Table Of ContentPLASTICS ADDITIVES
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Plastics Additives
Advanced Industrial Analysis
By
Jan C.J. Bart
DSMResearch,TheNetherlands
Amsterdam•Berlin•Oxford•Tokyo•Washington,DC
©2006,Theauthor.
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Table of Contents
Preface . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . xi
AbouttheAuthor . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . xiii
Acknowledgements . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . xv
Chapter 1 In-PolymerSpectroscopicAnalysisofAdditives . . . . . . . . . . . . . . . . 1
1.1. DirectUltraviolet/VisibleSpectrophotometry . . . . . . . . . . . . . . . . 4
1.1.1. Vapour-phaseUltravioletAbsorptionSpectrometry . . . . . . . . . 10
1.2. Solid-stateVibrationalSpectroscopies . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11
1.2.1. Mid-infraredSpectroscopicAnalysis . . . . . . . . . . . . . . . . . 14
1.2.2. Near-infraredSpectroscopy . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34
1.2.3. RamanSpectroscopicTechniques. . . . . . . . . . . . . . . . . . . 52
1.3. PhotoacousticSpectroscopy . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 66
1.4. EmissionSpectroscopy . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 72
1.4.1. InfraredEmissionSpectroscopy . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 72
1.4.2. MolecularFluorescenceSpectroscopy . . . . . . . . . . . . . . . . 75
1.4.3. PhosphorescenceSpectroscopy . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 81
1.4.4. Chemiluminescence . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 82
1.5. NuclearSpectroscopies . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 94
1.5.1. Solid-stateNMRSpectroscopy . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 95
1.5.2. NuclearQuadrupoleResonance . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 110
1.5.3. ElectronSpinResonanceSpectroscopy . . . . . . . . . . . . . . . 112
1.5.4. MössbauerSpectroscopy . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 120
1.6. DielectricLossSpectroscopy . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 123
1.7. UltrasonicSpectroscopy . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 127
Bibliography . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 129
GeneralSpectroscopy . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 129
DirectUV/VISSpectrophotometry . . . . . . . . . . . . . . . . . . 129
InfraredSpectroscopy . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 129
Near-infraredSpectroscopy . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 130
RamanSpectroscopy. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 130
Photoacoustics . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 130
EmissionSpectroscopy . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 131
NMRSpectroscopy . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 131
ElectronSpinResonanceSpectroscopy . . . . . . . . . . . . . . . 131
DielectricSpectroscopy . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 131
PolymerCharacterisation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 131
References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 132
v
vi TableofContents
Chapter 2 Polymer/AdditiveAnalysisbyThermalMethods . . . . . . . . . . . . . . . . 155
2.1. ThermalAnalysisTechniques . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 158
2.1.1. DifferentialScanningCalorimetry . . . . . . . . . . . . . . . . . . 163
2.1.2. DifferentialThermalAnalysis. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 173
2.1.3. ThermogravimetricAnalysis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 175
2.1.4. SimultaneousThermalAnalysisMethods . . . . . . . . . . . . . . 189
2.1.5. (Multi)hyphenatedThermalAnalysisTechniques . . . . . . . . . . 192
2.1.6. ThermalMicroscopy . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 209
2.1.7. Thermoluminescence . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 213
2.2. PyrolysisTechniques. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 214
2.2.1. Pyrolysis–GasChromatography. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 222
2.2.2. Pyrolysis–MassSpectrometry . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 235
2.2.3. Pyrolysis–GasChromatography–MassSpectrometry . . . . . . . . 244
2.2.4. Pyrolysis–FourierTransformInfraredSpectroscopy. . . . . . . . . 261
2.2.5. Pyrolysis–GasChromatography–FourierTransformInfrared
Spectroscopy . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 263
2.2.6. Pyrolysis–GasChromatography–AtomicEmissionDetection . . . 264
2.2.7. Temperature-programmedPyrolysis . . . . . . . . . . . . . . . . . 266
2.3. ThermalVolatilisationandDesorptionTechniques . . . . . . . . . . . . . 275
2.3.1. ThermalSeparationTechniques . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 278
2.3.2. DirectSolidSamplingTechniquesforGasChromatography . . . . 282
2.3.3. ThermalDesorption–MassSpectrometricTechniques. . . . . . . . 299
Bibliography . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 300
ThermalAnalysis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 300
Pyrolysis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 301
ThermalDesorption . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 301
References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 301
Chapter 3 LasersinPolymer/AdditiveAnalysis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 325
3.1. Lasers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 325
3.2. LaserAblation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 331
3.2.1. LaserAblation–PlasmaSourceSpectrometry. . . . . . . . . . . . 335
3.3. LaserSpectroscopy. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 341
3.3.1. Laser-inducedAtomicandMolecularFluorescence
Spectrometry . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 343
3.3.2. Laser-inducedBreakdownSpectroscopy . . . . . . . . . . . . . . . 346
