推進聚合物發展,打造更美好的未來

由聚合物製成的產品在我們身邊隨處可見,從安全衛生的食品和個人護理包裝到防紫外線的合成纖維衣物,聚合物是我們日常生活中的一個重要組成部分。塑膠具有多功能性,從而成為替代木材、金屬、陶瓷和玻璃等傳統材料的輕質、經濟之選,應用於建築和施工、汽車和家居領域。塑膠的耐用性成就了塑膠的廣泛應用;然而,由於廢物處理不當,也導致了環境中塑膠廢物的積累。

塑膠廢物的高環境成本給聚合物行業的科學家和工程師帶來了巨大的壓力,他們需要保持創新,開發更多的可持續材料,在保持產品性能的同時,考慮到廢物的處理。TA Instruments強大的聚合物分析解決方案為實驗室創新提供驅動力,因此您可以專注於為更好的未來,構建可持續的解決方案。

Hyphenation-Polymer

聚合物可持續性推動創新

來自消費者、品牌所有者和公共政策的需求正在推動塑膠的可持續發展,影響到塑膠生產每個階段的生產商-從樹脂製造商到聚合物生產商、母料生產商和轉化商。為此,塑膠行業正在通過廣泛的可持續解決方案來解決塑膠廢物問題,包括使用後回收(PCR)和工業回收(PIR)樹脂、生物來源/生物降解聚合物,以及開發創新聚合物,新型聚合物的設計考慮到使用後的回收問題。在上述方案中,由於品牌所有者承諾在新產品可再生物質的含量,因此對使用再生樹脂給予了強烈關注。

對於塑膠行業來說,由於廢舊塑膠原料具有可變性和污染,從而為可再生樹脂的加工帶來了一系列新的挑戰,特別是當與特性良好的原始樹脂批次相比時。此外,必須在不影響客戶和消費者要求的產品性能的情況下加入再生樹脂。在一個日益活躍的市場環境中,對高性能、可持續材料的需求不斷增加,競爭激烈,從而使得聚合物生產商在應對日益增長的市場趨勢並保持領先地位的同時,也產生了一種高度的緊迫感。

Waters | TA Instruments的聚合物分析解決方案能夠助力研發科學家和工藝工程師更有效地表徵複雜的再生樹脂原料,探索其對產品和工藝的影響,同時提高分析實驗室的運行效率。結合Waters |TA Instruments豐富的熱分析儀、流變儀和機械測試儀,深入瞭解聚合物的加工和功能特性,加速產品創新,實施工藝改進,並助力您的實驗室在實現企業的可持續發展目標方面取得成功。

整個供應鏈的聚合物表徵和分析測試

通過熱分析、流變學和機械測試,輕鬆地測量基本的聚合物特性,如熔點、結晶度和粘彈性。在產品開發和製造的每個階段,準確的測量使您能夠優化加工條件,提高產品在最終使用時的性能。

單體與其他原材料合成聚合物時需要仔細控制過程,以闡明聚合物的化學性和結構。催化劑結構和反應條件決定了最終聚合物的分子量和分子量分佈,影響到加工性能及其對最終用途的適用性。

分析技術為聚合物的基礎研究提供動力,並提供QA/QC相關的材料特性,確保聚合物的開發和生產與最終應用參數吻合。

差示掃描量熱儀 (DSC)

相變

  • 熔化溫度 (Tm)
  • 熔解熱量
  • 玻璃態轉化(Tg)
  • 結晶度

熱容

熱穩定性

  • 氧化誘導時間(OIT)
  • 氧化反應時間(OOT)
熱重分析儀 (TGA)

熱穩定性

  • 分解溫度

成分確定

  • 揮發性或溶劑含量
  • 填料含量(殘餘物)
  • 分解產物
  • 逸出氣體分析, TGA-MS, TGA-FTIR, TGA-GCMS
流變學

可加工性

  • 粘度流動曲線
  • 零剪切黏度
  • 粘彈性能(儲存模量、損失模量)
  • 交叉點模量和頻率

熔化強度

  • 延伸粘度
動態力學分析 (DMA)

