Publicaties

Sinds 2004 heeft PTG/e vele bedrijven ondersteund met haar kennis en expertise op het gebied van polymeren. Sommige van onze projecten hebben geleid tot patenten en wetenschappelijke publicaties. Informatie hierover is te vinden in de secties Patenten en Wetenschappelijke publicaties van deze website. PTG/e-nieuws en ander relevant nieuws is te vinden in de rubriek Nieuws.

Voorbeelden van projecten die we in het verleden hebben uitgevoerd, worden uitgelicht in de sectie Voorbeeld projecten.

Meten van thermische uitzetting door thermomechanische analyse (TMA)

Wanneer een materiaal wordt verwarmd of gekoeld, verandert zijn afmeting evenredig met de verandering van temperatuur. Met thermische expansie (of krimp) van materialen moet bij tal van toepassingen rekening worden gehouden.

We beschrijven dit belang aan de hand van twee bekende voorbeelden, weergegeven in Figuur 1, en bespreken kort hoe we deze eigenschap kunnen meten en beïnvloeden.

Thermal expansion analysis on an antenna by PTG Eindhoven. Measuring thermal expension in car reflectors by using TMA.

Figuur 1. Voorbeelden van toepassingen waarbij controle over thermische uitzetting van cruciaal belang is. Links: Antennetoren; rechts: reflector van een autokoplamp, zichtbaar achter de transparante kap.

Het eerste voorbeeld omvat 5G-antennes, die steeds belangrijker worden in het dagelijks leven omdat ze gegevens verzenden van onze telefoons, auto's en vele andere apparaten. In elke antenne is dataoverdracht het meest efficiënt wanneer de golflengtes van zender en ontvanger op elkaar zijn afgestemd. Omdat 5G in een hoog frequentiebereik (tot aan 54 GHz) werkt, kunnen deze antennes vrij klein zijn, aangezien de lengte van een antenne omgekeerd evenredig is met de frequentie. Dergelijke antennemodules zijn vaak compact ontworpen, wat als gevolg heeft dat de warmte van de geïntegreerde electronica zich kan ophopen. Bovendien worden veel van deze antennes blootgesteld aan allerlei weersomstandigheden en wisselende temperaturen. Dit betekent dat de antenne thermische uitzetting kan ondergaan, wat kan leiden tot verminderde efficiëntie of zelfs schade aan de antenne als gevolg van materiaalvervorming. Daarom is de thermische uitzettingscoëfficiënt een cruciale parameter bij de materiaalkeuze voor deze toepassing.

Het andere voorbeeld is een koplamp van een auto, met name gericht op het reflectorgedeelte (achter de transparante kap), dat als belangrijkste functie heeft om het licht op de weg te richten. Deze reflectoren zijn gevormde kunststof onderdelen, met aluminium gemetalliseerd om het licht te kunnen reflecteren. In zo'n onderdeel kan de temperatuur sterk variëren, niet alleen door weersinvloeden maar ook door de warmte die door de gloeilamp zelf wordt gegenereerd (hoewel dit bij moderne LED's minder een probleem is). Het plastic, vaak polycarbonaat (PC), zet echter veel meer uit bij toenemende temperatuur dan de metalen coating. Het is dus voorstelbaar hoe dit kan leiden tot delaminatie van de coating van het plastic, waardoor de reflector niet meer goed werkt. Dit voorbeeld toont dus ook aan hoe belangrijk het is om rekening te houden met het thermische uitzettingsgedrag van materialen, vooral wanneer ze worden gecombineerd in allerlei toepassingen.

Het uitzettingsgedrag van een materiaal kan worden beschreven met de thermische uitzettingscoëfficiënt (CTE), welke kan worden gemeten met behulp van thermomechanische analyse (TMA). TMA is een techniek die lengteveranderingen in een monster nauwkeurig meet als functie van temperatuur (of tijd). Uitzetting wordt gemeten in compressie of rek met behulp van kwartssondes, maar andere geometrieën (3-puntsbuig, penetratie) kunnen ook worden gebruikt om bijvoorbeeld verwekingstemperaturen te meten. Onze TMA-monsterhouder en compressie-sonde zijn te zien in Figuur 2 hieronder.

