Détermination des matériaux ignifuges dans les plastiques en utilisant une combinaison de techniques analytiques

Whitepaper

Par Anthony Fong, Dr. Jesse Allen et Dr. Yanika Schneider

RÉSUMÉ

Les composés ignifuges ont une fonction importante dans la société et sont particulièrement critiques pour les plastiques, qui sont souvent plus inflammables que d'autres matériaux. Pour évaluer l'efficacité des retardateurs de flamme dans les produits commerciaux, il est important de connaître à la fois la concentration et la composition. Cependant, en raison de la variabilité des ignifugeants, la méthode analytique appropriée n’est pas toujours évidente. Dans cette publication, nous analysons une boîte en plastique inconnue dont les propriétés ignifuges ont été annoncées. Nous utilisons une série de techniques analytiques et évaluons leur compatibilité les unes avec les autres.

INTRODUCTION

Les matériaux ignifugeants constituent une classe importante de matériaux pour la protection de la vie et des biens. Ces composés peuvent aider à ralentir ou à arrêter la propagation du feu et, en tant que tels, se trouvent généralement dans une variété de biens de consommation. La composition et la concentration exactes de ces composés sont essentielles pour déterminer leur efficacité, notamment en cas de litige.1

De nombreux matériaux retardateurs différents sont disponibles dans le commerce, y compris des composés bromés, phosphore, azote, chlorés et inorganiques tels que l'aluminium hydraté, l'oxyde de magnésium et le trioxyde d'antimoine.2-4

En raison de la diversité des matériaux ignifuges, plusieurs outils d'analyse doivent être utilisés pour déterminer la composition. Dans cette publication, une boîte en plastique disponible dans le commerce a été analysée en utilisant une combinaison de Spectroscopie infrarouge à transformée de Fourier (FTIR), spectoscopie de fluorescence X (XRF) et chromatographie en phase gazeuse spectroscopie de masse (GCMS) pour illustrer la puissance des techniques complémentaires permettant de déterminer la composition et la concentration du composant ignifuge.

EXPERIMENTAL

Une boîte en plastique illustrée à la figure 1 a été achetée auprès d’un détaillant en ligne. La boîte a été coupée en trois morceaux à l'aide d'une scie à ruban. Les expériences ont été réalisées en utilisant les techniques FTIR, XRF et GCMS décrites ci-dessous.

Figure 1. Photo d'une boîte en plastique remplie d'agent ignifuge.

Figure 1. Photo d'une boîte en plastique remplie d'agent ignifuge.

IRTF: Une petite partie de l'échantillon a été transférée sur un substrat émetteur infrarouge et examinée à l'aide d'un spectromètre Thermo-Nicolet 6700 à transformée infrarouge à transformée de Fourier (FTIR) équipé d'un microscope Continuum en mode de transmission. La taille du point analytique était d'environ 100 microns x 100 microns. Le logiciel OMNIC 8.0 a été utilisé pour analyser les données.

XRF: La fluorescence des rayons X (XRF) a été réalisée en utilisant un Rigaku Primus II WDXRF avec un tube à rayons X source de rayons X au rhodium, une atmosphère sous vide et une zone d'analyse de 30 de diamètre. Cette analyse a utilisé un spectromètre à dispersion de longueur d'onde (WDXRF) capable de détecter des éléments du nombre atomique (Z) de 4 (béryllium) au numéro atomique 92 (uranium) à des concentrations allant du bas par million (ppm) allant jusqu'à 100% par poids.

GCMS: Un extrait a été préparé en dissolvant un petit morceau de plastique dans du dichlorométhane. L'extrait a été analysé sur un chromatographe en phase gazeuse Agilent 6890A / spectromètre de masse Agilent 5973 avec un détecteur sélectif de masse (MSD) en utilisant une colonne DB-30MS (J&W Scientific) de 0.25 m x 5 mm sous un débit de 1 ml / min. Une fois que le matériau ignifuge a été déterminé, une courbe d'étalonnage en 1 point a été préparée en utilisant un étalon commercial avec une concentration connue.

RÉSULTATS ET DISCUSSION

Une boîte en plastique disponible dans le commerce, représentée sur la figure 1, a été examinée par FTIR en mode de transmission. Le spectre résultant est présenté à la figure 2 (boîte noire). Le spectre est dominé par les pics de 3062, 3027, 2922, 2848, 2238, 1602, 1475, 1452, 759 et 701 cm-1, dus à l’acrylonitrile styrène (ABS) déterminé par comparaison avec des références bibliographiques. En plus de l'ABS, plusieurs autres pics ont été observés chez 1551, 1475, 1393, 1318, 278, 1243, 1159 et 737 cm-1, dus au tétrabromobisphénol A (TBBPA). Le TBBPA est un retardateur de feu couramment utilisé dans une variété d'applications.3,4 C'est également une polymérisation d'initiateur de l'ABS. De plus, un oxyde trace est observé chez 1728 cm-1, qui peut être un additif dans le plastique. Globalement, ces résultats démontrent que le TBBPA est le principal composant ignifuge du plastique et que le polymère de base est l’ABS.