3.4. LaserDesorption/IonisationMethods . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 353
3.4.1. LaserDesorptionMassSpectrometry. . . . . . . . . . . . . . . . . 354
3.4.2. LaserIonisation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 363
3.4.3. DecoupledLaserDesorption/Ionisation . . . . . . . . . . . . . . . 366
3.4.4. Matrix-assistedLaserDesorption/Ionisation . . . . . . . . . . . . . 374
3.4.5. LaserMicroprobeMassSpectrometry . . . . . . . . . . . . . . . . 381
3.5. LaserPyrolysis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 388
Bibliography . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 392
Lasers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 392
LaserAblation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 392
LaserSpectroscopy/Spectrometry. . . . . . . . . . . . . . . . . . . 392
Laser-inducedChemistry . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 393
LaserSafety . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 393
References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 393
TableofContents vii
Chapter 4 SurfaceAnalyticalTechniquesforPolymer/AdditiveFormulations . . . . . 403
4.1. ElectronSpectroscopy . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 408
4.1.1. AugerElectronSpectroscopy . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 409
4.1.2. X-rayPhotoelectronSpectroscopy . . . . . . . . . . . . . . . . . . 411
4.2. SurfaceMassSpectrometry . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 420
4.2.1. SecondaryIonMassSpectrometry . . . . . . . . . . . . . . . . . . 422
4.2.2. SecondaryNeutralMassSpectrometry . . . . . . . . . . . . . . . . 439
4.3. IonScatteringTechniques . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 441
4.3.1. Low-energyIonScattering . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 443
4.3.2. RutherfordBackscatteringSpectroscopy . . . . . . . . . . . . . . . 444
Bibliography . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 446
SurfaceCharacterisation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 446
ElectronSpectroscopy . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 447
SurfaceMassSpectrometry . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 447
IonScatteringTechniques . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 447
References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 447
Chapter 5 MicroscopyandMicroanalysisofPolymer/AdditiveFormulations . . . . . . 455
5.1. ChemicalMicroanalysis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 458
5.2. MicroscopyandImagingTechniques . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 460
5.3. LightMicroscopy . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 464
5.3.1. ConventionalOpticalMicroscopy . . . . . . . . . . . . . . . . . . 466
5.3.2. UltravioletMicroscopy . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 472
5.3.3. FluorescenceMicroscopy . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 475
5.3.4. ConfocalandLaserMicroscopy . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 478
5.4. ElectronMicroscopy . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 483
5.4.1. ScanningElectronMicroscopy . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 485
5.4.2. TransmissionElectronMicroscopy . . . . . . . . . . . . . . . . . . 494
5.4.3. AnalyticalElectronMicroscopy . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 497
5.5. ScanningProbeMicroscopyTechniques . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 501
5.5.1. AtomicForceMicroscopy . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 504
5.5.2. Near-fieldScanningOpticalMicroscopy . . . . . . . . . . . . . . . 511
5.5.3. ScanningKelvinMicroscopy . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 514
5.6. MicrospectroscopicImagingofAdditives . . . . . . . . . . . . . . . . . . 514
5.6.1. UV/VisibleMicrospectroscopy . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 519
5.6.2. InfraredMicrospectroscopyandImaging . . . . . . . . . . . . . . 521
5.6.3. Laser-RamanMicroprobeandMicroscopy. . . . . . . . . . . . . . 532
5.6.4. FluorescenceandLuminescenceImaging . . . . . . . . . . . . . . 541
5.7. MagneticResonanceImaging . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 546
5.7.1. NuclearMagneticResonanceImaging . . . . . . . . . . . . . . . . 547
5.7.2. ElectronSpinResonanceImaging . . . . . . . . . . . . . . . . . . 555
5.8. X-rayMicroscopyandMicrospectroscopy . . . . . . . . . . . . . . . . . . 559
5.8.1. X-rayMicroradiography . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 560
5.8.2. ScanningX-rayMicroscopy. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 561
5.8.3. X-rayMicrofluorescence . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 563
5.8.4. MicroX-rayPhotoelectronSpectroscopy . . . . . . . . . . . . . . 564
5.9. IonImagingofAdditives . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 566
5.9.1. Laser-microprobeMapping . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 566
5.9.2. ImagingSecondaryIonMassSpectrometry . . . . . . . . . . . . . 567
viii TableofContents
Bibliography . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 573
LightMicroscopy . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 573
ElectronMicroscopy . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 573
ScanningProbeMicroscopy. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 574
Near-fieldOptics . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 574
MicrobeamAnalysis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 574
Microspectroscopy . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 575
Imaging/ImageAnalysis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 575
PolymerMicroscopy . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 575
General . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 576
References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 576