材料的機械特性

  • 儲存模量,損失模量,tan delta
  • 玻璃態轉化 (Tg)

機械各向異性的特徵

  • 儲存模量,損失模量,tan delta
機械測試負載框架

材料強度

  • 楊氏模量、屈服強度、極限強度、斷裂伸長率
  • 疲勞和耐久性,S-N曲線
  • 強度與溫度的關係

最終裝配強度

  • 撓曲、彎曲或擠壓失效點
  • 疲勞和耐久性,S-N曲線
  • 強度與溫度的關係

聚合物添加劑可強化樹脂性能,並可為特定應用量身定制,從而增加其價值。化合物生產商和母粒生產商將純樹脂與適當的穩定劑、相容劑、抗氧化劑或著色劑組合,開發出可加工的配方。這種預配化合物可由加工廠直接加工;另外,濃縮色母粒為分配添加劑提供了一種靈活且具有成本效益的選擇,因為它們在加工過程中可與基礎樹脂一起使用。

添加劑生產商、化合物生產商商和母粒生產商利用聚合物表徵來透徹瞭解樹脂的特性,評估添加劑如何改變其性能,並確保其客戶能夠正確使用。

差示掃描量熱儀 (DSC)

相變

熔化溫度 (Tm)

  • 熔解熱量
  • 玻璃態轉化(Tg)
  • 結晶度

熱穩定性

  • 氧化誘導時間(OIT)
  • 氧化反應時間(OOT)
熱重分析儀 (TGA)

熱穩定性

  • 分解溫度

成分確定

  • 揮發性或溶劑含量
  • 填料含量(殘餘物)
流變學

可加工性

  • 粘度流動曲線
  • 零剪切黏度
  • 粘彈性能(儲存模量、損失模量)
  • 交叉點模量和頻率
動態力學分析 (DMA)

材料的機械特性

  • 儲存模量,損失模量,tan delta

熱塑性塑膠加工通過注射成型、擠出、吹塑和熱成型等技術,將以化合物和母料形式提供的樹脂轉化為薄膜、片材和其他剛性形狀。在聚合物價值鏈方面,分析技術有助於優化工藝條件和故障排除,研究產品在最終使用環境條件下的性能,並確定現場產品故障的根本原因。

動態力學分析 (DMA)

材料的機械特性

  • 儲存模量,損失模量,tan delta
  • 玻璃態轉化 (Tg)

混合物相容性特徵

  • 儲存模量,損失模量,tan delta

熱量和濕度對機械性能的影響

  • 儲存模量,損失模量,tan delta
  • 玻璃態轉化 (Tg)
差示掃描量熱儀 (DSC)

熱穩定性

  • 氧化誘導時間(OIT)
  • 氧化反應時間(OOT)

批次間可重複性

  • 結晶度
熱重分析儀 (TGA)

熱穩定性

  • 分解溫度

成分確定

  • 填料含量(殘餘物)
  • 分解產物
流變學

可加工性

  • 粘度流動曲線
  • 零剪切黏度
  • 粘彈性能(儲存模量、損失模量)
  • 交叉點模量和頻率

熔化強度

  • 延伸粘度

由加工廠商生產的塑膠部件經常被用於OEM製造商的產品中,成為一個更大的元件的組成部分。塑膠的終端市場應用多種多樣,包括食品和消費者護理產品的包裝,以及汽車、建築和施工、醫療設備和個人電子設備的應用。使用分析技術來描述產品性能、預測產品壽命和進行故障分析研究讓塑膠產品的終端使用者從中受益。

機械測試負載框架
材料強度

  • 楊氏模量、屈服強度、極限強度、斷裂伸長率
  • 疲勞和耐久性,S-N曲線
  • 強度與溫度的關係

最終裝配強度

  • 撓曲、彎曲或擠壓失效點
  • 疲勞和耐久性,S-N曲線
  • 強度與溫度的關係
差示掃描量熱儀 (DSC)

