목차
소개 및 기본 사항
푸리에 변환 적외선 분광법과 결합한 진화 기체 분석 (EGA-FTIR) 은 폴리에틸렌(PE), 폴리프로필렌(PP), 폴리아미드(PA) 등 열가소성 플라스틱의 열 안정성 및 첨가제 방출을 분석하기 위해 확립된 방법입니다. 특히 열가소성 플라스틱 공정의 초기 단계, 즉 거대 결함이나 심각한 재료 손상이 발생하기 전에도 EGA-FTIR을 통해 분해 생성물과 휘발성 저분자 첨가제를 검출할 수 있습니다.
EGA-FTIR 방법의 기능적 원리
측정 원리
EGA-FTIR에서 분석할 폴리머는 제어된 온도 프로그램 동안 가열됩니다. 방출된 휘발성 물질(예: 첨가제, 절단 생성물, 잔류 단량체)은 FTIR 분광기의 가스 전지로 직접 옮겨져 분석됩니다(4). 결과 적외선 스펙트럼은 특징적인 흡수 대역을 기반으로 방출된 물질의 정성적 및 (보정을 통해) 정량적 식별을 가능하게 합니다.
절차
- 샘플 가열: 폴리머 재료는 제어된 조건(온도 상승, 정해진 대기)에서 특수 열균형 오븐(예: TGA 모드)에서 가열됩니다.
- 휘발성 화합물 방출: 첨가제, 가소제, 저분자 성분 또는 초기 분해 생성물은 적당한 온도에서도 증발하여 오븐에서 진화 가스로 배출됩니다.
- FTIR로 이송: 이러한 가스는 이송 라인을 통해 연속적으로 또는 단계적으로 FTIR 분광기의 가스 큐벳으로 이송됩니다.
- 적외선 분석: FTIR에서는 분자의 특징적인 적외선 흡수 대역을 사용하여 분자를 식별합니다. 각 첨가제 또는 분해 산물에는 특정 IR 스펙트럼(지문)이 있으므로 복잡한 혼합물도 정성적으로 분석할 수 있고 보정을 통해 정량적으로 분석할 수 있습니다.
열가소성 플라스틱의 특정 배출 제품
폴리에틸렌(PE)
- 주요 제품 열분해 중 지방족 탄화수소, 에탄, 에틸, 프로판, 프로펜, 펜탄 및 기타 저 분자량 알칸 및 알켄 화합물과 같은 기체 생성물
- 산화 생성물: 산화 중, 특히 후기 단계 또는 높은 온도에서 발생하는 CO, CO₂
- FTIR 특성: 지방족 사슬의 C-H 스트레칭 진동에 대한 강렬한 밴드
- 특별한 특징: PE에 질소기가 포함되어 있지 않아 질소 함유 화합물이 거의 없습니다.
폴리프로필렌(PP)
- 주요 제품: PE와 비슷하지만 프로펜, 2-메틸프로펜 및 다양한 알켄 및 알칸 유도체와 같은 알켄 배출량이 증가합니다.
- 산화 분해 생성물: 알데히드, 케톤(특히 아세트알데히드, 아세톤) 및 카르복실산(예: 아세트산), 특히 산화 분해 중(2)
- 기타 가스: CO, CO₂, H₂ 및 소량의 수소
- FTIR 특성: 메틸기 구조로 인해 PE의 파수가 약간 다른 경우의 일반적인 C-H 원자가 진동
폴리아미드(PA)
- 특정 제품: 암모니아(NH₃), 카프로락탐(PA6), 저분자 아미드 및 사이클로헥사논은 중간 온도(150-300°C)에서도 사용할 수 있습니다.
- 기타 배출물: 부타디엔, 알킬아미드 및 소량의 지방족 및 방향족 질소 화합물
- FTIR 특성: 특히 1712 cm-¹ 주위의 카르보닐 밴드(C=O)와 NH 및 CO 그룹의 흡수 밴드는 PA-6를 PE 및 PP와 명확하게 구분합니다.
