Spettroscopia NIR nell'industria dei polimeri: lo strumento ideale per il controllo qualità e lo screening dei prodotti - Parte 2

25 mag 2021

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Questo articolo è Parte 2 di una serie.

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Polipropilene e polietilene: una breve introduzione

Lo sapevi che il polipropilene (PP) e il polietilene (PE) sono le materie plastiche più prodotte al mondo? I prodotti realizzati in PP e PE sono così onnipresenti che ognuno di noi li incontra più volte al giorno. In questo articolo imparerai come la spettroscopia NIR può migliorare l'efficienza della tua analisi PP e PE lungo diverse fasi del ciclo di produzione. Ma prima, otteniamo un po' di informazioni di base su PP e PE.

Il polipropilene (noto anche come polipropilene o PP) ha una formula chimica di (C₃H₆)_n. È un polimero termoplastico prodotto principalmente da monomeri di propilene. Il PP è un prodotto plastico versatile che funge anche da fibra. Nel 1954 fu polimerizzato per la prima volta contemporaneamente dal chimico, professore italiano e vincitore del premio Nobel Giulio Natta e Karl Rehn, un chimico tedesco.

Il polipropilene ha la capacità unica di poter essere prodotto con diversi metodi ed essere utilizzato in molte applicazioni come imballaggi, stampaggio a iniezione e fibre. Questo prodotto di plastica è il secondo più popolare al mondo, preceduto solo dal polietilene.

Anche il polietilene (o polietilene, PE) è un polimero, ma è costituito da monomeri di etilene e ha la formula chimica (C₂H₄)_n. La prima sintesi di PE nel 1898 da parte dello scienziato tedesco Hans von Pechmann fu casuale. Simile al PP, anche il PE è un termoplastico.

Il PE è la plastica più utilizzata al mondo. Il polietilene è molto stabile ed è un buon isolante elettrico. Ha un punto di fusione molto basso e viene utilizzato in grandi quantità per l'industria automobilistica e dell'imballaggio alimentare. Circa il 70% del PE viene utilizzato in imballaggi per alimenti, contenitori per alimenti, pallet e persino in casse e bottiglie.

Figure 1. Strutture molecolari di PE e PP.

Il polietilene è disponibile in diverse tipologie:

Polietilene ad altissimo peso molecolare (UHMWPE)
Polietilene a peso molecolare ultra basso (ULMWPE o PE-WAX)
Polietilene ad alto peso molecolare (HMWPE)
Polietilene ad alta densità (HDPE)
Polietilene reticolato ad alta densità (HDXLPE)
Polietilene reticolato (PEX o XLPE)
Polietilene a media densità (MDPE)
Polietilene lineare a bassa densità (LLDPE)
Polietilene a bassa densità (LDPE)
Polietilene a densità molto bassa (VLDPE)
Polietilene clorurato (CPE)

Differenze tra polipropilene e polietilene

Quale è meglio, polipropilene o polietilene? Tutto dipende dall'applicazione! Per quale scopo vengono utilizzati? Entrambi i polimeri sono considerati «materie plastiche di base». Si tratta di materie plastiche utilizzate in volumi elevati per un'ampia gamma di applicazioni.

Confrontiamo alcune delle proprietà di ciascuno.

**Tabella 1.** Grafico di confronto tra polipropilene e polietilene.
Polipropilene (PP)	Polietilene (PE)
Proprietà chimiche
Semicristallino Borsa in polipropilene	Inerte, traslucido Borsa in polietilene
Proprietà elettriche
Alta carica statica Scarso isolante	Bassa carica statica Buon isolante
Punto di fusione
130–171 °C	115–135 °C
Formula chimica
(C₃h₆)_n	(C₂h₄)_n
Usi
Fibre, film, cappucci, cerniere, carta sintetica	Sacchetti di plastica, bottiglie, contenitori per alimenti, pallet, geomembrane, film in plastica, casse, ecc.
Densità
0,855 g/cm³ amorfo 0,946 g/cm³ cristallino	0,88–0,96 g/cm³
Costo relativo
Basso	medio

NIRS come strumento per valutare la qualità di PP e PE

Da oltre 30 anni, la spettroscopia nel vicino infrarosso (NIRS) è stata un metodo consolidato per un controllo di qualità rapido e affidabile nell'industria del PP/PE. Nonostante ciò, molti produttori continuano a non considerare coerentemente l'implementazione di NIRS nei loro laboratori QA/QC. L'esperienza limitata in merito alle possibilità di applicazione o un'esitazione generale sull'implementazione di nuovi metodi sono alcune delle ragioni alla base di ciò.