熱穩定性

  • 氧化誘導時間(OIT)
  • 氧化反應時間(OOT)

相變

  • 結晶度
熱重分析儀 (TGA)

熱穩定性

  • 分解溫度
動態力學分析 (DMA)

材料的機械特性

  • 儲存模量,損失模量,tan delta
  • 玻璃態轉化 (Tg)

混合物相容性特徵

  • 儲存模量,損失模量,tan delta

熱量和濕度對機械性能的影響

  • 儲存模量,損失模量,tan delta
  • 玻璃態轉化 (Tg)

機械各向異性的特徵

  • 儲存模量,損失模量,tan delta

在其使用壽命終止後,大多數塑膠產品可以被回收,作為再生材料使用。機械回收是一種常用的處理回收塑膠的方法,通過一系列的分揀、清洗、粉碎和擠壓步驟,生產出可再生塑膠(PCR)的薄片或顆粒,從而將其轉化為新產品。替代方法包括應用了氣化、熱解或甲醇等技術的化學或高級回收方式,將回收的材料分解為原料,提供了一條迴圈途徑,從而獲得與原生塑膠相似的材料。

無論採用何種方法來加工PCR,與加工原生材料相比,再生樹脂本身是複雜和具有挑戰性的。分析技術助力聚合物研究人員和工藝工程師確定原料變化和污染對工藝條件和產品性能的影響,使他們能夠重新配製產品以減輕任何不利影響。

差示掃描量熱儀 (DSC)

通過相變進行聚合物識別

  • 熔化溫度 (Tm)
  • 玻璃態轉化(Tg)

熱穩定性

  • 氧化誘導時間(OIT)
  • 氧化反應時間(OOT)

過程條件優化

  • 結晶度
熱重分析儀 (TGA)

熱穩定性

  • 分解溫度

成分確定

  • 揮發性或溶劑含量
  • 填料含量(殘餘物)

分解分析

  • 分解動力學
  • 逸出氣體分析, TGA-MS, TGA-FTIR, TGA-GCMS
流變學

可加工性

  • 粘度流動曲線
  • 零剪切黏度
  • 粘彈性能(儲存模量、損失模量)
  • 交叉點模量和頻率

熔化強度

  • 延伸粘度
動態力學分析 (DMA)

可再生樹脂材料機械性能分析

  • 儲存模量,損失模量,tan delta
  • 玻璃態轉化 (Tg)
機械測試負載框架

可再生樹脂材料強度

  • 楊氏模量、屈服強度、極限強度、斷裂伸長率
  • 疲勞和耐久性,S-N曲線
  • 強度與溫度的關係

可再生樹脂最終裝配強度

  • 撓曲、彎曲或擠壓失效點
  • 疲勞和耐久性,S-N曲線
  • 強度與溫度的關係
聚合物製造商

單體與其他原材料合成聚合物時需要仔細控制過程,以闡明聚合物的化學性和結構。催化劑結構和反應條件決定了最終聚合物的分子量和分子量分佈,影響到加工性能及其對最終用途的適用性。

分析技術為聚合物的基礎研究提供動力,並提供QA/QC相關的材料特性,確保聚合物的開發和生產與最終應用參數吻合。

差示掃描量熱儀 (DSC)

相變

  • 熔化溫度 (Tm)
  • 熔解熱量
  • 玻璃態轉化(Tg)
  • 結晶度

熱容

熱穩定性

  • 氧化誘導時間(OIT)
  • 氧化反應時間(OOT)
熱重分析儀 (TGA)

