Application Note # AN129 FT-IR Analyse von Klebstoffen in

Application Note # AN129
FT-IR Analyse von Klebstoffen in der
Qualitätskontrolle und Entwicklung
FT-IR Analyse von Klebstoffen
Klebstoffe sind in der heutigen Zeit unverzichtbar geworden
und werden für die verschiedensten Anwendungen genutzt.
In der Automobilindustrie werden neben Frontkonsolen,
Scheiben und Sitzelementen auch Karosserieteile mit
speziellen Automobil-Klebstoffen geklebt was zu deutlichen
Gewichtsersparnissen geführt hat. In der Medizin wird das
vom Sekundenkleber bekannte Cyanacrylat zum schnellen
Verkleben von Wunden genutzt. Mittlerweile stehen für
die verschiedensten Anwendungen Klebstoffe mit maßgeschneiderten Eigenschaften hinsichtlich Aushärtezeit oder
Festigkeit zur Verfügung. Moderne Klebstoffe sind oft komplexe Mischungen welche z.B. verschiedene Lösungsmittel,
Harze, Füllstoffe und Zusätze enthalten. Um eine gleichbleibende Produktqualität sicherzustellen ist es nötig, sowohl
die Rohstoffe als auch das fertige Produkt zu überprüfen
und deren chemischen und physikalischen Eigenschaften zu
testen.
Die FT-IR Spektroskopie ist eine wertvolle Analysentechnik
für verschiedenste Fragestellungen bei der Qualitätsprüfung, Produktion und auch in der Entwicklung von
Klebstoffen. Die Prüfung von Identität und Qualität der
eingehenden Rohstoffe kann ebenso mittels FT-IR erfolgen,
wie die Prüfung und Quantifizierung des fertigen Produkts.
In der Produktentwicklung kann die Aushärtung eines
Stichworte
Instrumente und Software
Klebstoffe
LUMOS FT-IR Mikroskop
Qualitätskontrolle
ALPHA FT-IR Spektrometer
Schadensanalyse
OPUS Spektroskopie Software
Reaktionsverfolgung
Wettbewerbsanalyse
Klebers spektroskopisch verfolgt werden und anhand von
IR-Spektren lässt sich die Zusammensetzung von Wettbewerbsprodukten ermitteln. Die IR-Mikroskopie ist eine
leistungsfähige Methode zur Schadensanalytik, da auch
kleinste Produktdefekte im Mikrometerbereich analysiert
und visualisiert werden können.
Bruker bietet mit dem ALPHA FT-IR Spektrometer das passende Instrument für die Wareneingangs- und Qualitätskontrolle sowie für die Produktentwicklung an. Das Spektrum
einer Substanz kann innerhalb von Sekunden gemessen
werden und erlaubt z.B. die Qualitätsprüfung eines eingehenden Rohstoffes oder die Analyse eines Konkurrenzproduktes. Dabei werden keinerlei Verbrauchsmaterialien oder
Reagenzien benötigt, auch eine Probenvorbereitung entfällt
im Normalfall.
Mit Hilfe des FT-IR Mikroskops LUMOS können auch
mikroskopisch kleine Proben wie Defekte, Partikel, und
Einschlüsse analysiert werden, wobei auch hier in der Regel
keine Probenvorbereitung erforderlich ist. Die ortsaufgelöste
Untersuchung von Klebstoffen ist vor allem bei der Analyse
von Produktfehlern sehr hilfreich, da hier häufig punktuelle
Inhomogenitäten, Einschlüsse oder Verunreinigungen die
Ursache sind.
Schneller Spektrenvergleich
Abbildung 2: Wareneingangsprüfung: das Ergebnis des Spektrenvergleichs eines Amin-Härters (blau) mit einem Referenzspektrum (rot)
bestätigt die korrekte Identität des Materials
Abbildung 1: LUMOS FT-IR-Microskop und ALPHA FT-IR-Spektrometer (Detail).
Wareneingangskontrolle mit dem
FT-IR Spektrometer ALPHA
Das ALPHA (siehe Abbildung 1) ist ein sehr kompaktes
Spektrometer welches über auswechselbare Messmodule
an die verschiedensten Anforderungen angepasst werden
kann. Die am häufigsten genutzte Messtechnik ist die so
genannte abgeschwächte Totalreflexion (ATR). Die ATRTechnik ist aufgrund der entfallenden Probenpräparation
eine sehr komfortable und schnelle Messmethode. Zur
Aufnahme des IR-Spektrums muss die Probe lediglich in
Kontakt mit dem ATR-Kristall gebracht werden. Zur Identitätsprüfung eines Rohstoffs wird sein IR-Spektrum nach
der Messung über einen von der Analysensoftware OPUS
automatisch durchgeführten Spektrenvergleich mit einer
oder mehreren Referenzproben verglichen.
