Spettroscopia NIR nell'industria dei polimeri: lo strumento ideale per il controllo qualità e lo screening dei prodotti – Parte 5

La storia dei poliuretani

Nel 1937, il chimico tedesco Dr. Otto Bayer (1902–1982) ha inventato la versatile classe di materie plastiche che chiamiamo poliuretani. I poliuretani sono disponibili in una miriade di forme: vengono utilizzati in numerosi prodotti, da rivestimenti e adesivi a suole di scarpe, materassi e isolamento in schiuma. Nonostante la varietà delle loro caratteristiche, la chimica di fondo di queste diverse forme è sorprendentemente simile.

Come viene creato il poliuretano?

I poliuretani si formano facendo reagire polioli (cioè alcoli contenenti più di due gruppi idrossilici reattivi in ciascuna molecola) con diisocianati o isocianati polimerici. Ove necessario, vengono utilizzati catalizzatori e additivi adeguati. Poiché sia una varietà di diisocianati che un'ampia gamma di polioli possono essere utilizzati per produrre poliuretano, è possibile produrre un'ampia gamma di materiali poliuretanici per soddisfare i requisiti specifici per diverse applicazioni. I poliuretani possono presentarsi in una varietà di forme tra cui schiume rigide, schiume flessibili, adesivi speciali, rivestimenti resistenti agli agenti chimici, sigillanti ed elastomeri.

Proprietà fisiche e chimiche dei poliuretani

Le proprietà dei poliuretani dipendono fortemente dal loro processo di produzione. Quando la catena del poliolo (Figura 1) è lunga e flessibile, il prodotto finale sarà morbido ed elastico. Se invece il grado di reticolazione è molto elevato, il prodotto poliuretanico finale sarà tenace e rigido. La struttura reticolata dei poliuretani è generalmente costituita da reti tridimensionali che danno luogo a pesi molecolari molto elevati. Questa struttura spiega anche la natura termoindurente del polimero poiché il poliuretano tipicamente non si ammorbidisce o fonde quando esposto al calore.

Una delle forme più popolari di poliuretano è la schiuma. Questa forma viene creata facilitando la produzione di anidride carbonica durante il processo di polimerizzazione dell'uretano.

Applicazioni tipiche del poliuretano

L'applicazione principale del poliuretano è nella produzione di schiume (rigide e flessibili). Di seguito sono elencate altre importanti applicazioni e usi del poliuretano.

• Le schiume poliuretaniche flessibili a bassa densità sono ampiamente utilizzate nei materassi e nei sedili delle automobili.
• Le spugne da bagno e da cucina sono comunemente realizzate in poliuretano. Viene anche utilizzato nel processo di produzione di cuscini per sedili e divani.
• Il poliuretano viene anche utilizzato per produrre tessuti utilizzati in alcuni capi di abbigliamento e tappezzeria.
• Grazie alle sue buone proprietà isolanti, i materiali poliuretanici sono comunemente usati nei lavori di costruzione.
• Le modanature in poliuretano sono utilizzate anche nelle colonne e nei telai delle porte.
• Il poliuretano flessibile viene utilizzato nella produzione di cinghie e fasce parzialmente elastiche.
• Gli elastomeri di poliuretano a bassa densità trovano largo impiego nell'industria calzaturiera.

Nella Tabella 1 una varietà di proprietà del poliuretano viene confrontata con altri materiali convenzionali come gomma, metallo e plastica.

La spettroscopia nel vicino infrarosso come strumento per valutare la qualità dei poliuretani

La spettroscopia nel vicino infrarosso (NIRS) è un metodo consolidato per un controllo di qualità rapido e affidabile nell'industria del poliuretano da oltre 30 anni. Tuttavia, molte aziende continuano a non considerare coerentemente l'implementazione di NIRS nei loro laboratori QA/QC. Le ragioni potrebbero essere sia un'esperienza limitata in merito alle possibilità di applicazione, sia un'esitazione generale sull'implementazione di nuovi metodi.

Ci sono diversi vantaggi nell'utilizzo di NIRS rispetto ad altre tecnologie analitiche convenzionali. NIRS è in grado di misurare più parametri in soli 30 secondi senza alcuna preparazione del campione! L'interazione luce-materia non invasiva utilizzata da NIRS, influenzata dalle proprietà fisiche e chimiche del campione, lo rende un metodo eccellente per la determinazione di entrambi i tipi di proprietà.