熱穩定性

  • 分解溫度

成分確定

  • 揮發性或溶劑含量
  • 填料含量(殘餘物)
  • 分解產物
  • 逸出氣體分析, TGA-MS, TGA-FTIR, TGA-GCMS
流變學

可加工性

  • 粘度流動曲線
  • 零剪切黏度
  • 粘彈性能(儲存模量、損失模量)
  • 交叉點模量和頻率

熔化強度

  • 延伸粘度
動態力學分析 (DMA)

材料的機械特性

  • 儲存模量,損失模量,tan delta
  • 玻璃態轉化 (Tg)

機械各向異性的特徵

  • 儲存模量,損失模量,tan delta
機械測試負載框架

材料強度

  • 楊氏模量、屈服強度、極限強度、斷裂伸長率
  • 疲勞和耐久性,S-N曲線
  • 強度與溫度的關係

最終裝配強度

  • 撓曲、彎曲或擠壓失效點
  • 疲勞和耐久性,S-N曲線
  • 強度與溫度的關係
化合物/母粒

聚合物添加劑可強化樹脂性能,並可為特定應用量身定制,從而增加其價值。化合物生產商和母粒生產商將純樹脂與適當的穩定劑、相容劑、抗氧化劑或著色劑組合,開發出可加工的配方。這種預配化合物可由加工廠直接加工;另外,濃縮色母粒為分配添加劑提供了一種靈活且具有成本效益的選擇,因為它們在加工過程中可與基礎樹脂一起使用。

添加劑生產商、化合物生產商商和母粒生產商利用聚合物表徵來透徹瞭解樹脂的特性,評估添加劑如何改變其性能,並確保其客戶能夠正確使用。

差示掃描量熱儀 (DSC)

相變

熔化溫度 (Tm)

  • 熔解熱量
  • 玻璃態轉化(Tg)
  • 結晶度

熱穩定性

  • 氧化誘導時間(OIT)
  • 氧化反應時間(OOT)
熱重分析儀 (TGA)

熱穩定性

  • 分解溫度

成分確定

  • 揮發性或溶劑含量
  • 填料含量(殘餘物)
流變學

可加工性

  • 粘度流動曲線
  • 零剪切黏度
  • 粘彈性能(儲存模量、損失模量)
  • 交叉點模量和頻率
動態力學分析 (DMA)

材料的機械特性

  • 儲存模量,損失模量,tan delta
加工廠商

熱塑性塑膠加工通過注射成型、擠出、吹塑和熱成型等技術,將以化合物和母料形式提供的樹脂轉化為薄膜、片材和其他剛性形狀。在聚合物價值鏈方面,分析技術有助於優化工藝條件和故障排除,研究產品在最終使用環境條件下的性能,並確定現場產品故障的根本原因。

動態力學分析 (DMA)

材料的機械特性

  • 儲存模量,損失模量,tan delta
  • 玻璃態轉化 (Tg)

混合物相容性特徵

  • 儲存模量,損失模量,tan delta

熱量和濕度對機械性能的影響

  • 儲存模量,損失模量,tan delta
  • 玻璃態轉化 (Tg)
差示掃描量熱儀 (DSC)

熱穩定性

  • 氧化誘導時間(OIT)
  • 氧化反應時間(OOT)

批次間可重複性

  • 結晶度
熱重分析儀 (TGA)

熱穩定性

  • 分解溫度

成分確定

  • 填料含量(殘餘物)
  • 分解產物
流變學

可加工性

  • 粘度流動曲線
  • 零剪切黏度
  • 粘彈性能(儲存模量、損失模量)
  • 交叉點模量和頻率

熔化強度

  • 延伸粘度
終端市場

由加工廠商生產的塑膠部件經常被用於OEM製造商的產品中,成為一個更大的元件的組成部分。塑膠的終端市場應用多種多樣,包括食品和消費者護理產品的包裝,以及汽車、建築和施工、醫療設備和個人電子設備的應用。使用分析技術來描述產品性能、預測產品壽命和進行故障分析研究讓塑膠產品的終端使用者從中受益。

