Je v�echno styren? Zkou�en� materi�l� a identifikace plast� p�i recyklaci pomoc� infra�erven� spektroskopie

Na konci �ivotnosti pak plasty kon�í mezi odpadem. Za ideálních podmínek se polymer recykluje a p�em�ní v nový výrobek s novými vlastnostmi, jako nap�. kdy� se setká plast s UV stabilizátorem a plast se zm�k�ovadlem. Po recyklaci se oba polymery spojí a vykazují nové vlastnosti.

Komplexním úkolem pro spole�nosti recyklující plasty z�stává analýza a identifikace plastového odpadu, jako� i zjišt�ní jejich mechanických vlastností. V závislosti na výsledcích analýzy se plasty rozd�lí do r�zných kategorií, aby je bylo mo�né zamýšleným zp�sobem znova zpracovat. Mechanické vlastnosti plast� jsou d�le�ité kv�li vlastnostem finálního produktu. Zkoušení plast� vychází z normy EN ISO 527-1/2. Jako p�íklad lze uvést polystyreny, o nich� pojednává následující �lánek. Tato skupina plast� pat�í do rodiny styrenových polymer�.

Analýza polystyrenu

V rafinaci se polystyren chápe jako GPPS (General Purpose Polystyrene). Jako homo-polymer je velmi k�ehký. Pro sní�ení k�ehkosti se m��e p�idat velmi malé mno�ství BR (butyl rubber), �ím� se materiál zm�ní na ráz�m odolný GPPS: HIPS (High Impact Polystyrene). Nevýhodou obou materiál� je nízká chemická odolnost p�i nar�stající teplot�.

Tato vlastnost se ale m��e zlepšit p�idáním akrylonitrilu k základnímu GPPS. Výsledkem je pak SAN – styren-akrylonitrilový kopolymer. Akrylonitrily ovliv�ují pevnost, hou�evnatost a tvrdost polystyrenu.  Dále je mo�né p�idat butadieny pro zlepšení vlastností SAN, �ím� se dosáhne ABS – akrylonitril-butadiene-styren kopolymer. ABS ve srovnání s p�edchozími materiály se pova�uje za náraz�m odolný.

P�i recyklování u� plasty obsahují odpovídající aditiva a kopolymery. Pro další zpracování je proto nezbytné v�d�t, co je mo�né zlepšit z hlediska obsahu tak, aby se dosáhlo po�adovaných vlastností.

Vzorky pro zkoušení podle normy EN ISO 527-1/2

Zkušební vzorky byly vyrobeny na vst�ikolisech. Vzorky samotné jsou zachyceny na obr. 1.  Vlevo je pak graficky znázorn�no upnutí v �elistech a vpravo jsou vyobrazeny reálné vzorky.

Reálné vzorky vpravo (odspoda nahoru): GPPS (transparent), SAN (transparent), HIPS (mlé�ný), ABS (do �luta), ABS Magnum (mlé�ný) a ABS recyklovaný (�erný) s rozm�ry W = 10 mm, T = 4 mm, GL (E) = 50 mm a GL (G) = 115 mm.

Tab. 1: P�ehled zkratek jednotlivých plast�, chemických vzorc� struktury a vlastností styren�.

Identifikace

Pro rychlou identifikaci polymeru se vyu�ívá metoda infra�ervené spektroskopie. M��ení se uskute�ní v pr�b�hu n�kolika vte�in pomocí ATR (attenuated total reflection) spektroskopie. K tomuto ú�elu se pou�ije infra�ervený spektroskop IRSpirit-T Shimadzu vybavený ATR nástavcem QATR-S.

Vzorek je uchycený v ATR nástavci reprodukovatelným tlakem. Infra�ervené zá�ení proniká do vzorku p�es její povrch podle pravidla zeslabeného celkového odrazu. Vzorek reaguje na infra�ervené teplo vibracemi, které jsou pro polymery charakteristické.

Identifikace polymeru je podporovaná softwarem LabSolutionsIR v kombinaci za pomoci jeho knihoven. Proto�e styrenové polymery mají velmi podobné spektrum, musí se v�novat pozornost charakteristickým vibracím v infra�erveném spektru, které odlišují mo�né smíchané varianty.

V našem p�ípad� byly zkoušené r�zné varianty polystyrénu. Aby se ov��ila kvalita povrchu vzorku (Obr. 1), ka�dý byl zm��en 10x. Na ka�dé stran� vzorku m��eného materiálu se m��ilo v�dy v p�ti bodech.

Analyzované byly sm�si ABS – recyklovaný ABS a ABS s ozna�ením BX.  Podle infra�erveného spektra ABS recyklát (obr. 3) je sm�s ABS s vysokým obsahem styrenu, PC a metakrylátu. Naopak ABS BX je sm�sí s vysokým obsahem styrenu a polypropylenglykolu (PPG, zm�k�ovadlo). Díky procházení knihoven spekter a od�ítání spekter se mohou ve sm�si analyzovat r�zné látky.

Pro hodnocení kvality sm�sí se pro analýzu vybraly nitrilové a styren/butadienové pásy v infra�erveném spektru. V ka�dém p�ípad� se vyhodnotilo 50 m��ení (5 vzork�, na ka�dém 10 m��ení). Standardní odchylka výsledk� ukázala, �e maximum poloh signálu je 0,00 x absorb�ních jednotek. Tím se potvrdila vynikající kvalita povrchu vzork� (Tab. 3).

