Konfokale Raman-Mikroskopie zur schnellen zerstörungsfreien Analyse von Kunststoffprodukten und -werkstoffen

Mikro- und nanoskalige Additive sind für die Funktionalisierung industrieller Polymerwerkstoffe von wachsender Bedeutung. Sie können als Flammschutzmittel, UV-Absorber, Strukturverstärkung oder elektrische Leiter wirken. Es besteht daher dringender Bedarf an Analysewerkzeugen, die mit minimalem Vorbereitungsaufwand Einblicke in Konzentration, Dispersion, Größe und strukturelle Integrität von additiven Partikeln geben, die nach der Compoundierung in die Polymermatrix eingebettet sind.

Bei der am Fraunhofer-Institut für Betriebsfestigkeit und Systemzuverlässigkeit LBF, Darmstadt entwickelten Lösung werden komplexe Polymermaterialien mittels hochauflösender konfokaler Raman-Mikroskopie (CRM) analysiert. Die Interpretation der gewonnenen CRM-Daten erfolgt durch Machine Learning-Algorithmen, wodurch, anders als bei herkömmlichen, sehr zeitaufwändigen Methoden wie der Transmissionslektronenmikroskopie (TEM), die Ergebnisse direkt interpretiert werden können und somit der schnelle Zugriff auf Stichprobenskalen möglich ist.

Das Verfahren liefert spektroskopische Daten mit echtem chemischen Kontrast, wodurch sich die molekulare Zusammensetzung von Polymeren mit hoher Ortsauflösung und die damit verbundenen Bauteileigenschaften zur datenbasierten Produktentwicklung entlang der gesamten Wertschöpfungskette (Materialentwicklung, Produktgestaltung, Herstellungsverfahren, Verwertung) bestimmen lassen.

Ein Beispiel hierfür ist z.B. die Verifizierung der eingesetzten Rohstoffe. Eine produktionsbegleitende Charakterisierung von Kunststoffkomponenten zur Überprüfung fertigungstechnischer Parameter ist ebenso möglich. Daneben kann die Auswirkung von Betriebs- und Umweltlasten bei der Nutzung von Kunststoffkomponenten kann analysiert werden, was wiederum für die Konzeption nachhaltiger Verwertung von Kunststoffprodukten nach Nutzungsende (End-of-life) nützlich ist.

Das Verfahren kann in allen Bereichen der Kunststoffbranche vorteilhaft eingesetzt werden. Zahlreiche Kunststoffprodukte des Alltags können detailliert untersucht werden, z. B.

• Mehrlagige Folien: Verpackungs-, Agrar- und Druckfolien,
• Beschichtete Kunststoffkomponenten: Dichtungen, Gleitlager, Fluidik,
• Gefüllte Materialien: Silica, mineralische und organische Flammschutzmittel, Farbstoffe,
• Fasern und Composite: Glas- und Kohlefaserverstärkte Kunststoffe, Kunststofffasern.