機械測試負載框架
材料強度

  • 楊氏模量、屈服強度、極限強度、斷裂伸長率
  • 疲勞和耐久性,S-N曲線
  • 強度與溫度的關係

最終裝配強度

  • 撓曲、彎曲或擠壓失效點
  • 疲勞和耐久性,S-N曲線
  • 強度與溫度的關係
差示掃描量熱儀 (DSC)

熱穩定性

  • 氧化誘導時間(OIT)
  • 氧化反應時間(OOT)

相變

  • 結晶度
熱重分析儀 (TGA)

熱穩定性

  • 分解溫度
動態力學分析 (DMA)

材料的機械特性

  • 儲存模量,損失模量,tan delta
  • 玻璃態轉化 (Tg)

混合物相容性特徵

  • 儲存模量,損失模量,tan delta

熱量和濕度對機械性能的影響

  • 儲存模量,損失模量,tan delta
  • 玻璃態轉化 (Tg)

機械各向異性的特徵

  • 儲存模量,損失模量,tan delta
臨終回收

在其使用壽命終止後,大多數塑膠產品可以被回收,作為再生材料使用。機械回收是一種常用的處理回收塑膠的方法,通過一系列的分揀、清洗、粉碎和擠壓步驟,生產出可再生塑膠(PCR)的薄片或顆粒,從而將其轉化為新產品。替代方法包括應用了氣化、熱解或甲醇等技術的化學或高級回收方式,將回收的材料分解為原料,提供了一條迴圈途徑,從而獲得與原生塑膠相似的材料。

無論採用何種方法來加工PCR,與加工原生材料相比,再生樹脂本身是複雜和具有挑戰性的。分析技術助力聚合物研究人員和工藝工程師確定原料變化和污染對工藝條件和產品性能的影響,使他們能夠重新配製產品以減輕任何不利影響。

差示掃描量熱儀 (DSC)

通過相變進行聚合物識別

  • 熔化溫度 (Tm)
  • 玻璃態轉化(Tg)

熱穩定性

  • 氧化誘導時間(OIT)
  • 氧化反應時間(OOT)

過程條件優化

  • 結晶度
熱重分析儀 (TGA)

熱穩定性

  • 分解溫度

成分確定

  • 揮發性或溶劑含量
  • 填料含量(殘餘物)

分解分析

  • 分解動力學
  • 逸出氣體分析, TGA-MS, TGA-FTIR, TGA-GCMS
流變學

可加工性

  • 粘度流動曲線
  • 零剪切黏度
  • 粘彈性能(儲存模量、損失模量)
  • 交叉點模量和頻率

熔化強度

  • 延伸粘度
動態力學分析 (DMA)

可再生樹脂材料機械性能分析

  • 儲存模量,損失模量,tan delta
  • 玻璃態轉化 (Tg)
機械測試負載框架

可再生樹脂材料強度

  • 楊氏模量、屈服強度、極限強度、斷裂伸長率
  • 疲勞和耐久性,S-N曲線
  • 強度與溫度的關係

可再生樹脂最終裝配強度

  • 撓曲、彎曲或擠壓失效點
  • 疲勞和耐久性,S-N曲線
  • 強度與溫度的關係

應用示例 – 聚合物表徵與加工

在一個基本層面上,熱塑性塑膠加工的關鍵步驟可以分解為3個基本步驟。

  1. 通過加熱熔化/軟化樹脂
  2. 定形
  3. 冷卻產品並釋放

這三個步驟適用於不同的聚合物加工技術,包括注塑成型和擠壓成型以及熱成型和吹膜成型,儘管生產參數的細節可能不盡相同。在此,我們仔細研究了在聚合物加工的每個階段經常遇到的關鍵問題,並通過聚合物表徵技術提供相應說明。

這種樹脂的加工溫度是多少?

