La Carta di Identità di un materiale polimerico: alcune delle principali analisi identificative.

Per chi produce o trasforma materiali polimerici (e/o compound basati su matrici polimeriche), verificare o capire la tipologia di materiale con cui ha per varie ragioni a che fare, è una necessità molto comune.

Sia che si tratti di questioni relative, per esempio, alla qualità del prodotto (costanza del materiale utilizzato, controllo qualità del materiale in uscita, verifica della conformità del materiale in caso di contestazioni, ecc.) sia che si tratti di capire di quale materiale è fatto un pezzo, o un articolo, di composizione non nota, la determinazione della natura del materiale polimerico è di basilare importanza.

Il “mondo” delle analisi identificative è vastissimo e include una varietà di tecniche, e combinazioni di tecniche, enorme.

Anche solo introdurre i principi dei metodi implicherebbe una trattazione a dir poco estesissima e quindi andremo a descrivere, tramite esempi specifici, solo alcune particolari analisi identificative.

Tra le analisi identificative più comuni, e complementari, sicuramente si possono considerare la spettroscopia infrarossa (FT-IR) (https://rdlab137.it/it/laboratorio/spettroscopia.html) e la calorimetria a scansione differenziale (DSC) (https://rdlab137.it/it/laboratorio/analisi-termica.html).

Senza entrare nel dettaglio delle analisi citate, in termini generali si può dire che la prima (FT-IR) è un’analisi chimica particolarmente utile nel determinare la famiglia di appartenenza del polimero mentre la seconda (DSC), è un’analisi fisica (termica) adatta a valutare transizioni termiche, quali la temperatura di fusione, di un materiale.

La complementarietà di queste analisi è legata alle informazioni specifiche fornite da esse: per esempio l’analisi FT-IR riesce a identificare bene se la matrice polimerica è polietilene (PE) ma non a discriminare fra i vari tipi di PE che però, avendo differenti punti di fusione, sono identificabili tramite DSC.

Stesso discorso (spettro FT-IR praticamente identico ma termogramma DSC diverso) vale anche per una serie di copolimeri PA6T/66 che differiscono solo per la percentuale di uno dei monomeri (acido tereftalico, TA) (Fig.1a e Fig.1b).

Fig.1a: spettri FT-IR di due diverse PA6T/66; PA6T/66T con 55%TA (spettro verde) e PA6T/66 con 65%TA (spettro rosso)

Fig.1b: termogrammi DSC di due diverse PA6T/66; PA6T/66con 55%TA (termogramma verde) e PA6T/66con 65%TA (termogramma rosso). Prove condotte in N2 con rampa riscaldamento 20K/min

Di converso a fronte di polimeri con temperatura di fusione simile (per esempio PBT e PA6) l’analisi FT-IR aiuta a distinguere la famiglia di appartenenza (Fig.2a e Fig.2b).

Fig.2a: spettri FT-IR di PA6 (spettro verde) e PBT (spettro rosso)

Fig.2b: termogrammi DSC di PA6 (termogramma verde) e PBT (termogramma rosso). Prove condotte in N2 rampa riscaldamento 20K/min.

Quando poi si considerano materiali caricati (per esempio con fibra vetro, cariche minerali, fibra di carbonio, ecc.) o contenenti specifici additivi (per esempio additivi autoestinguenti) si può considerare anche un’altra analisi e cioè l’analisi termogravimetrica (TGA). (https://rdlab137.it/it/laboratorio/analisi-termica.html).

Questa analisi permette di valutare perdite di peso, durante il riscaldamento (in atmosfera inerte o meno) del materiale, associabili, in specifici casi, a determinati componenti.

L’uso combinato di queste tre analisi riesce a fornire un buon punto di partenza non solo per l’identificazione della matrice polimerica ma anche per avere delle indicazioni sulla composizione del compound basato sulla matrice polimerica identificata.

