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An Kunststoffen scheiden sich die Geister, denn sie sind praktisch und preiswert, haben aber schädliche Auswirkungen auf die Umwelt. Sie sind überall zu finden - von Museen bis zur modernen Medizin und sogar in den Wellen der Meere. Kunststoff ist allgegenwärtig und die Raman-Spektroskopie kann überall dort, wo er vorkommt, zur Identifizierung, Klassifizierung und Qualitätsprüfung eingesetzt werden.

Raman-Spektroskopie zur Polymeranalyse

Die Raman-Spektroskopie wird zunehmend für die Analyse von Polymeren eingesetzt, da sie zerstörungsfrei ist, keine Probenvorbereitung erfordert und innerhalb von Sekunden Ergebnisse liefert. Sie ist benutzerfreundlich und selbst technisch nicht versierte Anwender können damit vor Ort Daten sammeln. Raman ist außerdem umweltfreundlich, es werden keine Chemikalien, Lösungsmittel oder Materialien für die Probenvorbereitung benötigt und es entsteht kein Abfall.

 

Erfahren Sie mehr über die Grundlagen der Raman-Spektroskopie in unserem Blogartikel. 

FAQ zur Raman-Spektroskopie: Theorie und Anwendung

Abbildung 1. Metrohm bietet Tisch-, Handheld- und Prozess-Raman-Spektrometer (nicht abgebildet) an.

Die Raman-Spektroskopie hat viele grundlegende Qualitäten, die andere Techniken für die Polymeranalyse übertreffen. Dazu gehören: hohe Materialspezifität, große Bibliotheken bekannter Substanzen und Gemische und die Möglichkeit, Kunststoffe in unzähligen Formen zu untersuchen, darunter klare und farbige Verbundstoffe, Beschichtungen und Klebstoffe. Diese Genauigkeit und Flexibilität ist der Schlüssel zur präzisen Charakterisierung von Kunststoffen und Mischungen; jede Abweichung von einer Standard-Polymermischung kann deren physikalische Eigenschaften und Farbe verändern. 

Was macht die Raman-Spektroskopie einzigartig?

Nur wenige spektroskopische Techniken erfüllen den Bedarf an schnellen, einfachen, genauen, zerstörungsfreien und flexiblen Prüfungen: Nahinfrarot- (NIR) und Raman-Spektroskopie führen diese Liste an. Diese Techniken qualifizieren und quantifizieren verschiedene Polymere für Forschungs-, Analyse- und Qualitätskontrollzwecke.

Durch die Messung von Behältern mit Raman-Spektroskopie wird das Personal vor unbekannten Substanzen geschützt.
Abbildung 2. Durch die Messung von Behältern mit Raman-Spektroskopie wird das Personal vor unbekannten Substanzen geschützt.

Zu den wichtigsten Vorteilen der Raman-Spektroskopie bei der Analyse von Polymeren und Kunststoffen gehören:

  • In-situ-Probenahme, die mit hochauflösenden tragbaren Raman-Geräten möglich ist.
  • Verbesserte Sicherheit durch Tests durch dünne Barrieren, um sowohl menschlichen Kontakt als auch Materialkontamination zu vermeiden (Abbildung 2).
  • Hohe Spezifität - Die Raman-Spektroskopie ist ideal für die Unterscheidung zwischen sehr ähnlichen Substanzen.
  • Eliminierung von störender Fluoreszenz. Mit Raman können mehr moderne Materialien als je zuvor analysiert werden, einschließlich farbiger Kunststoffe.
  • Erfahren Sie mehr in unserem zugehörigen Whitepaper.
  • Die Raman-Spektroskopie ist als quantitative Analysetechnik vielversprechend.

Wie die Raman-Spektroskopie die Polymerindustrie beeinflussen kann

Die weltweite Entwicklung hin zu einer 100% Prüfung der eingehenden Waren und Qualitätskontrollen in der Produktionslinie erfordert effiziente und ressourcenschonende Methoden. Die Fähigkeiten von Raman machen es zu einem idealen Verfahren für die Qualitätskontrolle (QC). Mit Raman können Hersteller Rohmaterialien schnell und direkt am Wareneingang prüfen, bevor sie in die Produktion gelangen, und so Kosten vermeiden, die mit langen Wartezeiten im Labor, Produktionsunterbrechungen und der Schulung von technischem Personal verbunden sind. Zu den besten Empfehlungen für Raman gehören die Einfachheit und Benutzerfreundlichkeit für den Bediener. Man muss kein ausgebildeter Spektroskopiker sein, um Raman zu nutzen!

Die genaue Kenntnis der Zusammensetzung von Rohstoffen und Harzmischungen ermöglicht es den Herstellern, Polymerisationsprozesse zu steuern und zu optimieren und konsistentere Produkte herzustellen, die den Kundenspezifikationen am besten entsprechen. 

