Controllo qualità e analisi dei guasti dei campioni di gomma tramite gli strumenti Bruker

I materiali in gomma possono essere classificati in naturali e sintetici e la maggior parte dei materiali commercializzati è di origine sintetica. Spesso questi prodotti sono miscele complesse che contengono una moltitudine di componenti diversi. Per garantire una qualità costante del prodotto, è fondamentale controllare regolarmente la qualità dei prodotti in entrata e in uscita.

La spettroscopia Infrarossa (IR) è un metodo di analisi efficiente per verificare l'identità chimica delle merci in entrata nonché dei prodotti intermedi e finiti.  Oltre al controllo della qualità, la spettroscopia IR è uno strumento utile per il reverse engineering di prodotti della concorrenza e permette anche di quantificare singoli componenti come le cariche. Lo strumento ideale per misurazioni IR di routine è lo spettrometro FTIR compatto ALPHA II (figura 1, sinistra). Può essere equipaggiato con una gamma molto ampia di moduli di campionamento, come ad esempio ATR, unità in trasmissione, in riflessione diffusa (DRIFT) e può essere utilizzato per una moltitudine di applicazioni diverse.

Quando si analizzano i guasti di un prodotto, spesso non è facile determinare la fonte degli errori, poiché in molti casi sono presenti difetti microscopici che non sono accessibili con un approccio di misura macroscopico. Per questi campioni di polimeri piccoli e disomogenei, il microscopio FTIR LUMOS II (vedi figura 1, a destra) è il sistema ideale, in quanto permette di visualizzare e misurare anche le più piccole inclusioni. Per l'identificazione dei componenti incogniti del campione, lo spettro misurato viene ricercato in librerie dedicate ed estese.

Principio della spettroscopia FTIR
La spettroscopia FTIR (infrarosso a trasformata di Fourier) è una tecnica di analisi consolidata da molti decenni. Sfrutta il fatto che ogni sostanza chimica ha un proprio spettro, proprio come un'impronta digitale. La Figura 2 mostra gli spettri di un monomero, di un polimero e di un riempitivo. Pertanto, la spettroscopia FTIR viene applicata per l'analisi di sostanze organiche e inorganiche e può essere utilizzata sia per le sostanze pure che per le miscele. Utilizza la luce infrarossa che viene assorbita in modo diverso a diversi numeri d’onda, a seconda delle caratteristiche del campione. La posizione e l'intensità delle bande di assorbimento misurate possono essere utilizzate per l'identificazione e la quantificazione di campioni e miscele.

I campioni più piccoli possono essere analizzati con l'ausilio del microscopio FTIR che permette di misurare campioni su scala micrometrica, come fibre e particelle. Possono essere identificati selettivamente strati sottili o inclusioni poiché è possibile misurare aree di campione definite con precisione. Tramite misure completamente automatizzate, si possono generare le cosiddette immagini del campione, che mostrano la distribuzione dei singoli composti chimici.

Strumentazione
Oggi la maggior parte delle misurazioni di routine viene eseguita principalmente con la tecnica ATR (Attenuated Total Reflection), poiché è molto più comoda da usare rispetto alla tradizionale modalità in trasmissione. In questo modo la radiazione IR penetra leggermente (pochi micron) nella superficie del campione. Il rilevatore IR dello spettrometro FTIR può quindi misurare l'assorbanza del campione. In genere, è sufficiente una piccola quantità di campione e non è necessaria alcuna preparazione. Un altro vantaggio è rappresentato dai costi di gestione molto bassi, in quanto non sono necessari materiali di consumo.

Lo spettrometro FTIR ALPHA II di Bruker è uno strumento compatto per l'ispezione delle merci in entrata e il controllo qualità che può essere utilizzato anche per molte applicazioni di sviluppo del prodotto. Per la misurazione, il campione deve solo essere posto a contatto con il cristallo ATR. I campioni solidi devono essere premuti contro il cristallo tramite un meccanismo di pressione, mentre i campioni liquidi possono essere misurati direttamente (figura 3). Il materiale cristallino più comune è il diamante, poiché è estremamente duro e chimicamente inerte. Soprattutto per i campioni scuri con un elevato contenuto di nero fumo, tuttavia, il germanio è spesso la scelta migliore grazie al suoindice di rifrazione significativamente più alto.