TMA graph image

Figuur 2. Links: Aluminium monster in de TMA-houder. De kwarts compressie-sonde meet nauwkeurig eventuele lengteveranderingen. Het thermokoppel aan de rechterkant controleert de temperatuur. Rechts: TMA-meetdata, met CTE-waarden voor elk materiaal.

Om verschillen in thermische uitzetting aan te tonen voor de materialen die in een autokoplamp worden gebruikt, hebben we verschillende materialen gemeten met onze PerkinElmer Diamond TMA: aluminium, PC en glas. De meetdata zijn ook weergegeven in Figuur 2.

We kunnen de CTE van de materialen berekenen uit de helling van de curves in Figuur 2, zoals weergegeven, welke tevens goed overeenkomen met waarden uit de literatuur. Bovendien kan TMA-data worden gebruikt om de glasovergangstemperatuur (Tg) van een polymeermonster te meten; dit PC-materiaal heeft een Tg 148 °C.

We zien duidelijk een groot verschil in de CTE voor PC en aluminium, wat het probleem voor het reflectorgedeelte van onze autokoplampmontage demonstreert en waar we dus een oplossing voor moeten bedenken. Een veelgebruikte methode om de CTE van polymeren te verlagen is het toevoegen van vulstoffen met een lage CTE, zoals glas. Een mogelijke oplossing zou daarom zijn om een PC-composiet te maken met glasvezels, omdat dit een goedkoop vulmiddel is en de vezels bovendien het polymeer versterken. Zo werd de CTE van een 30 % glasgevuld PC-composiet bepaald als 22 · 10-6 K-1, wat dicht bij de CTE van aluminium ligt en daarom een geschikt composietmateriaal zou zijn voor de toepassing van koplampreflectoren.

Bij het compounderen van dergelijke composieten moet echter met meer aspecten rekening worden gehouden, zoals vezeldispersie tijdens het compounderen of vezeloriëntatie tijdens verwerking van de onderdelen. Dit kan leiden tot anisotropie in de materiaaleigenschappen, wat sterk verschillende CTE's in de machine- of dwarsrichting tot gevolg kan hebben. Daarom is een zorgvuldige analyse van de CTE cruciaal in materiaal- en productontwikkeling.

We ondersteunen u graag met TMA-metingen voor al uw uitdagingen op het gebied van thermische uitzetting, dus neem gerust contact met ons op voor meer informatie.

 

TMA analysis done by PTG Eindhoven - The Material Innovators.

Polymeereigenschappen verbeteren

De unieke verstreklijn van PTG/e is in staat om tapes en vezels te verstrekken van polyolefinen tot hoge temperatuur polymeren, zoals polyamiden of keton polymeren. Door deze materialen in één richting uit te trekken, kunnen verbeterde mechanische eigenschappen (stijfheid en sterkte) worden verkregen.

Zo is bijvoorbeeld de hogere stijfheid van kunstgras de reden waarom het rechtop staat. En een hogere treksterkte is de reden waarom puin/bouwzakken en geweven shoppers zo sterk zijn. Naast deze alledaagse toepassingen is de composietindustrie ook zeer geïnteresseerd in de combinatie van materialen met een lage dichtheid (lichtgewicht) en hun verbeterde mechanische eigenschappen door verstrekken. Composieten op basis van verstrekte thermoplastische materialen vind je in allerlei extreme toepassingen, zoals lucht- en ruimtevaarttechniek, ballistische bescherming, transport van olie & gas en sport.

Drawing line PTG Eindhoven

De stijfheid (elasticiteitsmodulus) van thermoplastische polymeren zoals polyolefinen, polyamiden of keton polymeren, kan verbeterd worden door de polymeerketens in het materiaal in één richting te oriënteren. Hiervoor wordt het materiaal verstrekt tussen de glasovergangs- en de smelttemperatuur van het polymeer, ook wel “solid-state-drawing” genoemd. Zie de afbeelding hieronder.

cross-section drawing line PTG Eindhoven

Hoe werkt een verstreklijn?
De verstreklijn bestaat uit een frame met 5 godet rollen, een frame met 3 godet rollen gescheiden door 2 verwarmingszones in een oven, nog een frame met 3 godet rollen en ten slotte een winder. De verstreksnelheid kan per frame worden aangepast, of zelfs per rol op het oven frame. De temperatuur van elke inductie verhitte rol en ovenplaat is afzonderlijk regelbaar tot 280 °C. Na het verstrekken worden de materialen om een metalen of kartonnen buis gewikkeld voor verdere analyse bij PTG/e of bij de klant.