Chapter 6 QuantitativeAnalysisofAdditivesinPolymers . . . . . . . . . . . . . . . . . 597
6.1. SamplingProceduresforQuantitativeAnalysisofPolymer/Additive
Packages . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 600
6.1.1. QuantitativeAnalysisofMineralFilledEngineeringPlastics . . . . 605
6.1.2. ReverseEngineeringofCuredRubberCompounds . . . . . . . . . 606
6.1.3. DeterminationofAdditiveBlendsinPolymers . . . . . . . . . . . 606
6.2. QuantitativeSolventandThermalExtraction . . . . . . . . . . . . . . . . 609
6.2.1. ExtractionandQuantificationofPolyolefinAdditives. . . . . . . . 613
6.2.2. SupercriticalFluidExtraction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 614
6.2.3. QuantificationofAntioxidantsinPolyolefins . . . . . . . . . . . . 615
6.2.4. DeterminationofPlasticisersbySolventandThermalExtraction . 619
6.2.5. Oil-extendedEPDM . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 623
6.2.6. MigrationRatesofPhthalateEstersfromSoftPVCProducts. . . . 624
6.3. QuantitativeChromatographicMethods . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 624
6.3.1. QuantitativeGasChromatography . . . . . . . . . . . . . . . . . . 626
6.3.2. QuantitativeLiquidChromatography . . . . . . . . . . . . . . . . . 628
6.3.3. QuantitativeSupercriticalFluidChromatography . . . . . . . . . . 629
6.3.4. QuantitativeThin-layerChromatography . . . . . . . . . . . . . . 630
6.4. QuantitativeSpectroscopicTechniques . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 633
6.4.1. QuantitativeUltraviolet/VisibleSpectrophotometry . . . . . . . . . 637
6.4.2. QuantitativeFluorescenceSpectroscopy . . . . . . . . . . . . . . . 639
6.4.3. QuantitativeInfraredSpectroscopy . . . . . . . . . . . . . . . . . . 639
6.4.4. QuantitativeNear-infraredSpectroscopy . . . . . . . . . . . . . . . 644
6.4.5. QuantitativeRamanSpectroscopy . . . . . . . . . . . . . . . . . . 645
6.4.6. QuantitativeNuclearMagneticResonanceMethods. . . . . . . . . 646
6.5. QuantitativeMassSpectrometricTechniques . . . . . . . . . . . . . . . . 647
6.6. QuantitativeSurfaceAnalysisTechniques . . . . . . . . . . . . . . . . . . 651
6.7. QuantitativeMicroscopy . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 653
Bibliography . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 654
GeneralQuantitativeAnalysis. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 654
Sampling . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 654
Chromatography . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 654
Spectroscopy . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 655
MassSpectrometry. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 655
SurfaceAnalysis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 655
ChemometricTechniques . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 655
References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 655
TableofContents ix
Chapter 7 ProcessAnalytics . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 663
7.1. In-processAnalysers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 667
7.2. ProcessSpectroscopy . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 675
7.2.1. RemoteSpectroscopy . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 677
7.2.2. ProcessElectronicSpectroscopy . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 679
7.2.3. Mid-infraredProcessAnalysisofPolymerFormulations . . . . . . 683
7.2.4. Near-infraredSpectroscopicProcessAnalysis . . . . . . . . . . . . 693
7.2.5. ProcessRamanSpectroscopy . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 701
7.2.6. ProcessNuclearMagneticResonance . . . . . . . . . . . . . . . . 704
7.2.7. AcousticEmissionTechnology . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 716
7.2.8. Real-timeDielectricSpectroscopy . . . . . . . . . . . . . . . . . . 719
7.3. ProcessChromatography . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 720
7.4. InSituElementalAnalysis. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 721
Bibliography . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 722
ProcessAnalyticalChemistry . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 722
ProcessSpectroscopy . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 722
ProcessDataAnalysis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 723
References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 723
Chapter 8 ModernAnalyticalMethodDevelopmentandValidation . . . . . . . . . . . 731
8.1. StatusofExistingMethodsforPolymer/AdditiveAnalysis . . . . . . . . . 732
8.2. In-polymerAdditiveAnalysis:MethodDevelopmentandOptimisation . . 732
8.3. CertifiedReferenceMaterials . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 736
8.4. AnalyticalMethodValidationApproaches . . . . . . . . . . . . . . . . . . 746
8.4.1. AnalyticalPerformanceParameters. . . . . . . . . . . . . . . . . . 751
8.4.2. InterlaboratoryCollaborativeStudies . . . . . . . . . . . . . . . . . 755
8.4.3. ValidationofAntioxidantMigrationTesting . . . . . . . . . . . . . 757
8.5. TotalValidationProcess . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 757
8.5.1. Software/HardwareValidation/Qualification . . . . . . . . . . . . . 758
8.5.2. SystemSuitability . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 760
8.6. RationalStep-by-stepMethodDevelopmentandValidationfor
Polymer/AdditiveAnalysis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 760
Bibliography . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 762
MethodDevelopmentandValidation . . . . . . . . . . . . . . . . . 762
ReferenceMaterials . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 762
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Description:Modern polymer/additive deformulation is essentially carried out according to three different approaches, in increasing order of sophistication, namely analysis of analytes separated from the polymer (typically an extract), of analytes and polymer in solution, or directly in-polymer (solid state or