Please use this identifier to cite or link to this item: http://doi.org/10.25358/openscience-4453
Authors: Harms, Ralph Nicholas Sebastian
Title: Quantitative polymer-additive analysis using Pyrolysis-GC/MS
Online publication date: 21-Jun-2018
Language: english
Abstract: In the automotive industry, as in most branches of modern life, polymers have belonged to the most relevant material classes for several decades and continuously grow more important every year. One of their most important properties for use in everyday applications is their capability to resist oxidation. For most polymers, especially the extremely widespread class of polyolefines, this property is mostly dependent on stabilization by antioxidant additives. The analysis of this class of additives as well as their antioxidative effect and influential factors thereof are the focus of this study. The main objective was the development of a quantitative analysis method employing gas chromatography/mass spectrometry augmented with a pyrolysis module. After optimizing pyrolysis time and temperature, a mass spectral library was created for the additives used in the reference samples, made from polyamide-6 and polypropylene. With this, single ion monitoring methods were developed, allowing reproducible direct quantification of most additives within their polymer matrix. The method’s efficacy could be proven while monitoring additive concentrations during oven-aging experiments. 150 _C oven-aging experiments with subsequent mechanical tests on standard polypropylene test specimens, which represent the state of the art in lifetime prediction based on accelerated aging, were accompanied by oxidation induction time measurements in a DSC instrument. A comparison served to evaluate the possibility of performing lifetime predictions solely with information gathered from the DSC/OIT measurements. It was shown that this is not possible due to different effective stabilization temperatures of certain common antioxidant classes, leading to varying orders of oxidation resistance at 200 _C compared to the 150 _C of the oven test. Finally, the influence of carbon black on the oxidation resistance of polypropylene was examined using the same methods on test specimens with and without the colorant. A reduced stability was observed for the compound containing carbon black, which displayed an approximately 20% shorter induction period before degrading. The focus of these projects lay solely on thermo-oxidation processes.
In der Automobilentwicklung und Fertigung, wie in fast allen Bereichen des modernen Lebens, gehören Polymere bereits seit einigen Jahrzehnten zu der wichtigsten Materialklasse, dessen Bedeutung noch immer wächst. Eine der wichtigsten Vorraussetzungen, die dabei erfüllt werden muss, ist eine ausreichende Oxidationsbeständigkeit. Viele Polymere, vor allem Vertreter der weitverbreiteten Polyolefine, sind dabei weitestgehend auf die Stabilisierung durch Antioxidantien angewiesen. Die Analyse dieser Additive, sowie die Untersuchung ihrer antioxidativen Effekte und möglicher Störfaktoren sind Bestandteil dieser Arbeit. Das Hauptziel war die Entwicklung einer quantitativen Methode zur Additivanalyse für die Pyrolyse-Gas Chromatography/Massenspektrometrie. Nach Optimierung von Pyrolysedauer und Pyrolysetemperatur, wurde eine Massenspektren- und Retentionszeitendatenbank der für die Referenzmaterialien verwendeten Additive erstellt. Diese Referenzmaterialien bestanden einmal aus Polyamid-6 und einmal aus Polypropylen. Die Datenbank wurde anschließend dafür verwendet um Single Ion Monitoring Methoden zu erstellen, welche die gezielte, direkte und reproduzierbare Quantifizierung der Additive in der Polymermatrix ermöglicht. Die Präzision und Effektivität der Methode wurde durch die Darstellung abnehmender Additivkonzentration im Laufe einer ofenbasierten Polymeralterung bestätigt. Das derzeitige Standardvorgehen bei der Bestimmung der Oxidationsbeständigkeit, Ofenalterungsexperimente an genormten Polypropylen Probenkörpern bei 150°C im Umluftofen mit anschließender mechanischer Prüfung, wurde mit Oxidations Induktions Zeit (OIT) Messungen am Dynamischen Differenzkalorimeter (DSC) verglichen. Ziel war es die Möglichkeit zu bewerten, die DSC/OIT Prüfung, als Ergänzung oder Alternative zur aufwendigeren Ofenalterung, zu verwenden. Es bestätigte sich die Vermutung, dass dies aufgrund der temperaturabhängigen Effektivität der unterschiedlichen Additive nicht möglich ist. Die Reihenfolge der Beständigkeit unterschiedlich additivierter Proben variierte bei 200°C deutlich von der Reihenfolge bei 150°C. Abschließend wurde der Einfluss des Rußpigments Raven PFEB auf die Oxidationsbeständigkeit von Polypropylen untersucht. Unter Verwendung der gleichen Methoden wie im vorher beschriebenen Projekt wurden zwei Proben mit deutlich unterschiedlichem Rußgehalt verglichen. Dabei zeigte sich, dass die rußhaltige Probe eine um ca. 20% kürzere Lebensdauer aufweist. Untersucht wurde hierbei ausschließlich die thermo-oxidative Beständigkeit.
DDC: 500 Naturwissenschaften
500 Natural sciences and mathematics
Institution: Johannes Gutenberg-Universität Mainz
Department: FB 09 Chemie, Pharmazie u. Geowissensch.
Place: Mainz
DOI: http://doi.org/10.25358/openscience-4453
Version: Original work
Publication type: Dissertation
License: in Copyright
Information on rights of use: https://rightsstatements.org/vocab/InC/1.0/
Extent: XIX, 114 Seiten
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