 

Drawing line PTG Eindhoven research brainport


Voordelen PTG/e verstreklijn

Doordat wij in staat zijn om kleine lengtes tape en vezels (vanaf 20 meter) op onze lijn te verstrekken, is er minder materiaal nodig voor uw testen. Ook kan uw eigen productielijn blijven draaien, aangezien u de testen in het PTG/e laboratorium uitvoert.
Wilt u meer weten over onze mogelijkheden, neem dan contact met ons op.

Drawing line PTG Eindhoven research brainport

Vooral voor polymeren: Size Matters!

Belangrijke eigenschappen van polymeren zoals de treksterkte en viscositeit hangen sterk af van de grootte, of beter gezegd, de ketenlengte van de macromoleculen waaruit ze bestaan. Met andere woorden, deze eigenschappen worden gedefinieerd door de molecuulgewichtsverdeling en het gemiddelde molecuulgewicht van het polymeer. Het meten van het molecuulgewicht van een polymeer levert daarom cruciale informatie op voor het begrijpen van vele aspecten die verband houden met het gedrag van polymeren.

Het meten van het molecuulgewicht van een polymeer levert daarom cruciale informatie op voor het begrijpen van vele aspecten die verband houden met het gedrag van polymeren.

Zo kunnen chemisch identieke polymeren verschillende mechanische eigenschappen vertonen als gevolg van een verschillend molecuulgewicht. Dergelijke verschillen zijn vaak het gevolg van de afbraak van polymeren en zijn vooral relevant in de context van recycling. Ook bij de productie van polymeren is het molecuulgewicht een belangrijke parameter bij de kwaliteitscontrole. Vaak wordt alleen de melt flow index (MFI) gemeten, terwijl kennis van het werkelijke molecuulgewicht (verdeling) een gedetailleerder beeld geeft. Ten slotte is bij de ontwikkeling van nieuwe polymeermaterialen de beoordeling van het molecuulgewicht een sleutelfactor voor het optimaliseren van synthese omstandigheden.

Het molecuulgewicht van veel conventionele polymeren kan gemakkelijk worden bepaald met een techniek die Size Exclusion Chromatography (SEC) wordt genoemd. Deze techniek scheidt opgeloste polymeermoleculen op basis van hun grootte door ze door een kolom met poreuze deeltjes te leiden. Terwijl de grotere moleculen de poriën niet kunnen binnendringen en daarom relatief snel uit de kolom elueren, komen de kleinere wel in de poriën van het kolommateriaal en ervaren dus een netto vertraging. Het uiteindelijke resultaat is een chromatogram, dat de hoeveelheid materiaal toont die uit de kolom elueert versus de elutietijd, waarbij de elutietijd omgekeerd evenredig is met het molecuulgewicht.

Een belangrijk probleem met SEC is het feit dat polymeren moeten worden opgelost in een geschikt oplosmiddel. Echter zijn niet alle polymeren hetzelfde en hun oplosbaarheid hangt sterk af van hun chemische aard en molecuulgewicht. Hoewel veel gangbare polymeren (bijvoorbeeld perspex of polystyreen) gemakkelijk worden opgelost in tetrahydrofuran (THF), hebben meer polaire materialen zoals polyamiden of sommige polyesters hexafluorisopropanol (HFIP) nodig voor volledige oplossing. Zelfs water (H2O) kan het enige geschikte oplosmiddel zijn voor bepaalde polymeren. Aan de andere kant kan de industrieel belangrijke klasse van polyolefinen (bijv. polyethyleen, polypropyleen) alleen worden opgelost in een gechloreerd oplosmiddel en wordt de volledige SEC-analyse uitgevoerd bij 160 ° C!