Figure 2: spectre FTIR d'une boîte remplie de retardateur de flamme démontrant la présence d'ABS et de TBBPA

Figure 2: spectre FTIR d'une boîte remplie de retardateur de flamme démontrant la présence d'ABS et de TBBPA

La XRF a été réalisée directement sur un petit morceau de plastique et les résultats sont résumés dans le tableau 1. Un spectre XRF représentatif est présenté à la figure 3. Les principaux éléments détectés sont C, Br, Sb, N et O. La présence de C et N confirme la découverte par FTIR du polymère à base d’ABS, tandis que le niveau élevé de brome favorise la présence de TBBPA en tant que composant ignifuge. La teneur en ~ 10% suggère également que le trioxyde de diantimoine pourrait constituer un second composant ignifuge dans le plastique, qui est également soutenu par le rapport Sb sur O. Le trioxyde de diantimoine est un retardateur de flamme inorganique couramment utilisé en combinaison avec des composés bromés.5

Tableau 1: Composition élémentaire déterminée par XRFa

Tableau 1: Composition élémentaire déterminée par XRFa

a Les résultats sont normalisés à 100% des éléments mesurés et détectés

b Aux concentrations observées, les concentrations peuvent avoir une contribution considérable du fond instrumental

Figure 3: spectre XRF d'une boîte remplie de retardateur de flamme montrant des niveaux élevés de Br et de Sb

Figure 3: spectre XRF d'une boîte remplie de retardateur de flamme montrant des niveaux élevés de Br et de Sb

L'analyse GCMS a été effectuée sur un extrait de polymère de dichlorométhane et les substances volatiles principales sont résumées dans le tableau 2. La présence de TBBPA est à nouveau confirmée par le spectre de masse présenté à la figure 4. D'autres composés sont observés dans le plastique, notamment des antioxydants et des dérivés d'ABS. Notez que le tribromobisphénol A est un produit de débromation du TBBPA. 6

La concentration de TBBPA dans la solution d'extrait a été déterminée en utilisant un étalonnage 1-pt avec une concentration connue de TBBPA. La quantité de TBBPA dans l'extrait s'est avérée être égale à 6.83 mg / ml, ce qui équivaut à environ 48% en poids. La quantité de Br dans l'extrait est alors calculée comme étant approximativement 28% en poids. Cette valeur est très proche du 25% wt déterminé par XRF, ce qui suggère que les deux techniques fournissent des résultats complémentaires.

Tableau 2: Volatiles détectés dans l'extrait de polymère par GCMS

Tableau 2: Volatiles détectés dans l'extrait de polymère par GCMS
Figure 4: Spectre de masse de l'extrait de polymère confirmant la présence de TBBPA

Figure 4: Spectre de masse de l'extrait de polymère confirmant la présence de TBBPA

CONCLUSIONS

Une boîte en plastique contenant un retardateur de flamme inconnu a été examinée à l'aide d'une série de techniques analytiques comprenant le FTIR, le XRF et le GCMS. Les composants ignifuges ont été identifiés comme étant du tétrabromobisphénol A (TBBPA) et éventuellement du trioxyde d’antimoine. La quantité de TBBPA a été déterminée comme étant ~ 25% en poids par XRF et ~ 28% par GCMS. La proximité des deux valeurs démontre la compatibilité des méthodes. Globalement, les résultats suggèrent que la combinaison de techniques produit des informations complémentaires et fiables sur la composition ignifuge.

Références

  1. ED Weil et S. Levchik, Journal des sciences du feu 22, 25 (2004).
  2. S. Zhang et AR Horrocks, Progrès de la science des polymères. 28, 1517 (2003).
  3. L. Chen et Y.-Z Wang. Polym. Adv. Technol., 21 1 – 26 (2010).
  4. ED Weil, Journal des sciences du feu 29, 259 (2011).
  5. U. Sellström, B. Jansson, Chemosphere, 31, 3085 (1995).
  6. J. Eriksson, S. Rahm, N. Green, Å. Bergman et E. Jakobsson. La chimosphère, 54, 117 (2004).

Pour activer certaines fonctionnalités et améliorer votre expérience avec nous, ce site stocke des cookies sur votre ordinateur. Veuillez cliquer sur Continuer pour donner votre autorisation et supprimer définitivement ce message.

Pour en savoir plus, consultez notre Politique de confidentialité.