Unser Beispiel zeigt die Qualitätskontrolle eines Amin-Härters für einen Zweikomponenten-Epoxidharzkleber mit Hilfe
des schnellen Spektrenvergleichs. Die eingehende Ware
(blaues Spektrum) wird gegen eine Referenzprobe (rotes
Spektrum) verglichen (siehe Abbildung 2). Der erhaltene
Korrelationswert von über 99 % zeigt dass das Probenspektrum mit dem Referenzspektrum sehr gut übereinstimmt.
Die Korrelation von Referenz und Probespektrum liegt über
dem vordefinierten Schwellenwert von 98 %, folglich wird
die Probe mit einem „OK“ bewertet.
Neben dem gezeigten Vergleich gegen ein einzelnes
Referenzspektrum ist es auch möglich gegen ein Mittelwertsspektrum aus vielen Referenzproben einer Substanz
zu vergleichen um Produkttoleranzen besser abzubilden.
Zudem ist auch ein Vergleich gegen mehrere verschiedene
Substanzen möglich.
Messung der Aushärtezeit eines Klebstoffes mit dem
ALPHA-Spektrometer
Dieses Beispiel veranschaulicht die Reaktionsverfolgung
eines Klebstoffes mittels des ALPHA FT-IR Spektrometers.
Dabei kann mit Hilfe der Reaktionsverfolgungsfunktion in
OPUS der gesamte Aushärteprozess mit einer zeitlichen
Auflösung von bis zu ca. einer Sekunde verfolgt werden.
Im Folgenden wird die Reaktionsverfolgung des Aushärtevorgangs eines Kunststoffklebers gezeigt. Der Klebstoff
besteht im Wesentlichen aus Butylacetat, Aceton und
Polymethylmethacrylat (PMMA). Zur Messung wurde ein
kleiner Tropfen auf dem Diamantkristall der ATR-Einheit
platziert und dann automatisiert Spektren in einem Abstand
von 30 Sekunden gemessen. Abbildung 3 zeigt die zeitliche
Reaktionsverfolgung
Abbildung 3: Bildschirmausschnitt einer Reaktionsverfolgung in der
OPUS Software: Analyse der Aushärtung eines Kunststoffklebers.
Links: 3D Plot der Spektren gegen die Zeit.
Rechts: Relative Konzentrationsveränderungen. Rot: Butylacetat,
blau: PMMA.
Entwicklung der Komponenten Butylacetat und PMMA.
Die Auswertung erfolgte durch Integration substanzspezifischer spektraler Banden bei 1144 cm -1 (PMMA) und
1040 cm -1 (Butylacetat). Der Anteil von PMMA (blaue
Kurve) steigt erwartungsgemäß durch das Verdunsten der
Lösungsmittel an, während die Kurve des Butylacetates (rot)
vor einer kontinuierlichen Abnahme zunächst einen Anstieg
zeigt. Dieser Anstieg erfolgt aufgrund des sehr schnellen
Verdunstens des Acetons in den ersten Minuten. Dadurch
steigt die Konzentration des nur sehr langsam verdunstenden Butylacetates zunächst an, bis sie schließlich nach dem
vollständigen Verdunsten des Acetons ebenfalls abnimmt.
Die 3D-Darstellung in Abbildung 3 links zeigt den zeitlichen
Verlauf der Butylacetat-Bande um 1040 cm -1.
Wettbewerbsanalyse eines Klebstoffes mit dem
ALPHA-Spektrometer
Die Analyse von Wettbewerbsprodukten kann Impulse
für die Entwicklung eigener Produkte bringen und ggf.
helfen Patentverletzungen zu identifizieren. Zur Identifikation unbekannter Materialien wird die Spektrensuche
in Referenzbibliotheken angewandt. Die in der OPUSSpektroskopiesoftware enthaltene Mischungsanalyse
ermöglicht zudem Einzelkomponenten komplexer Gemische
zu bestimmen.
Unser Beispiel zeigt die Analyse eines Vielzweckklebers
unbekannter Zusammensetzung. Zunächst wurde ein
Tropfen des Klebers auf dem Diamantkristall der ATREinheit platziert und vermessen. Im Anschluss erfolgte eine
Bibliothekssuche des Spektrums unter Anwendung des
Mischungsalgorithmus. Abbildung 4 zeigt das Resultat der
Mischungsanalyse
(rot). Das Differenzspektrum (grün) aus Anfrage- und Kompositspektrum zeigt folglich nur geringe Abweichungen
an. Der Klebstoff besteht folglich aus Wasser und auf Polyacrylat basierenden Harzen.