瞭解聚合物軟化和熔化的溫度是與聚合物加工有關的一個基本材料特性。作為擠出、注塑和吹塑工藝的第一步,樹脂顆粒通常被加熱到熔點以上;對於熱成型和吹塑,樹脂被加熱到玻璃轉化溫度以上,使其軟化,但不完全熔化。從固體樹脂顆粒(低能量狀態)到軟化或完全熔化的顆粒(高能量狀態)的這種轉變需要能量輸入,可以用差示掃描量熱法(DSC)來測量。

在DSC測試中,當溫度以恒定的速度上升時檢測樣品的熱流。熱轉換,如熔化和玻璃轉變,為吸熱事件,即材料在進入高能量狀態時吸收熱量。該結果還揭示了有關聚合物形態的資訊,無定形和半結晶狀態之間有明顯的差異。在DSC測試的第一個熱迴圈中,無定形材料顯示出寬廣的玻璃化轉變而不熔化,而半結晶聚合物則有一個尖銳和明顯的熔化峰。由於熔化和玻璃轉變溫度對每種聚合物來說都是獨一無二的,這一資訊可用於在加工前快速評估採購原料的品質。

DSC測量結果可解答如下問題:
  • 原料評估:這是一種純粹的聚合物,還是一種混合物?供應商A的樹脂能否用供應商B的低成本樹脂代替?
  • 加工過程中:完全熔化樹脂顆粒需要多少熱能?
  • 加工後:是否有加工後與接收時的熱量記錄?(第1個與第2個熱量對比)
  • 臨終回收:這批PCR(可再生樹脂)是否有其他聚合物的明顯污染?

這種樹脂是如何分解的?

常見的熱塑性塑膠加工技術,如擠壓、注塑成型和吹塑,需要將樹脂加熱到熔點以上進行加工。然而,精確控制加工溫度是非常重要的,避免在高溫下發生樹脂降解。對於聚合物來說,降解的起始溫度可以被確定為開始發生明顯失重(通常>5%)的溫度,可採用熱重分析儀(TGA)來測量。

在聚合物的熱分析過程中,TGA測試通常在DSC測試之前進行,因為TGA的結果有助於建立後續測試的溫度上限。除了確定加工的降解溫度,TGA結果還定量地揭示了樹脂中主要成分的組成,如基礎聚合物、增塑劑和填料的存在量。可進一步分析在TGA實驗中產生的廢氣,從而瞭解分解產物的化學特性。逸出氣體分析(EGA)可將即時TGA資料與FTIR和GC-MS的結果相結合,從而為測量提供強大支援。

TGA測量結果可解答如下問題:
  • 原料評估:這種樹脂在多長時間內會分解?什麼是分解曲線?
  • 加工工藝:這批樹脂中是否有揮發性物質?加工後是否會有廢氣產生?
  • 失效分析:填料含量中好與壞的部分的分解情況是否有區別?
  • 臨終回收:在熱解過程中,在什麼溫度下會出現最大的重量損失?此批回收的樹脂中存在哪些污染物?
相關應用程式說明:

這種樹脂在加工和最終使用時的穩定性如何?

樹脂中經常會使用穩定劑和其他添加劑,以避免在加工和最終使用條件下遇到的環境影響而發生降解。這些添加劑包括抗氧化劑、氧清除劑、熱和紫外線穩定劑或阻燃劑,可確保在加工過程中和產品的使用壽命內保持聚合物的預期特性。穩定劑本身是易失品,在暴露於高溫或紫外線下時,會逐漸消耗掉;一旦穩定劑完全耗盡,聚合物的性能就開始迅速退化。

穩定劑的性能可以通過DSC上的氧化誘導時間(OIT)分析進行評估。在這個等溫測試中,DSC中的吹掃氣體從氮氣切換到氧氣,提供了一個消耗穩定劑的環境。在聚合物降解開始時,熱流信號開始增加,時間被記為OIT。

DSC上的溫度斜率也可用於測量氧化起始時間(OOT),這是衡量聚合物穩定性的一個指標。OIT和OOT測試也都可以使用高壓DSC儀器進行,通過加速穩定劑的消耗來減少測試時間。

DSC的OIT & OOT 測量結果可解答如下問題:
  • 原料評估:這種樹脂可以按原樣處理嗎?是否需要抗氧化劑來增加穩定性?
  • 失效分析:這一部分抗氧化劑是否達到了適合最終使用條件所需的水準?
  • 臨終回收:  需要多少抗氧化劑來穩定和處理這批可再生樹脂(PCR)?
相關應用程式說明:

這種樹脂是如何流動的?