I vantaggi dell'utilizzo della spettroscopia NIR per QA/QC sono numerosi. Uno dei principali vantaggi di NIRS è la determinazione di più parametri in soli 30 secondi senza preparazione del campione! L'interazione non invasiva luce-materia utilizzata da NIRS, influenzata dalle proprietà fisiche e chimiche del campione, rende NIRS un metodo adatto per la determinazione di diversi parametri di qualità critici in questi polimeri e molti altri.

Nel resto di questo articolo, viene presentata una breve panoramica sulle applicazioni di PE e PP, seguita dalle soluzioni chiavi in mano disponibili per PE e PP, sviluppate secondo le linee guida di implementazione NIRS di ASTM E1655-17.

Applicazioni e parametri per PE e PP con NIRS

Durante la produzione di PE e PP è importante controllare alcuni parametri per garantire la qualità. Questi parametri includono la densità per classificare il tipo PE, il livello di copolimero per migliorare alcune proprietà come la forza e la resistenza ai solventi e la velocità di scorrimento per assicurarsi che il PP possa essere formato nella forma prevista.

Le applicazioni più rilevanti per l'analisi NIRS di PE e PP sono elencati in Tabella 2.

**Tabella 2.** Note applicative disponibili per l'uso di NIRS per PE e PP
Polimero	Parametro	Note sull'applicazione NIRS correlate
Polietilene (HDPE/LDPE)	Identificazione, densità, Melt Flow Index, livello di copolimero	AN-NIR-083 AN-NIR-081 AN-NIR-034 AN-NIR-003
Polipropilene (PP)	Identificazione, Melt Flow Index, Additivi	AN-NIR-083 AN-NIR-082 AN-NIR-034 AN-NIR-004

Dove possono essere utilizzati i NIRS nel processo di produzione di PE e PP?

La figura 2 mostra le singole fasi di produzione dal produttore di plastica tramite un compoundatore di plastica e un trasformatore di plastica al produttore di parti in plastica. Il primo passaggio in cui è possibile utilizzare strumenti di laboratorio nel vicino infrarosso è quando vengono prodotti polimeri puri come PE e PP e la loro purezza deve essere confermata. NIRS è anche una tecnica molto utile durante la fase successiva in cui i polimeri vengono composti in prodotti intermedi da utilizzare per ulteriori lavorazioni.

Facile implementazione della spettroscopia NIR per i produttori di plastica

Metrohm ha una vasta esperienza nell'analisi di PE e PP e offre a soluzione chiavi in mano sotto forma di Analizzatore di polimeri DS2500. Questo strumento è una soluzione pronta all'uso per determinare più parametri di qualità in PE e PP.

Esempio applicativo: Soluzione chiavi in mano per la determinazione del Melt Flow Rate (MFR) di PP

Il Melt Flow Rate dei pellet di polipropilene è un parametro importante da misurare affinché il PP possa essere formato nella forma prevista. Il modello creato con il software chemiometrico si basa su un'ampia raccolta di spettri di prodotti reali ed è sviluppato in conformità con ASTM E1655-17 Pratiche standard per l'analisi quantitativa multivariata a infrarossi. Per informazioni più dettagliate su questo argomento, scarica il White paper gratuito.

Spettroscopia nel vicino infrarosso: analisi quantitativa secondo la norma ASTM E1655

Per saperne di più sulle precalibrazioni per PP, scarica la nostra brochure e visita la nostra pagina web dedicata.

Brochure: controllo di qualità dei polimeri (PE, PP, PET, poliammide) – Risultati rapidi con precalibrazioni NIR

Precalibrazione per polipropilene (PP)

Il risultato di questa soluzione chiavi in mano per la determinazione non distruttiva del Melt Flow Rate del PP senza prove reologiche è mostrato in Figura 4.

Questa soluzione dimostra la fattibilità della spettroscopia NIR per l'analisi di MFR in campioni di polipropilene. La procedura standard (ASTM D1238) richiede una notevole quantità di lavoro tra cui l'imballaggio del campione, il preriscaldamento e la pulizia. Senza la preparazione del campione o sostanze chimiche necessarie, la spettroscopia Vis-NIR consente l'analisi di MFR in meno di un minuto.

Scopri di più sulla procedura nella nostra Application Note gratuita!

Controllo Qualità del Polipropilene – Determinazione non distruttiva della portata fusa senza prove reologiche

Altre puntate di questa serie

Questo articolo è una panoramica dettagliata dell'uso della spettroscopia NIR come strumento QC ideale per l'analisi di polipropilene e polietilene. Altre puntate di questa serie sono dedicate a:

Panoramica dei NIRS nella produzione di polimeri

Polietilentereftalato (PET)

Poliammide (PA)

Polioli e isocianati per produrre poliuretano (PU)