2.4.2. Фізико - хімічні та мікробіологічні дослідження
Основними методами, що користуються під час дослідження якості полімерів та безпосередньо пластмас є фізико – хімічні методи.
За допомогою фізико - хімічних методів визначають відносну густину продукту, температуру плавлення та застигання, оптичні показники, структурно - механічні властивості, походження та структура сировини, що використовується для виготовлення товарів з пластичних мас[32].
Фотоколорометричний та спектрофотометричний метод є основними методами, що використовуються під час фізико – хімічних досліджень пластичних мас. Вони засновані на виборчому поглинання світла аналізованою речовиною[32].
Що ж стосується безпосередньо спектрофотометричного методу, то для нього застосовують більше складні прилади - спектрофотометри (СФ - 4, СФ - 4а, СФ - 10 й інші), що характеризуються високою точністю ( +- 0,1 - 0,5 відповідних %). У спектрометрії використовується поглинання світла з певною довжиною хвиль. Крім того можна працювати як з пофарбованими розчинами, що поглинають світло у видимій частині спектра, так і з безбарвними, які поглинають світло в ультрафіолетовій або ближній інфрачервоній області спектра та інші [24].
Обсяг інформації, яку можна одержати з ІЧ - спектра, багато в чому залежить від правильності приготування зразка. Погане препарування не дозволяє одержати високоякісний спектр навіть за допомогою самих гарних спектрометрів і веде до втрати інформації. Тому підготовчі роботи завжди варто проводити дуже ретельно, навіть якщо вони вимагають значно більше часу й зусиль, чим сам процес реєстрації спектра. Є велика кількість монографій, що докладно описують апаратури й методи дослідження газоподібних і рідких зразків. Досить докладно в літературі освітлені часті й загальні проблеми препарування. Однак жоден із запропонованих методів готування зразків не може претендувати на повну універсальність у силу різноманіття форм твердого стану речовини. Вибір методики препарування обумовлений у першу чергу природою аналізованої сполуки, а також конкретним завданням дослідження. Такий же підхід і при препаруванні рідких і газоподібних продуктів[32].
Полімери доводиться досліджувати в основному у твердому стані. Лише в деяких з них, що мають низьку молекулярну масу, температура плавлення нижче кімнатної. Дослідження ж розплавів, проведене при більше високій температурі, має свої труднощі, так що до цієї методики прибігають лише тоді, коли об'єктом дослідження є температурні зміни спектра, а також структура розплаву. Спектроскопія розчинів полімерів можлива лише для обмеженого кола систем. Це пояснюється тим, що для багатьох полімерів, на відміну від низькомолекулярних сполук, не вдається підібрати розчинник, що не тільки добре розчиняв би полімер, але й дав би досить прозорий для ІЧ- випромінювання.
Часто предметом дослідження є структура твердого полімеру. У таких випадках препарування проводять як можна акуратніше, щоб не змінити надмолекулярну структуру зразка. Тверді зразки найбільше зручно досліджувати у вигляді плівок, товщину яких вимірюють по інтенсивності поглинання. Якщо ж плівку приготувати не можна, то зразок подрібнюють і готовлять суспензію. Застосовують також спеціальні методи, засновані на вимірі інтенсивності світла, відбитого від поверхні твердого зразка.
Ідентифікація невідомих пластмас й еластомерів, а також низькомолекулярних сполук, які можуть у них утримуватися є дуже важливим процесом. І саме ІЧ - спектроскопія виявляється тут найбільш актуальним методом, тому що з її допомогою дуже швидко можна визначити хімічну будову й найбільш важливі структурні особливості полімерної речовини й супутніх сполук. Різноманіття методів препарування полімерів, а також велике число фізико - хімічних методів збагачення й поділу дозволяють одержувати розв'язні й чіткі спектри майже для всіх досліджуваних полімерних систем і можливих домішок.
Для ідентифікації полімерів в основному використають середню ІЧ-область (200 - 4000см-¹). У цій області проявляється близько 80% основних коливань молекул найважливіших полімерів. Далеку й ближню ІЧ- області використають для кількісних досліджень рідше. Але далека ІЧ- область ( 400 - 50 см-¹) несе в собі багату інформацію про структуру ланцюга й міжмолекулярних взаємодіях у полімері. Однак використання цієї області для аналітичних цілей лімітується відсутністю надійних кореляційних таблиць.
Розшифровку ІЧ - спектрів полімерів проводять найчастіше напівемпірична. Для простоти аналізу приймають, що спектр складається зі смуг поглинання, які ставляться до коливань невеликих відомих груп макромолекул. При такому підході не з огляду на механічну й електричну взаємодію коливних мономерних ланок. Якщо сили усередині - і міжмолекулярного взаємодії малі, як це має місце в аморфних полімерах з нерегулярною структурою ланцюга, то при рішенні завдань, пов'язаних з ідентифікацією, можна користуватися різними напівемпіричними наближеннями. Крім того в спектрах можна чекати появу смуг, обумовлених залишками мономера, емульгаторів, каталізаторів, регуляторів, а вводять також у реакцію або в готовий полімер стабілізаторів, наповнювачів, пластифікаторів, антистатиків, пом’якшувачів так далі. Всі ці інгредієнти вносять вклад у спектр. Є полімери, які часто застосовують у промисловості без добавок. Це, наприклад, поліетилен, полістирол, поліетиленгликольтерефталат й інші[ 31].