Zum Beispiel erscheinen Polymerrohstoffe oft als weiße oder schwarze Pellets, aber es kann schwierig sein, ihre Zusammensetzung zu erkennen, wenn man sie nur ansieht. Die Vorläufer der heutigen Raman-Geräte von Metrohm wurden verwendet, um eine Raman-Spektrenbibliothek zu erstellen, die auf einer Reihe von Polymerreferenzen der ResinKit Company in Woonsocket, RI (USA), basiert. Diese Bibliothek wurde von einem weltweit tätigen Hersteller von künstlichen Gelenken bei jedem Schritt des Produktionsprozesses verwendet. Obwohl es unmöglich ist, zwischen Polyamid und Polycarbonat visuell zu unterscheiden, ist die Unterscheidung der beiden Materialien unerlässlich, da unterschiedliche Harzmischungen die Leistung und Langlebigkeit des Endprodukts beeinflussen.

 

Weitere Informationen über Verwendung der Raman-Spektroskopie zur Identifizierung und Charakterisierung von Polymeren finden Sie in unserer Application Note:

Die Vorteile der Raman-Spektroskopie zur Identifizierung und Charakterisierung von Polymeren

Anwendungen der Raman-Polymeranalyse

Mit der Raman-Spektroskopie kann die Identifizierung von Polymeren in weniger als zwei Minuten durchgeführt werden. 

Die Hauff-Technik GmbH & Co. KG in Hermaringen, Deutschland, ist einer der weltweit führenden Hersteller von Kunststoffkabeln, -rohren und -baubedarf. Diese Produkte werden aus Polymerpellets hergestellt, das von der chemischen Industrie geliefert wird. Als Hauff-Technik bereit war, ein Verfahren zur Qualitätskontrolle der eingehenden Materialien zu entwickeln, entschied man sich für die Raman-Spektroskopie, anstatt in ein teures Labor zu investieren. Jetzt werden die eingehenden Polymergranulate von verschiedenen Lieferanten mit einem tragbaren Raman-Gerät MIRA XTR in einem schnellen, einfachen und bequemen Prozess im Wareneingang überprüft.

MIRA XTR ist für den QC-Prozess von Hauff-Technik einzigartig geeignet. Viele Polymergranulate sind farbig und können eine Herausforderung für die Raman-Spektroskopie darstellen.  Schwarze Polymerpellets sind beispielsweise dafür bekannt, dass sie Fluoreszenz verursachen, was zu einem schlechten Raman-Signal führt. MIRA XTR kann diese Herausforderungen meistern und die Identität von farbigen Pellets und fluoreszierenden Proben genau und zuverlässig überprüfen. 

 

Lesen Sie weiter, um mehr über die Erfahrungen von Hauff-Technik mit MIRA für die Polymeridentifizierung zu erfahren..

MIRA XTR zur ID-Verifizierung eingehender Polymerpellets

Die frühesten kommerziellen Kunststoffe, die als brauchbare Alternativen zu natürlichem Elfenbein entwickelt wurden, finden sich in Billardkugeln und Zahnprothesen aus Zelluloid. Die chemische Charakterisierung früher Kunststoffe in Museumssammlungen gibt Aufschluss über die frühe Zelluloidzusammensetzung und die Risiken durch den Abbau. Dies sind perfekte Anwendungen für die Raman-Spektroskopie, da sie wichtige Daten sammeln kann, ohne historische Artefakte zu beschädigen. 

Eine 155 Jahre alte Billardkugel, die von John Wesley Hyatt erfunden wurde, ist ein bahnbrechendes Beispiel für verstärkte Polymerverbundstoffe. MIRA wurde eingesetzt, um die komplexe Zusammensetzung der „originalen“ Hyatt-Zelluloid-Billardkugel aus dem Jahr 1868 in der Smithsonian Institution aufzudecken [1].

MIRA wurde auch eingesetzt, um die Zusammensetzung und den Abbauzustand von 21 verschiedenen frühen Zelluloidgebissen aus dem National Museum of American History und dem National Museum of Dentistry von Dr. Samuel D. Harris zu untersuchen [2]. Ein Zitat aus dem Artikel [2] lautet: „Das tragbare Raman-Gerät hat sich als hervorragendes In-situ-Werkzeug zur Untersuchung von Polymermaterialien erwiesen.“

Mikroplastik, d. h. Kunststoffabfälle mit einer Größe von weniger als 5 mm, ist die häufigste Form von Meeresmüll und stellt weltweit ein wachsendes Problem dar. Forschungsteams greifen auf Raman als wirksames Instrument zur Identifizierung von Mikroplastik zurück, da eine zuverlässige Charakterisierung von Mikroplastik Aufschluss über ihren Ursprung gibt und hilft, biologische Auswirkungen vorherzusagen. 