在使用注塑成型和擠出技術加工聚合物時,聚合物熔體的粘度和粘彈性行為起著重要作用。在基本層面上,粘度代表了材料的內部流動阻力 – 粘度較高的樹脂流動速度較慢,需要更多的時間來填充模具,增加了週期時間,並具有出現缺陷的可能性,如欠注情況。因此,測量和精確控制樹脂的粘度至關重要,可確保工藝的穩定性並消除批次間的差異。

對於聚合物熔體,粘度曲線取決於變形率,也稱為剪切率。在擠壓和注塑過程中遇到的高剪切率時,粘度曲線在冪律區顯示出剪切變薄行為 – 隨著剪切率的增加,粘度下降。這種剪切率的依賴性受到聚合物分子量分佈和分支程度的影響。

雖然高剪切率與加工條件有關,但低剪切率下的粘度測量對於揭示樹脂的分子結構至關重要。第一個牛頓高原的零剪切粘度與樹脂的分子量直接相關,可以用旋轉流變儀測量。

粘彈性與分子量/分子量分佈有什麼關係?

在旋轉流變儀上進行的振盪試驗,通過在一定時間範圍內的小變形來探測聚合物的結構,對聚合物的粘彈性能進行重要的瞭解。結果提供了聚合物的儲存模量(G’)、損失模量(G”)和複合粘度(η*)作為振盪頻率的函數,並可用於更好地瞭解聚合物的鬆弛動態。這些參數受樹脂的分子量、分子量分佈和長鏈分支結構的強烈影響。與熔體流動指數儀或毛細管流變學相比,旋轉流變學測試的粘彈性曲線對可能導致加工問題的高分子量污染特別敏感。

旋轉流變儀的粘度和粘彈性測量值可回答下列問題:
  • 原料評估:粘彈性曲線如何受樹脂分子量/分子量分佈的批次間變化的影響?
  • 可加工性:在與製造過程有關的所有剪切率下,樹脂是否具有合適的粘度?
  • 使用壽命結束:臨終回收:再生樹脂中的污染和MW變化對加工有何影響?
相關應用程式說明:

這種樹脂是否具有足夠的熔體強度用於吹塑?

吹塑、吹膜、熱成型和纖維紡絲等製造工藝涉及對聚合物熔體施加延伸變形;變形過程相當於氣球或泡泡糖被吹成球形。成功的產品取決於聚合物熔體維持大變形而不斷裂或塌陷的能力,可以用拉伸粘度進行定量描述。

與剪切粘度相比,拉伸粘度的測量對分子結構極為敏感。  具有高度長鏈分支(LCB)的聚合物在伸長變形過程中顯示出應變硬化效應,特別是在速度增加時。  這種行為表明在延伸過程中具有較高的熔體強度,有助於穩定氣泡,防止塌陷,或避免出現薄纖維斷裂。  相反,具有線性形態(無分支)的聚合物往往不能成功加工。

傳統的流量測量不能充分檢測這種關鍵的性能差異。可以在旋轉流變儀上使用延伸粘度附件(EVA)輕鬆進行延伸粘度測量。

拉伸粘度的測量值可回答下列問題:
  • 可加工性:這種樹脂的強度是多少?泡沫在破裂前能承受多大的拉伸力?
  • 使用壽命結束:這個批次的再生樹脂的加工參數是否需要改變?將這批回收的樹脂加工成薄膜需要哪些添加劑?(例如,延鏈器)

加工條件如何影響產品的結晶度?