비교 개요
| Polymer | Main emission products | Specific molecules | Spectral characteristics |
|---|---|---|---|
| PE | Aliphatic KW, CO, CO₂ | Ethan, ethene, propane, pentane | C–H aliphatic |
| PP | Aliphatic hydrocarbons, aldehydes, CO₂ | Propene, acetaldehyde, acetic acid | C–H + methyl groups |
| PA | Amides, nitrogen compounds | Ammoniak, Caprolactam, Cyclohexanon | NH, C=O bands, aromatic fragments |
적용 사례 및 연구 결과
다양한 연구에서 EGA-FTIR 방법의 효율성이 입증되었습니다. Biale 등은 폴리프로필렌(PP)과 폴리에틸렌(PE)의 열 분해 프로파일을 EGA 기록을 사용하여 매우 민감하게 감지할 수 있음을 보여주었습니다. 예를 들어 PP의 경우, 이 방법은 가스 배출량의 변화와 함께 인위적인 노화의 결과로 분해 시작 온도가 감소하는 것을 보여주었습니다(1).
박 박사팀은 TG-FTIR을 사용하여 다양한 열가소성 플라스틱에서 특정 열분해 생성물이 방출되는 시간과 온도를 정밀하게 측정할 수 있었습니다. 특히 첨가제나 단량체와 같이 분자량이 낮은 가스는 온도 프로그램 초기에 정량화할 수 있었습니다(2).
커스버트슨 등은 EGA 모드에서 FTIR 스펙트럼을 사용하여 첨가제를 식별하고 온도 변화를 통해 농도를 추적할 수 있는 가능성을 설명했습니다(3).
장점 및 적용 분야
구체적인 이점
- 휘발성 및 반휘발성 유기 첨가제에 대한 높은 감도
- 조기 감지: 모든 휘발성 및 반휘발성 첨가제는 가열 공정의 초기 단계에서, 즉 고체의 거시적 변화가 가시화되기 전에도 감지됩니다.
- 특징적인 FTIR 대역을 통한 개별 방출의 구체적인 식별
- 기존 온도 밸런스 시스템에 통합 가능 (5)
- 광범위한 애플리케이션: 첨가제 외에도 잔류 모노머, 용매 또는 화학적 변형도 가스 배출량을 통해 모니터링할 수 있습니다.
적용 분야
- 원료 폴리머의 품질 보증
- 재활용 공정에서의 첨가제 안정성
- 저공해 제형 개발
- 일상적인 실험실 작업의 오류 분석
- 빠르고 비파괴적인 품질 모니터링
- 실험실, 생산 또는 재활용 프로세스에 대한 근본 원인 분석
- 원자재 테스트
- 새로운 첨가제 시스템 개발
결론
EGA-FTIR 방법은 방출 프로파일이 제어된 지속 가능한 폴리머 배합을 사전에 모니터링하고 개발하는 데 이상적입니다. 이러한 특정 방출 제품을 통해 이미 초기 열 공정 단계에 있는 열가소성 플라스틱과 그 첨가제를 조기에 선택적으로 식별할 수 있습니다. 실험실 사용자와 엔지니어는 일상적인 테스트, 고장 분석 및 공정 중 제어를 위한 강력한 패키지인 EGA-FTIR을 발견하게 될 것입니다.
출처 목록
(1) Biale, G. et al. (2021). EGA-MS 및 Py-GC-MS 분석을 통한 폴리프로필렌 및 기타 일반 폴리머의 분해 생성물에 대한 체계적인 연구. PMC. https://pmc.ncbi.nlm.nih.gov/articles/PMC8234390/
(2) Park, K.B. et al. (2023). TG-FTIR을 이용한 다양한 유형의 플라스틱 열분해 제품. 사이언스다이렉트. https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S0165237023001274
(3) Cuthbertson, A.A. et al. (2024). 폴리머 특성 분석 및 첨가제 식별: TGA-FTIR을 통한 기회. RSC 출판. https://pubs.rsc.org/en/content/articlehtml/2024/gc/d4gc00659c
(4) Measurlabs (2006). 진화 가스 분석(EGA) | TGA-FTIR & TGA-MS. https://measurlabs.com/methods/evolved-gas-analysis/
(5) 린자이스 메스게라테 GmbH (2025). 열평형용 가스 분석 L40 EGA FTIR에 대한 설명. https://www.linseis.com/en/instruments/additional-devices-support/l40-ega-ftir/ct*. https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S0165237023001274