Tab. 2: Rozdíly styrenových polymer� zalo�ené na infra�ervených vibracích.

Tab. 3: Kontrola kvality pomocí FTIR p�i vybraných vlnových délkách pro stanovení výšky signálu nitrilu (2 230 cm^-1) a signálu styrénu/butadiénu (965 cm-1), st�ední hodnota 50 m��ení na šar�i p�ti vzork� v�etn� standardní odchylky a rozptylu.

Obr. 2: Infra�ervená spektra analyzovaných polystyren� a porovnáni s GPPS spektrem, vpravo hore Hips s 965 cm-1, vlevo dole SAN s nitrilovou �ástí p�i 2 237 cm-1 a vpravo dole ABS: v spektru polystyrénu je viditelný signál nitrilu p�i 2 237 cm-1 a signál butadienu p�i 965 cm-1.

Obr. 3: Infra�ervená spektra 4 vzork�, které obsahují i další polymery mimo t�ch, které jsou uvedené v Tab. 2. Dole vpravo je ABS, dole vlevo je sm�s PC a ABS, naho�e vlevo je recyklovaný materiál s ABS a �ástmi PC (struktura okolo 1 240 cm-1) a naho�e vpravo je ABS s �ástmi PPG (1 110 cm-1).

Mechanické zkoušky podle EN ISO 527-1/2 na stroji AGS-X

Infra�ervená spektroskopie se pou�ívá pro získání informací o plastu a zkoušky homogenity z povrchu materiálu. V p�ístroji byla ze vzorku o tlouš�ce 4 mm prom��ena vrstva do hloubky cca 4 µm. S ohledem na celkovou tlouš�ku zm��ené vrstvy m��e tahová zkouška pro posouzení homogenity celého vzorku doplnit výsledky m��ení z FTIR. Pro porovnání ta�ností vzork� polymer� se provedly zkoušky podle EN ISO 527-1/2.

Elasticita byla m��ena pomocí zkušebního stroje AGS-X s bezkontaktním videopr�tahom�rem TRViewX. (obr. 5). Tento pr�tahom�r vyhodnocuje smluvní mez kluzu s vysokou p�esností. Podmínky m��ení a obraz vzorku se definují a zobrazují v software TRAPEZIUM X.

Vzorky byly uchyceny do �elistí a p�edepnuty silou 5N. Pro videopr�tahom�r byly uprost�ed vzorku vytvo�eny markery ve vzdálenosti 50 mm. P�i pou�ití videopr�tahom�ru se detekuje zkušební oblast a software TRAPEZIUM p�evezme hodnotu vzdálenosti mezi zna�kami.

Norma EN ISO vy�aduje zm��ení min. 5 vzork�, které je t�eba zm��it pro ka�dou dávku. Polymery s „m�kkou“ charakteristikou byly zkoušeny p�i rychlosti 20 mm/min, zatímco „k�ehké“ vzorky (GPPS, HIPS) byly zkoušeny p�i rychlosti 2 mm/min.

Obr. 4 zachycuje typickou k�ivku Síla-Dráha pro dávku p�ti vzork�. Krom� jednoho vzorku všechny ostatní vykazují dobrou opakovatelnost. Výsledky z ostatních dávek byly takté� opakovatelné. Vzorky v dávce materiálu ABS Magnum vykazují v�tší odchylky ta�nosti, zatímco k�ivky Síla-Dráha byly opakovatelné (obr. 4).

Tab. 4: Vlastnosti vybraných plast� po tahové zkoušce dle EN ISO 527-1/2.

Tab. 5: Výsledky m��ení pomocí zkušebního stroje AGS-X v kombinaci s videoextensometerem TRViewX podle EN ISO 527-1/2 pro plastové vzorky (pr�m�r p�ti m��ení na jednu šar�i).

Obr. 4: P�t k�ivek síla-dráha vzork� ABS                                            Obr. 5: zkušební stroj AGS-X

Záv�r

Pomocí infra�ervené spektroskopie je mo�né analyzovat polymery tvaru vzork� pro tahové zkoušky (EN ISO 527-1/2) na povrchu na jejich homogenitu. Standardní odchylky �ádov� menší ne� 0,00 BS jsou ve vybraných pozicích signálu zp�sobené kombinací šumu za�ízení a p�íslušenství a nazna�ují dobrou reprodukovatelnost zkoušených vzork�.

Uvedené výsledky byly potvrzeny pro celý vzorek pomocí tahové zkoušky (podle EN ISO 527-1/2) vzork� materiálu. P�i recyklování plast� jsou tyto analýzy nenahraditelné pro zjiš�ování vlastností polymer� z rodiny styren�. 

Pod�kování

D�kujeme spole�nosti Carat GmbH (Bocholt, N�mecko) za spolupráci a plastové vzorky. Aplikace byla vyvinutá ve spolupráci s Erwin Jansen a Albert van Oyen (Carat GmbH).

Literatura

[1] „Plastics – Determination of tensile properties”, DIN EN ISO 527-1/2

[2] „Saechtling Kunststoff Taschenbuch“, 31. Auflage, Hanser Verlag, 2013

Další p�ístroj vhodný pro materiálové zkoušky a analýzy:

Výtla�ný plastometr pro stanovení indexu toku taveniny: zde »