Nel resto di questo post, viene presentata una breve panoramica delle applicazioni del poliuretano, seguita dalle soluzioni chiavi in mano disponibili per il poliuretano analisi sviluppata secondo le linee guida di implementazione NIRS di ASTM E1655-17.

Applicazioni e parametri per poliuretani con NIRS

Quando si producono diversi tipi di poliuretani, è importante controllare alcuni parametri per garantire la qualità dei prodotti finiti. I parametri tipici includono il numero di idrossile, il numero di acidità, l'umidità e il colore nei polioli, nonché il contenuto di NCO (isocianati), il numero di acidità (totale) e il contenuto di umidità nei poliuretani. Le applicazioni più rilevanti per l'analisi NIRS nella produzione di poliuretano sono elencate più avanti in questo articolo nella Tabella 2.

Dove possono essere utilizzati i NIRS nel processo di produzione del poliuretano?

Figura 2 mostra i singoli passaggi dal produttore di plastica tramite il compoundatore di plastica e il trasformatore di plastica al produttore di parti in plastica e schiuma.

Facile implementazione della spettroscopia NIR per i produttori di plastica

Metrohm ha una vasta esperienza nell'analisi delle poliammidi e offre a soluzione chiavi in mano sotto forma di DS2500 Polyol Analyzer. Questo strumento è una soluzione pronta all'uso per la determinazione di molteplici parametri di qualità in polioli e poliuretani. Per l'analisi di pellet e parti di poliuretano, è raccomandato l'Metrohm DS2500 Polyol Analyzer.

Scopri di più sulle possibilità dell'analisi dei polimeri con gli analizzatori Metrohm DS2500 nel nostro opuscolo gratuito.

DS2500 Analyzer – Aumenta l'efficienza nel laboratorio di controllo qualità con la spettroscopia nel vicino infrarosso (NIRS)

Esempio di applicazione: Pre-calibrazioni e modello di avviamento per l'industria delle PU sul DS2500 Polyol Analyzer

La determinazione dei parametri di seguito elencati in Tabella 2 è un processo lungo e impegnativo con metodi di laboratorio convenzionali. Per misurarli tutti sono necessarie diverse tecniche diverse che richiedono una notevole quantità di tempo, non solo per l'analisi del campione, ma anche per la gestione e la manutenzione dello strumento.

Il Modelli di previsione NIRS creati per i polioli si basano su un'ampia raccolta di spettri di prodotti reali e sono sviluppati 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 i polioli, scaica la nostra brochure e visita il nostro sito web.

Brochure: controllo di qualità dei polioli – Risultati rapidi con precalibrazioni NIR

Precalibrazione per l'analisi dei polioli

Un esempio di standard ASTM dedicato che fa riferimento a NIRS è ASTM D6342-12 Pratica standard per materie prime in poliuretano: determinazione del numero di idrossile di polioli mediante spettroscopia NIR (Vicino infrarosso). Il seguente esempio applicativo dimostra che l'analizzatore di polioli DS2500 operante nella regione spettrale del visibile e del vicino infrarosso (Vis-NIR) fornisce un soluzione economica e veloce per la determinazione del numero di ossidrile nei polioli e del contenuto di NCO (isocianato) nei poliuretani. Senza la preparazione del campione o sostanze chimiche richieste, la spettroscopia Vis-NIR consente l'analisi di tutti e tre i parametri di qualità elencati nella Tabella 2 in meno di un minuto. I risultati sono mostrati in Figura 4 e Figura 5.

Questo esempio applicativo dimostra che la spettroscopia NIR è particolarmente adatta per l'analisi di più parametri in polioli e poliuretani in meno di un minuto senza preparazione del campione o utilizzando reagenti chimici. 

Altre puntate di questa serie

Questo blog è una panoramica dettagliata dell'uso della spettroscopia NIR come strumento di controllo qualità ideale per polioli e isocianati per produrre poliuretano (PU). Altre puntate di questa serie sono dedicate a:

Panoramica della NIRS nella produzione di polimeri

Polietilene e polipropilene (PE e PP)

Polietilene tereftalato (PET)

Poliammide (PA)

La tua conoscenza "take-aways"

NIRS per soluzioni di laboratorio e NIRS per soluzioni di processo

Webinar on demand: Rivaluta il controllo qualità dei polimeri: spiegazione dei vantaggi della spettroscopia Raman e nel vicino infrarosso

Flyer: Analisi dei polimeri mediante spettroscopia NIR e Raman