Caracterización de polímeros por NIR

Ante la gran dificultad que se presenta a la hora de identificar los distintos polímeros, especialmente cuando se trata de residuos, la espectroscopía por infrarrojo cercano puede ser una gran herramienta usada para la caracterización de polímeros, ya que se pueden observar las distintas absorbancias por las vibraciones de los enlaces entre los átomos de los polímeros. Las longitudes de onda que comprende este espectro son de los 750 nm hasta los 2600nm. En esta caracterización las medidas realizadas usando una pistola de medición NIR comprenden las longitudes de onda de 900nm a 1700nm. La finalidad de este artículo es la caracterización de algunos materiales poliméricos vírgenes por la absorbancia en el espectro de medición de la pistola de medición por NIR y explicar porque se dan estas diferencias entre ellos^[1].

• Espectroscopia por infrarrojo cercano.

Esta técnica está basada en las distintas absorbancias que tienen los enlaces moleculares a distintas longitudes de onda, con lo cual, para realizar las mediciones se incide en la materia a medir con un haz de luz infrarroja que provoca las vibraciones en los enlaces. Estas vibraciones es lo que hace reflejar la materia en cierta longitud de onda y es lo que registra el equipo. Con este tipo de equipos se miden muchas longitudes de onda ya que puede haber coincidencias entre materiales en ciertas longitudes, con la medición de distintas longitudes se obtiene el espectro del material, que es lo que puede resultar más útil para identificas los materiales^[2].

• Diferencias entre polímeros.

Por polímero entendemos una gran molécula formada por uniones covalentes de monómeros que se unen entre si mediante un proceso denominado polimerización.

Los distintos polímeros que se van a estudiar tienen la dificultad de que a simple vista pueden resultar idénticos o muy similares entre sí. A continuación, se van a explicar las diferencias que se pueden observar mediante las mediciones con un sistema de NIR, y su base química.

• • PET (Tereftalato de polietileno):

    Se trata de uno de los polímeros más usados y más conocidos, es común encontrarlo en envases. La principal diferencia que se puede observar a nivel químico es la presencia de un enlace a un anillo aromático.

Formula química PET.

• • HDPE & LDPE (Polietileno de alta y baja densidad):

    Químicamente son iguales, con lo que, en el momento de detectarlo, se observa el mismo espectro. Sus cualidades físicas si son diferentes, el de alta densidad se usa para envases, es más rígido. El de baja densidad tiene una mayor flexibilidad. Los picos que podemos observar se deben a las tensiones en los enlaces de C-C y entre los CH₂.

Formula química HDPE y LDPE.

• • PP (Polipropileno):

    Es un material usado en campos muy distintos, tanto en empaquetamiento de alimento como en material de laboratorio, etc. Esto es debido a sus buenas propiedades químicas como mecánicas. En el espectro del PP podemos observar las tensiones en los enlaces de C-C y C-H y la flexión del enlace con -CH₃.

Formula química PP.

• • PS (Poliestireno):

    Se trata de un polímero con que puede tener distintas formas, por ello es usado en campos muy diferentes, en envases y equipos de laboratorio, también sirve como aislante térmico…

En el espectro del PS las tensiones se deben a los enlaces de C-C, C-H y al anillo aromático y por el movimiento de flexión de -CH₂.

Formula química PS.

• • PVC (Policloruro de Vinilo):

    Se trata de un polímero con una gran resistencia y buenas propiedades mecánicas, por ello es comúnmente usado en tuberías y construcción. En el caso del espectro del PVC podemos observar similitudes con el polietileno añadiendo la presencia del cloro.

 Formula química PVC.

• • PC (Policarbonato):

    Se trata de un polímero fácilmente moldeable, pero con gran resistencia. Tiene amplias aplicaciones en industria. Respecto a su espectro, se pueden observar las tensiones de los enlaces de C-H, C=O y C-C y los movimientos de flexión con los enlaces a CH₂, CH₃ y al anillo aromático

Formula química PC.

• • ABS (Acrilonitrilo butadieno estireno):

    Este polímero está formado por tres monómeros distintos, cada uno de los cuales le aporta unas características, obteniendo finalmente un polímero rígido, con resistencia mecánica y química, duro y resistente a temperaturas tanto altas como bajas. En este caso podremos observar las tensiones en los enlaces de C=C y CΞN y la flexión con los enlaces al anillo aromático y a CH₂.

Formula química ABS.

• Método

Para las mediciones de los polímeros el equipo empleado es una pistola de identificación por NIR, en concreto el modelo Visupalm de IRIS. El rango del espectro de detección de la pistola es de 900-1700nm con una resolución de 1.5. El software usado para volcar los datos ha sido el Filezilla. Los datos obtenidos de la pistola se muestran en forma de absorbancia en un archivo de texto a partir del cual se manipulan en Excel para su mejor comprensión.

 

La toma de muestras se realiza en la plataforma facilitada por el fabricante siempre que sea posible.

 

Después de haber realizado las mediciones correspondientes vemos que esta herramienta puede resultar muy útil para la detección y caracterización de polímeros. Por lo general se pueden observar las diferencias suficientes para identificar materiales puros, pero pueden dar problemas materiales transparentes finos, como por ejemplo los films.

La degradación del material, como puede suceder en los materiales provenientes de líneas de residuos, también puede causar problemas o que no sean tan evidentes los puntos diferenciales del material, por otro lado, con los residuos también puede afectar la suciedad, siempre es recomendable un proceso de limpiado de los materiales antes de realizar las mediciones con la pistola.

Para los casos de mezclas de polímeros, también puede resultar problemático, pero se pueden observar características de ambos polímeros dependiendo de los porcentajes de la composición del material.

Actualmente con este equipo ya disponemos de un software para la caracterización automática de algunos polímeros sin tener que procesar los datos posteriormente. Así mismo también existe la posibilidad de añadir más materiales en el software creado para la pistola si se tienen el número mínimo de muestras/mediciones, 15 en este caso.

Bibliografía

1.Okkie Groenewald, Managing Director: Labworld (Pty) Ltd. – Dr Hinner Köster, M. D. S. (2006). Espectroscopia de Infrarrojo Cercano (NIRs) – La técnica de análisis rápidos del futuro – Engormix. Figura 2. https://www.engormix.com/balanceados/articulos/espectroscopia-infrarrojo-cercano-nirs-t26241.htm

2. Velandia, J. (2017). Identificación de polímeros por espectroscopia infrarroja. Revista Ontare, 5, 115–140. https://journal.universidadean.edu.co/index.php/Revistao/article/download/2005/1776/

 

Autor: Javier Grau  – Mechanical Recycling Group