalinin belirlenmesine yardımcı olabilir. Bilinmeyen materyallerin tanımlanması için referans kitaplıklarındaki spektrum araması kullanılır. OPUS spektroskopi yazılımı ayrıca karmaşık karışımlardaki tek bileşenlerin tanımlanması için bir karışım analizi işlevi içerir. Örneğimiz, bilinmeyen bir bileşime sahip çok amaçlı bir yapıştırıcının analizini göstermektedir. ATR ünitesinin elmas kristali üzerine bir damla yapıştırıcı yerleştirildi, ölçüldü ve son olarak karışım algoritması ile değerlendirildi. Şekil 4, karışım analizinin sonucunu göstermektedir:

Şekil 4: Bilinmeyen bir yapıştırıcının karışım analizinin sonucu. Tanımlanan bileşenlerden hesaplanan bileşik spektrum (mavi), örnek spektrumla (kırmızı) iyi bir eşleşme gösterir. Kompozit ve numune arasındaki fark spektrumu yeşil renkte gösterilmiştir.

Tanımlanan tek bileşenli spektrumlardan hesaplanan bileşik spektrum (mavi ile gösterilmiştir), ölçülen sorgu spektrumu ile çok iyi bir uyum içindedir. Sorgudan ve bileşik spektrumdan fark spektrumu (yeşil) bu nedenle yalnızca küçük sapmalar gösterir. Kısacası, yapıştırıcı akrilat polimerleri ile su bazlıdır.

FT-IR mikroskop LUMOS ile arıza analizi

FT-IR mikroskop LUMOS (şekil 1), ürün kusurlarının analizi için güçlü bir araçtır. Numunenin herhangi bir yerinde yüksek yanal çözünürlüğe sahip bir IR spektrumunun ölçülmesine ve böylece bir kusurun kimyasal bileşiminin belirlenmesine izin verir. ATR'de ölçüm yaparken olağanüstü performans nedeniyle LUMOS, çoğu numuneyi hazırlıksız analiz edebilmektedir. Eksiksiz otomasyonu ve sezgisel kullanım kılavuzu sayesinde LUMOS'u çalıştırmak çok kolaydır.

Örneğimiz, mikroskobik olarak küçük beyaz iğne benzeri kristalleri gösteren bir PET folyo parçası üzerinde sertleştirilmiş bir yapıştırıcı parçasıdır. 

Analiz için numune bir numune tutucuya sabitlendi ve bir neşter kullanılarak düzgün bir numune kesiti oluşturuldu. Kusur, polarize edilmemiş ışıkla ancak zar zor görülebildiğinden, LUMOS'un motorlu polarizörleri kontrastı artırmak için kullanıldı. Aşağıda, 375 x 250 µm'lik bir numune alanı, 25 x 25 µm'ye ayarlanmış bir açıklık boyutu ile 15 x 10 noktanın ölçüldüğü otomatik bir ızgara ölçümü ile analiz edilmiştir.

Elde edilen spektrumlar, numunenin yerel kimyasal bileşimi hakkında sonuçlara varılmasını sağlayan matematiksel yöntemlerle (entegrasyon, küme analizi, çarpanlara ayırma) sözde kimyasal görüntülere dönüştürülebilir. Şekil 5, mavi renkte saf yapıştırıcının temsili spektrumlarını ve kırmızı renkte kristal kusurunu göstermektedir. Büyütülmüş görünüm, spektral farklılıkları ve ayrıca şekil 6'daki kimyasal görüntüyü görselleştirmek için entegre edilmiş olan 1680 cm^-1'deki bandı gösterir.

Şekil 5: Sertleştirilmiş yapıştırıcının (mavi) ve kristallerin (kırmızı) spektrumları belirgin farklılıklar göstermektedir.

Şekil 6: Bir yapışkan tabakanın görsel mikroskobik görüntüsünün üzerine kimyasal görüntü bindirildi. Kimyasal görüntü, tabaka içinde oluşan kristaller için karakteristik olan 1680 cm^-1 civarında bir spektral bandın entegrasyonu ile oluşturuldu.

3267 cm^-1'deki ek banda dayanarak, kontaminasyonun muhtemelen azot içeren bir bileşik (örneğin bir amid) olduğu sonucuna varılabilir.

Kristalin maddenin spektrumu, kusurun nedeni olduğundan şüphelenilen bir referans maddenin spektrumu ile karşılaştırıldı (şek. 7). Kristallerin spesifik spektral özellikleri referans spektrumunkinden tamamen farklı olduğundan, şüpheli maddenin gözlemlenen ürün arızasının bir nedeni olarak ekarte edilebileceği açıktır.

Şekil 7: Bir referans numuneye (siyah) kıyasla kusurdaki kristallerin spektrumu (kırmızı). Kristallerin spesifik spektral özellikleri, referans spektrumunkinden farklıdır.

Özet

FT-IR spektrometresi ALPHA, yapıştırıcıların analizinde çeşitli olası uygulamalar sunar. FT-IR spektroskopisi, gelen ürün incelemesine ve ürünün kalite kontrolüne ek olarak, yapıştırıcıların reaksiyonunun izlenmesine ve rekabetçi ürünlerin analizine de olanak tanır. FT-IR mikroskop LUMOS ile yapışkan yüzeylerdeki kusurları ve kapanımları yalnızca birkaç mikrometre aralığında ulaşılabilir bir çözünürlükle analiz etmek mümkündür.