聚乙烯(PE)、聚丙烯(PP)和聚對苯二甲酸乙二醇酯(PET)這樣的半結晶熱塑性塑膠在一系列應用中得到廣泛使用,包括包裝材料應用。半結晶聚合物形態的特點是局部有序的結晶區域穿插在無組織的非結晶區域之間。結構中這些結晶域的存在賦予了理想的最終使用性能,包括增加強度、耐磨性能和耐化學性。然而,控制加工條件以達到產品所需的結晶度水準是至關重要的,因為高結晶度會導致產品變脆,降低光學清晰度,或導致翹曲和收縮缺陷。

結晶是將無定形的、高能量的結構轉化為有組織的、低能量的固體結晶結構的過程–這種轉變會釋放能量,可以用差示掃描量熱法(DSC)作為放熱峰準確測量。DSC測試通常在3個不同的步驟中進行,涉及熱-冷-熱迴圈。第一個熱迴圈對收到的材料進行評估,並為材料提供一個均勻的、明確的熱量記錄。

一旦熔化,DSC曲線的冷卻週期就會提供關於結晶的資訊 – 結晶開始和結束的溫度,以及快速提供結晶動力學的概述。通過更詳細的等溫試驗,可以獲得對結晶動力學的更多瞭解。結晶的數量和速度可以通過添加成核劑來控制;然而,結晶率也會受到可作為成核劑的再生樹脂中的染料、著色劑或污染物的影響。由於結晶度對產品性能有直接影響,仔細測量和控制結晶度對避免產品在終端應用中出現失效問題至關重要。

DSC測量結果可解答如下問題:
  • 加工工藝:多大的冷卻速率才能達到結晶度要求?是否需要成核劑?
  • 使用壽命結束:採用可再生樹脂PCR製造的產品的結晶度如何能與原生材料的產品相匹配?
相關應用程式說明:

產品的性能如何?

瞭解產品在最終應用條件下的性能有助於指導產品配方、工藝優化,並在故障排除和故障分析中發揮重要作用。對於塑膠產品來說,機械性能與最終使用的產品性能密切相關,可以通過不同的機械測試技術來評估,獲取材料的模量信息。根據變形的類型,還可以獲得更多資訊。

  • 單向測試: 在外加載荷下的單向變形至失效 – 在載荷增加的條件下對材料進行測試(如應力-應變曲線)。
  • 疲勞測試:瞭解反復載入帶來的損壞和失效 – 在迴圈次數增加的條件下對材料和成品進行測試(例如,S/N曲線)
  • 動態力學分析 (DMA) 研究固體粘彈性能與溫度和變形頻率的關係(例如,玻璃轉化溫度(Tg),時間-溫度疊加(TTS))。

DMA測試可助力研究固體試樣在彎曲、壓縮或拉伸變形下機械性能對溫度依賴性。通過存儲模量(E’)、損失模量(E”)和tan(δ)(阻尼係數)提供有關材料粘彈性能的定量資訊。當聚合物試樣被加熱時,它們會發生轉變,這些轉變反映在這些機械參數中。DMA是測量玻璃轉化和β轉化溫度的最敏感的技術之一,因為它可以捕捉到溫度升高帶來的局部聚合物流動性的細微變化。

DMA測量結果可解答如下問題:
  • 加工工藝:這批樹脂是否被均勻地混合以達到混溶性?
  • 產品性能:對於預期的最終使用環境條件(溫度、相對濕度),該產品機械強度/剛度是否符合要求?
  • 使用壽命結束:採用可再生樹脂生產的產品是否與用原生樹脂生產的產品的機械性能一致?
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案例分析

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Engineering a Greener Approach to Polymers

Rowan University uses Waters and TA Instruments technology to advance materials research with the goal to utilize nature’s chemistry sustainably to enhance material performance

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