Het is duidelijk dat elk type materiaal specifieke meetomstandigheden nodig heeft om het molecuulgewicht te bepalen. Bij PTG/e hebben we jarenlange ervaring met polymeren van uiteenlopende aard. Onze moderne SEC-apparatuur, die op verschillende oplosmiddelen werkt, stelt ons in staat om molecuulgewicht bepalingen van bijna elk polymeer materiaal uit te voeren, inclusief die waarvan bekend is dat ze 'moeilijk' op te lossen zijn.

Neem contact met ons op als u wilt weten of molecuulgewicht bepaling door SEC een baanbrekend inzicht kan geven in uw materiaal!

Sec analysis by PTG Eindhoven.

Oppervlaktestructuur analyse met profilometrie

De analyse van oppervlaktestructuren is van groot belang in veel industrieën, zoals chip en sensorproductie, injektprinten of in de membraanproductie. In deze industrieën worden oppervlakteanalyses gebruikt voor kwaliteitscontrole, het controleren van oppervlakteruwheid of het vinden van de oorzaak van defecten.

 

Een van onze klanten had ons benaderd om een probleem met een uit te harden kunststof op te lossen. De toepassing van dit product vereist een vlakke ondergrond. De kunststof wordt eerst op een Teflon-film gegoten, om vervolgens het platte oppervlak van deze films op het kunststofproduct te 'kopiëren'. Met het blote oog lijkt zo'n film inderdaad vlak, maar oppervlakteprofilering onthulde dat de film diepteverschillen heeft van 1-1,5 micrometer (zie figuur 1). Een siliciumwafer, een bekend vlak substraatmateriaal, vertoont diepteverschillen van slechts 30 nanometer (zie figuur 2). Het gebruik van deze siliciumwafer als substraat voor de uit te harde kunststof leidde tot de gewenste gladheid van het eindproduct. Daarom stelde oppervlakte profielmeting onze klant in staat om het juiste substraat voor hun product te kiezen.

PTG Eindhoven Surface structure analysis by profilometry
Surface profiling

Figuur 1: Oppervlakteprofiel van teflonfolie.

Profilometry is a great way to analyse a surface of a product. There are two ways optical profilometry and stylus profilometry, For a soft surface optical profilometry will gif the best results.

Graph of surface profilometry. When a surface seems flat is doesn't mean it is. With this analysis technique we at PTG Eindhoven can analyse the surface of the material.

Figuur 2: Oppervlakteprofiel van het silicium (Si) wafer met een lijnprofielanalyse, aangegeven door het roze raster. Het lijnprofiel wordt weergegeven in de grafiek.

Een ander voorbeeld hieronder toont een microchip, die te vinden is in alledaagse apparaten zoals laptops of smartphones. Een gedetailleerd beeld van het complexe oppervlakteprofiel kan worden gebruikt om de chip te inspecteren op eventuele schade of verkeerde montage. De oppervlaktebeelden in figuur 3 werden verkregen door een optische oppervlakteprofiel meting.

2D image of a surface structure analysis by profilometry.

3D structure analysis by profilometry, in this result it's easy to see the surface is not flat.

Figuur 3: Oppervlakteprofiel in 2D en 3D van een microchip in gewone elektronica.

Met deze techniek kunnen oppervlakken snel en nauwkeurig worden geanalyseerd. Oppervlakteprofiel meting kan optisch gebeuren (optische profilometrie), waarbij licht wordt gebruikt om een oppervlak te verlichten. Het gereflecteerde licht wordt gedetecteerd en vertaald naar een 2D/3D profielbeeld. Profielmetingen kunnen echter ook fysiek worden uitgevoerd (stylus profilometrie), waarbij een stylus wordt gebruikt om een oppervlak af te tasten. Beide technieken zijn uiterst gevoelig en kunnen diepteverschillen van minder dan 1 nanometer meten. Welke techniek de voorkeur heeft, hangt af van het monsteroppervlak. Voor een zacht oppervlak kies je voor optische profilometrie, zodat het oppervlak niet verandert als resultaat van de meting. Als een oppervlak (bijna) al het licht absorbeert, heeft stylus profilometrie de voorkeur.