Спостережувані в спектрах сополімерів зсуву смуг і зміни їхньої інтенсивності, а також поява нових смуг можна розглядати як вплив довжини блоків і можливе перекривання смуг. Структурний аналіз технічних продуктів у більшості випадків відрізняється від аналізу хімічно однорідних кристалічних полімерів. Тому ідентифікацію проводять по групових частотах, які можна надійно визначити зі спектра й інтерпретувати. На підставі отриманих даних судять про природу полімеру. Якщо відомо, до якого класу полімерних сполук ставиться даний зразок, то ідентифікацію здійснюють шляхом порівняння його спектра з набором відомих спектрів. При цьому треба пам'ятати, що ІЧ- спектр макромолекули не є абсолютно специфічним для даного полімеру, а характеризує клас полімерних речовин у цілому. ІЧ- спектр низькомолекулярних речовин звичайно ж однозначно характеризує дана сполука.
Незважаючи на гарну відповідність між спектром аналізованого зразка й спектром еталона, необхідно враховувати присутність сторонніх компонентів, які через їхній малий зміст важко визначити.
Перед проведенням ІЧ- аналізу полімеру потрібно точно встановити кінцеву мету дослідження, оскільки цим в основному визначається об'єм і послідовність операцій. Тривалість роботи значно скоротиться, якщо метою дослідження є ідентифікація тільки його основи. Якщо ж крім цього потрібно зробити які - то висновки про стабілізатори, емульгаторах або пластифікаторах, то поряд зі звичайною реєстрацією й розшифровкою спектра потрібне проведення додаткових робіт препаративного характеру.
Найчастіше до початку роботи вже мають деякі певні відомості про об'єкт дослідження. У таких випадках можна цілеспрямовано проводити препарування й розшифровку спектра. Якщо ж мають справа з ІЧ- спектром невідомого полімеру, то, виходячи з наявності або відсутності смуг поглинання різних хімічний груп, можна визначити клас даного полімеру або, принаймні, обмежити коло можливих варіантів.
Розшифровку спектра полімеру вдається в багатьох випадках провести за допомогою атласу спектрів, тобто порівняння його зі спектрами, які є в каталозі [24].
До Центрального митного управління лабораторних досліджень та експертної роботи надійшло замовлення на проведення експертизи партії механічних зубних щіток.
Для дослідження якості та структури сировини, та її ідентифікації була обрана партія механічних зубних щіток різних виробників, що відрізняються між собою кольором, кількістю різноманітних включень ( різного кольору, структури та ступеня м’якості). Дослідження походження сировини зубних щіток проводились за допомогою ІЧ спектрометра з Фур’э перетворенням на апараті Avatar 370 - FT-IR Termo Nicolet Центральної митної лабораторії України [24], Додаток В.
Отже, під час проведення фізико-хімічного дослідження сировини були встановлені отримані результати, що представлені в таблиці 2.4.2.1,Додатку Д.
Таблиці 2.4.2.1
Результати фізико-хімічних досліджень зубних щіток
| Назва зубної щітки | Щетина | Полімерні включення різного кольору | Ручка | Полімерні включення різного кольору ручки | Упаковка | |
| Полімерний матеріал ( прозорий) | Матеріал основи упаковки | |||||
| 1 | 2 | 3 | 4 | 5 | 6 | 7 |
| Colgate | Поліамід 83,38% | Поліамід 83,38% | Поліпропілен 76,93 % | Поліпропілен 75,31% | Поліестер 71,69% | Папір |
| Exeed | Поліамід 70,52% | Поліамід 70,52% | Поліпропілен 88,49% | Поліпропілен 91,22% | Поліестер 71,69% | Папір |
| Jordan | Поліамід 65,59% | Поліамід 65,59% | Сополімер поліетилен/ поліпропілен 87,71% | Сополімер поліетилен/ поліпропілен 87,71% | Поліестер 75,97% | Поліестер 76,63% |
| Aquafresh | Поліамід 69,36% | Поліамід 69,36% | Поліпропілен 90,64% | Сополімер поліетилен 79,93% | Поліестер 75,87% | Папір |
| Reach | Поліамід 83,06% | Сополімер поліетилен/ поліпропілен 88,92% | Поліпропілен 88,40% | Сополімер поліетилен/ поліпропілен 80,61% | Поліестер 72,51% | Папір |
| Trisa | Поліамід 70,64 % | Поліамід 70,64 % | Поліпропілен 90,45% | Поліпропілен 91,10 % | Поліестер 81,60% | Поліестер 81,60% |
З отриманих даних можна зробити висновок, що всі зубні щітки виготовлені з поліетилену, поліпропілену, сополімерів поліетилену та поліпропілену, поліаміду, кількість яких в загальній масі коливається від 65,55% до 92,55% з матеріалами електронної бібліотеки сполук Hummel Polymer Sample Library, яка закладена в ІЧ спектрометрі. Якщо розглядати загальну масу сировини як 100% структури зубної щітки, то можна помітити, що тільки деякі з показників вмісту матеріалу від 70% до 91% можна прирівнювати до 100% з урахуванням можливої похибки. Що ж стосується таких показників, як 65% співпадіння з каталогом полімерів, то можна зауважити, що в умовах сьогодення ми не можемо встановити повну структуру полімеру, з якого виготовлена зубна щітка.