Schadensanalyse mit dem FT-IR Mikroskop LUMOS.
Das FT-IR Mikroskop LUMOS (Abbildung 1) ist ein leistungsfähiges Werkzeug bei der Schadensanalyse: Es erlaubt
überall auf der Probe ein IR-Spektrum mit hoher örtlicher
Auflösung zu messen und dadurch die chemische Zusammensetzung einer Defektstelle in der Probe zu ermitteln.
Aufgrund der herausragenden ATR-Messperformanz ist das
LUMOS in der Lage die meisten Proben ohne Vorbereitung
zu analysieren. Durch seine vollständige Automatisierung
und eine intuitive Nutzerführung durch die Analysenschritte
ist die Bedienung des LUMOS sehr einfach.
Die Beispielprobe ist ein ausgehärtetes Stück Klebstoff welches auf einer PET-Folie aufgebracht ist und mikroskopisch
kleine weiße nadelförmige Kristalle zeigt. Zur Analyse wurde
die Probe in den Probenhalter des Mikroskops geklemmt
und mittels eines Skalpells ein glatter Probenquerschnitt
erzeugt. Da der Defekt im unpolarisierten Licht kaum zu
sehen war, wurden bei der Aufnahme des visuellen Bildes
die motorisierten Polarisatoren des LUMOS zur Kontrastverstärkung genutzt. Im Anschluss wurde ein Probenareal von
375 x 250 µm über eine automatisierte Rastermessung analysiert, wobei 15 x 10 Messpunkte mit einer Blendengröße
von 25 x 25 µm gemessen wurden. Diese Spektren lassen
sich über mathematische Methoden (Bandenintegration,
Clusteranalyse, Faktorisierung) in so genannte chemische
Bilder überführen, welche Aussagen über die lokale chemische Zusammensetzung der Probe erlauben. Abbildung 5
zeigt repräsentative Spektren des reinen Klebstoffes in Blau
und der kristallinen Abweichung in Rot. Die vergrößerte DarSpektrenvergleich
Abbildung 4: Resultat der Mischungsanalyse eines unbekannten
Klebstoffs. Das Kompositspektrum (blau) zeigt eine hohe Übereinstimmung mit dem Anfragespektrum (rot), Differenzspektrum in
grün.
Spektrensuche:
Das von dem Mischungsalgorithmus aus den gefundenen
Einzelkomponenten berechnete Kompositspektrum (blau)
deckt sich sehr gut mit dem gemessenen Anfragespektrum
Wellenzahl cm -1
Abbildung 5: Die Spektren des ausgehärteten Kunststoffs (blau) und
der Kristalle (rot).
stellung verdeutlicht die spektralen Unterschiede und zeigt
zugleich die Bande bei 1680 cm -1 welche zur Visualisierung
im chemischen Bild in Abbildung 6 integriert wurde. Anhand
der zusätzlichen Bande bei 3267 cm -1 kann geschlossen
werden, dass es sich bei der Verunreinigung wahrscheinlich um eine stickstoffhaltige Verbindung (z.B. ein Amid)
handelt. Das Spektrum der kristallinen Substanz wurde
mit dem Spektrum einer Referenzsubstanz verglichen,
die im Verdacht stand, den Defekt zu verursacht zu haben
(Abbildung 7). Da die spezifischen spektralen Charakteristika
der Kristalle im Refrenzspektrum fehlen, kann die Referenzsubstanz als Verursacher des Problems ausgeschlossen
werden.
Spektrenvergleich
Visuelle Bildgebung
Wellenzahl cm -1
Abbildung 7: Vergleich des Spektrums der Kristalle (rot) mit einer
Referenzprobe (schwarz).
Abbildung 6: Dem visuellen Bild überlagertes chemisches Bild einer
Klebeschicht. Das chemische Bild wurde durch Integration einer
Bande bei 1680 cm -1 erzeugt, die charakteristisch ist für Kristalle
innerhalbe der Klebeschicht.
Zusammenfassung
Das FT-IR Spektrometer ALPHA bietet eine Vielzahl von Einsatzmöglichkeiten bei der Analyse von Klebstoffen. Neben
der Wareneingangskontrolle und der Qualitätssicherung des
Produktes erlaubt die FT-IR Spektroskopie auch die Verfolgung der Aushärtung von Klebstoffen sowie die Analyse
von Wettbewerbsprodukten.
Das LUMOS FT-IR Mikroskop erlaubt es gezielt Defekte und
Einschlüsse in Klebestellen zu analysieren, die erreichbare
Auflösung liegt dabei im Bereich von wenigen Mikrometern.
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