Bij PTG/e bieden we zowel optische als stylus profilometrie aan, elke techniek heeft zijn voor- en nadelen (die vaak kunnen worden gecompenseerd door de andere techniek). We overleggen, en beslissen altijd samen met onze klant, welke techniek geschikt is voor hen.

Bent u geïnteresseerd in optische en fysieke oppervlakteprofilering? Neem dan contact met ons op, we bespreken graag de mogelijkheden.
Contact

 

Surface analysis one of the analysis techniques from PTG Eindhoven.

rBio-based aliphatic/aromatic poly(trimethylene furanoate/sebacate) random copolymes: Correlation between mechanical, gas barrier performances and compostability and copolymer

Agata Zubkiewicz, Anna Szymczyk, Rafaël J. Sablong, Michelina Soccio, Giulia Guidotti, Valentina Siracusa, Nadia Lotti
Polymer Degradation and Stability, 195,2022, 109800

TGA-IR-GC-MS Hyphenation setup

Door de analysetechnieken TGA, FT-IR en GC-MS te combineren via koppeling van de apparaten verkrijgt men een krachtige analysetechniek. Met deze TGA-IR-GC-MS 'Hyphenation setup' is het mogelijk om complexe en onbekende materialen te identificeren.

PTG/e maakt gebruik van een TGA-IR-GC-MS 'Hyphenation setup' van PerkinElmer.
Enkele toepassingen voor het gebruik van deze techniek zijn:

  • Identificatie van additieven, zoals weekmakers in diverse kunststoffen
  • Het bepalen van de primaire componenten van een materiaal
  • Analyseren van onbekende vervuilingen in een materiaal zoals geurstoffen of oplosmiddel

Het te meten monster wordt geplaatst in de TGA en met een in te stellen snelheid verhit tot een bepaalde temperatuur. Tijdens het verwarmen van een materiaal kan gewichtsverlies optreden door bijvoorbeeld het verdampen van oplosmiddelen of het thermisch degraderen van een materiaal. In een TGA analyse wordt deze gewichtsafname bepaald. De gassen die ontstaan tijdens de verdamping of thermische degradatie worden via een transfer line overgebracht naar de FT-IR. In de FT-IR wordt het gas gemeten met infrarood straling. De molecuulverbindingen in het gemeten gas reageren elk anders op infrarood straling, waardoor het mogelijk is om een (infrarood) spectrum op te nemen om zo de molecuulverbindingen te identificeren.

TGA spectrum

IR spectrum

Vervolgens kunnen de gassen geïnjecteerd worden in de kolom van de GC-MS. Afhankelijk van de affiniteit van het materiaal met de kolom, de temperatuur van de kolom en de snelheid van het draaggas, gaat het materiaal met een bepaalde snelheid door de kolom. Deze snelheid bepaalt de verblijftijd in de kolom. Aangezien verschillende materialen een verschillende verblijftijd kunnen hebben, kan de GC gebruikt worden om componenten in het geïnjecteerde monster van elkaar te scheiden.

GC spectrum

Aan het eind van de GC-kolom is een massa spectrometer (MS) geplaatst. In dit apparaat worden de gescheiden componenten geïoniseerd en vervolgens in een elektrisch veld gebracht. Afhankelijk van de massa en de lading krijgen deze ionen een bepaalde snelheid. Dat principe wordt gebruikt om een MS spectrum te creëren. De combinatie van verblijftijd en MS spectrum is uniek voor een component, en kan dus gebruikt worden voor de identificatie van deze component.

MS spectrum

Naast gebruik van de volledige hyphenation opstelling is het ook mogelijk om de individuele analysetechnieken te gebruiken, of een gedeeltelijke hyphenation opstelling, zoals bijvoorbeeld TGA – IR of TGA – GC-MS. De specifieke vereiste opstelling hangt af van wat er precies moet worden geanalyseerd.

Hyphenation setup

PerkinElmer apparatuur:
TGA 4000
FT-IR Frontier
Clarus 690 GC & SQ8T MS
RedShift Transferline

Meer informatie over onze Apparatuur & Technieken

Case-Hyphenation TGA-GC-MS by PTG Eindhoven.