Come esempio di uso combinato delle varie analisi, possiamo considerare quanto deducibile dagli spettri e termogrammi riportati nelle figure 3, 4 e 5, relativi ad un compound di cui si desideri conoscere la composizione di massima.

Dall’analisi FT-IR (fig.3) si evidenzia che la matrice polimerica è poliammide (picchi zona 3300-2850 cm^-1), dal termogramma DSC (fig.4) tale informazione è confermata e completata in quanto il picco di fusione è tipico della PA66. Sempre dall’analisi FT-IR (fig.3) si evidenzia anche la presenza di PTFE e silicone (picchi specifici zona 800-500 cm^-1).

 Fig.3: spettri FT-IR di PA66 (spettro blu), silicone specifico (spettro rosso), PTFE (spettro verde) e del compound da identificare (spettro viola). A destra ingrandimento zona 1200-500 cm^-1 

Fig.4: termogrammi DSC di PA66 (termogramma verde) e del compound da identificare (termogramma rosso). Prove condotte in N2, rampa riscaldamento 20K/min

Dall’analisi TGA in azoto (fig.5) viene confermata (e anche quantificata con una buona approssimazione) la presenza di PTFE nonché l’assenza di cariche o rinforzi (nessun residuo, non attribuibile a quelli carboniosi della matrice, rimane a fine prova).

Fig.5: termogrammi TGA di PA66+20%PTFE (termogramma verde) e del compound da identificare (termogramma rosso). Prove condotte in N2, rampa riscaldamento 20K/min fino a 800°C

Per completezza, una valutazione della densità ed eventuale incenerimento del materiale, possono dare ulteriore conferma sulla presenza o meno di alcune cariche inorganiche o rinforzi e sulla quantità di PTFE.

In sintesi tramite queste tre analisi (FT-IR-DSC-TGA) si riesce ad avere un’indicazione non solo della natura della matrice polimerica ma anche una buona indicazione della composizione (formulazione) di massima del compound oggetto di analisi: si tratta infatti di una PA66 con PTFE (circa 20%) e silicone, non caricata.

Chiaramente per una corretta interpretazione (confronto) dei termogrammi e degli spetri è necessario avere a disposizione i termogrammi e gli spettri relativi a matrici polimeriche e additivi di vario tipo e genere (cioè serve avere a disposizione degli adeguati database).

Un ulteriore approfondimento, se necessario, può essere ottenuto usando altre analisi specifiche (come detto misurazione della densità e incenerimento, nonché estrazioni, analisi cromatografiche, SEM-EDX, ecc.) (https://rdlab137.it/it/laboratorio.html).

In effetti, come ID (“carta d’identità”) di un compound, un ente certificatore quale UL94, considera gli spettri e i termogrammi ottenuti dalle tre analisi citate (FT-IR, DSC, TGA), confrontandoli con quelli acquisiti sul materiale fornito come riferimento, considerando tolleranze specifiche per gli spettri e i termogrammi ottenuti dalle varie analisi.

In RDLab137 possiamo supportare nell’identificazione e nella verifica della composizione di un materiale tramite analisi FT-IR (anche su residuo post incenerimento del materiale), DSC (anche modulata) e TGA (anche ad alta risoluzione).

Sono inoltre disponibili una serie di ulteriori analisi specifiche, quali il SEM-EDX (sul materiale o sul residuo post incenerimento) (https://rdlab137.it/it/laboratorio/microscopiaelettronica-sem-edx.html) e varie analisi cromatografiche (https://rdlab137.it/it/laboratorio/cromatografia.html).

RDLab137 può inoltre fornire supporto e consulenza relativa non solo ad analisi compositive, ma anche su prove ed analisi funzionali mirate cioè alla valutazione dello specifico comportamento di un materiale per eventuale sviluppo di nuove composizioni, ottimizzazione delle esistenti e controtipazione.

Ing. Luca Ciceri - RDLAB137 srl

Ultima revisione: 01/04/2021