Con l'ausilio del microscopio FTIR LUMOS II è anche possibile analizzare campioni microscopicamente piccoli come difetti, particelle e inclusioni senza alcuna preparazione del campione.

Esempio di applicazione: Analisi di un O-Ring
L'utilizzo di O-Ring errati comporta un elevato rischio, in quanto potrebbe causare il guasto di macchine e persino di interi impianti di produzione industriale. Gli O-Ring possono essere realizzati da tantissime diverse composizioni di materiali, che possono differire notevolmente in termini di proprietà chimiche e fisiche. L'esempio seguente mostra la misurazione di un O-ring di 7 mm realizzato con un materiale sconosciuto. Lo spettro è stato misurato con un ATR in Germanio e successivamente identificato tramite confronto automatico con una libreria contenente circa 280 spettri. La Figura 4 mostra il risultato della ricerca con lo spettro del campione in rosso e lo spettro della libreria mostrato in blu. La linea di base di entrambi gli spettri è dovuta all'elevato contenuto di nero fumo del campione. Con un'ottima qualità di risposta (hit quality) di 924 (max. 1000), il campione è stato identificato come gomma nitrile-butadiene (NBR).

Esempio di applicazione: Failure Analysis di un campione di gomma
Il campione di gomma nera qui esaminato presenta impurità sotto forma di macchie bianche microscopicamente piccole. Inoltre, sono presenti disomogeneità vagamente distinguibili con un contrasto molto più debole nell'immagine visibile. Per la determinazione della composizione, il campione è stato analizzato con la microscopia IR.

La misurazione è stata eseguita con il microscopio Bruker FTIR LUMOS II con il campione fissato in un portacampioni miniaturizzato. È stata misurata in modo completamente automatico un'area di 1000x1250 μm (20x25 punti di misura). Questo approccio permette di assegnare uno spettro individuale ad ogni area di 50x50 μm. Questi spettri possono essere trasferiti con metodi matematici (integrazione, analisi dei cluster, fattorizzazione) nelle cosiddette immagini chimiche che permettono di trarre conclusioni sulla composizione chimica in ogni punto. L'immagine chimica della figura 5 è stata generata con la funzione di analisi dei cluster di OPUS che raggruppa gli spettri in base alla loro somiglianza. Mostra chiaramente le contaminazioni sul campione, che si possono vedere anche nell'immagine visiva. Inoltre, sono visibili anche le contaminazioni che sono invisibili nell'immagine visiva a causa della mancanza di contrasto.

La Figura 6 mostra tre esempi di spettri, due spettri dell'area contaminata e uno spettro della gomma. Lo spettro superiore è stato misurato nell'area della contaminazione bianca ed è stato chiaramente identificato attraverso la ricerca in libreria come PTFE. Lo spettro prelevato dall'area più scura è chiaramente uno spettro di poliammide (figura 6 centrale).

Conclusioni
La spettroscopia FTIR offre una moltitudine di possibili applicazioni quando si tratta di analizzare polimeri come la gomma naturale o sintetica. Oltre all'ispezione delle merci in arrivo e il controllo della qualità dei prodotti, consente anche di analizzare i prodotti della concorrenza. Con l'aiuto di ampie librerie spettrali e di potenti funzioni per la ricerca e l'analisi delle miscele, è possibile identificare rapidamente tutti i tipi di materiali. Con la microscopia FTIR è possibile rilevare e analizzare i più piccoli difetti e inclusioni. Inoltre, le misurazioni automatizzate consentono di creare immagini chimiche che mostrano la distribuzione dei diversi componenti del campione e della contaminazione.

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