Mikroskopische Proben eignen sich schlecht für die herkömmliche Raman-Analyse, aber mit der Raman-Mikroskopie können winzige, einzelne Kunststoffpartikel untersucht werden. In einer spannenden Anwendung wurden Wasserproben aus der Delaware Bay (USA) gesiebt und die gesammelten Mikroplastikpartikel mit dem i-Raman EX Tragbares Raman-Spektrometer identifiziert.

 

Weitere Informationen finden Sie in unserer Application Note:

Identifizierung von Mikroplastik mit Raman-Mikroskopie


In einem anderen Szenario tut MIRA genau das, wofür es entwickelt wurde: Es liefert Ergebnisse in Laborqualität in nicht-traditionellen Testszenarien. Das tragbare MIRA-Spektrometer wird zur Analyse und Rückverfolgung der Quellen von Plastikpartikeln eingesetzt, die bei den Expeditionskampagnen der MED im Mittelmeer gesammelt wurden [3]. Mit diesen Informationen können die Entscheidungsträger den Umweltschutz besser in die Wege leiten.

Die Raman-Spektren der wichtigsten handelsüblichen Kunststoffe sind leicht zu unterscheiden, selbst mit Zusatzstoffen wie Farbstoffen und nach jahrelanger Umwelteinwirkung.
Abbildung 3. Die Raman-Spektren der wichtigsten handelsüblichen Kunststoffe sind leicht zu unterscheiden, selbst mit Zusatzstoffen wie Farbstoffen und nach jahrelanger Umwelteinwirkung.

Forschungsgruppen auf der ganzen Welt setzen die Raman-Spektroskopie ein, um Kunststoffabfälle zu charakterisieren, zu sortieren und die Auswirkungen langfristiger Umwelteinflüsse auf sie zu bestimmen, um das so genannte „Recycling-Dilemma“ zu lösen [4]. Bevor das Kunststoffrecycling effizienter werden und die weltweiten Kunststoffabfälle erheblich beeinflussen kann, müssen die Schwierigkeiten bei der Sortierung und der Identifizierung von gemischten und abgebauten Materialien überwunden werden. Raman ist eine effektive Lösung für all diese Probleme (Abbildung 3).

Zusammenfassung

Die Raman-Spektroskopie ist nicht nur ein schnelles Analyseverfahren, sondern auch zerstörungsfrei, umweltfreundlich und einfach in der Anwendung. Handgehaltene und tragbare Raman-Instrumente tragen dazu bei, dass sich diese Technologie auch an ungewohnten Orten durchsetzen kann. Der Einsatz von Raman für die Analyse verschiedener Polymere ist ein großartiges Beispiel dafür, wie die Technologie uns helfen kann, die Welt zu verstehen - vom Meer bis zur Qualitätskontrolle!

Referenzen

[1] Neves, A.; Friedel, R.; Melo, M. J.; et al. Best Billiard Ball in the 19th Century: Composite Materials Made of Celluloid and Bone as Substitutes for Ivory. PNAS Nexus 2023, 2 (11), pgad360. DOI:10.1093/pnasnexus/pgad360

[2] Neves, A.; Friedel, R.; Callapez, M. E.; et al. Safeguarding Our Dentistry Heritage: A Study of the History and Conservation of Nineteenth–Twentieth Century Dentures. Heritage Science 2023, 11 (1), 142. DOI:10.1186/s40494-023-00989-2

[3] Bruno. A device used by the scientific police to study the nature of plastics collected at sea. Expédition MED. https://www.expedition-med.org/actualites/un-appareil-utilise-par-la-police-scientifique-pour-etudier-la-nature-des-plastiques-preleves-en-mer/ (accessed 2024-08-08).

[4] emmao. The Recycling Conundrum. Plastic Free Communities, 2024.

Ihr Wissen zum Mitnehmen

Interview: Polymer-ID-Verifizierung in weniger als zwei Minuten

Application Note: Identifizierung von Mikroplastik mit Raman-Mikroskopie

Application Note: Die Vorteile der Raman-Spektroskopie zur Identifizierung und Charakterisierung von Polymeren

Fluoreszenzfreie 785 nm Materialidentifikation mit MIRA XTR DS

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Dieses kostenlose Whitepaper bietet einen Überblick über Methoden zur Fluoreszenzunterdrückung, die Vorteile von MIRA XTR DS und Anwendungsbeispiele (z. B. gefährliche Chemikalien, illegale Drogen, Zutaten und Produkte in der Lebensmittel- und Getränkeindustrie sowie hergestellte Materialien).

Autor
Gelwicks

Dr. Melissa Gelwicks

Marketing Specialist
Metrohm Raman (a division of Metrohm Spectro), Laramie, Wyoming (USA)

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