Rozróżnianie gatunków polietylenu

Za pomocą specjalnego mikroskopu opracowanego w National Institute of Standards and Technology (NIST) w USA naukowcy mogą zaglądnąć do wnętrza mieszanin polimerowych i rozpoznawać szczegóły ułożenia molekuł polimerów. Dzięki temu będzie można produkować tworzywa sztuczne o lepszych właściwościach.

Do badań nad tworzywami sztucznymi zmotywowało badaczy z NIST zjawisko starzenia się sieci wodociągowych, których rury można zastąpić rurami z tworzyw sztucznych, przede wszystkim z polietylenu. Ocenia się, że przez starą sieć wodociągową w USA dochodzi do 240 tys. wycieków wody, podczas których tracone jest ok. 1,7 bln galonów (6,4 mld m. sześc.) wody rocznie, co kosztuje 2,6 mld dolarów.

Dla szerokiego wykorzystania polietylenu, który jest tworzywem tanim i o dobrych właściwościach mechanicznych, konieczne są odpowiednie techniki badań pozwalających na rozróżnianie jego rodzajów. Warto w tym miejscu przypomnieć, że rury wykonuje się z mieszaniny 2 rodzajów polietylenu – HDPE (wysokiej gęstości) i LLDPE (liniowy – niskiej gęstości). Oba rodzaje są tak podobne do siebie, że nie można ich odróżnić za pomocą promieni rentgenowskich i mikroskopu elektronowego.

Naukowcy z NIST zastosowali zmodyfikowany spektroskop Ramana do analizy częstotliwości promieniowania rozproszonego przez każdą z molekuł i analizy struktury polietylenu w trzech wymiarach. Szerokopasmowe koherentne anty-Stokesowe rozpraszanie ramanowskie jest podstawą działania używanego przez NIST mikroskopu BCARS. W jego wnętrzu znajdują 2 lasery, które zbierają dane 10 razy szybciej niż inne aparaty ramanowskie, co jest istotne w badaniach skomplikowanych struktur, którymi są cząsteczki polimerów. Kluczowym elementem analizy okazało się zamienienie w polietylenie HDPE atomów wodoru deuterem. Deuter silnie zmienia widmo Ramana, dzięki czemu można łatwo rozróżnić gatunki polietylenu. Kontrolując polaryzację światła można uzyskać dodatkowe informacje, takie jak lokalna orientacja cząsteczek w kryształach polimerowych. W ten sposób zauważono tworzenie się mikroskopijnych sferycznych regionów częściowo skrystalizowanego polimeru z domenami LDPE bardziej skoncentrowanymi w centralnym punkcie.

Obecnie naukowcy za pomocą BCARS pracują nad powiązaniem struktury mikroskopowej polietylenu z właściwościami związanymi z deformacją i termicznym łączeniem rur polietylenowych.

Więcej informacji w artykule „Imaging the molecular structure of polyethylene blends with broadband coherent Raman microscopy".

(pj)