Realtime NIR-tests kunnen QC-kosten tot 90% verlagen

Eens voornamelijk ingezet door harsbedrijven en grote compounders, vinden real-time, nabij-infrarood (NIR) meetapparatuur steeds vaker hun thuis in de laboratoria van kleinere compounders, evenals verwerkers en recyclers. Deze apparaten zijn draagbaarder, kosteneffectiever en gebruiksvriendelijker geworden.

Dat zegt John Bogart, directeur van Kett US, Villa Park, Californië, dat momenteel bijna 200 instrumenten aanbiedt voor vocht- en samenstellingsanalyse, inclusief NIR-apparaten. Met zijn NIR-vocht- en/of samenstellingsanalysatoren richt het bedrijf zich op compounders en recyclers, evenals op vormers, film- en plaatextruders en dieptrekmachines.

Draagbare NIR-vochtanalysatoren zoals de Kett KJT130 verkopen voor ongeveer $ 16.000.

Hoewel traditionele testen van cruciaal belang zijn bij het bepalen van polymeereigenschappen, van eenvoudig vochtgehalte tot volledige chemische analyse, is het tijdrovend en arbeidsintensief en brengt het aanzienlijke kosten met zich mee voor de aankoop en verwijdering van verbruiksartikelen zoals reagentia en chemicaliën. Meestal vereist het monstervoorbereiding en kan het 5 tot 15 minuten duren voor vochttesten en 24 tot 48 uur voor complexere chemische testen.

Maar Bogart zegt dat NIR-spectroscopie nu directe, realtime laboratoriumkwaliteitsmetingen kan bieden via een contactloze meetmethode die vocht, samenstellingsanalyse en zelfs volledige spectrumsamenstellingsmetingen kan leveren voor een fractie van de kosten van conventionele methoden. “De overstap van de huidige directe methoden naar NIR-analyse kan de testkosten tot wel 90% verlagen dankzij de dramatische vermindering van zowel 'mensentijd' als de eliminatie van chemische reagentia, testafval en 'mensenfouten' die de noodzaak creëren om herhaal de tests.”

Extra kostenbesparingen zijn gerelateerd aan energieoptimalisatie, opbrengstoptimalisatie en vermindering van kwaliteitsgebreken, zegt Bogart, die zegt dat deze over het algemeen zeer substantieel zijn, maar moeilijk vooraf te voorspellen. “Als de personeelskosten bijvoorbeeld $ 20 per uur zijn (zeer conservatief), bedragen de totale kosten voor budgetten van 1 uur ongeveer $ 28. Als we zeggen dat er een of twee 'alleen vochttesten' per dag worden uitgevoerd, zijn de kosten $ 28 als u 30 minuten voor elke test uittrekt. De NIR-test duurt 6 seconden of is, indien online, continu. Zes seconden vs. 3600 sec is 0,16%, een vermindering van 98,84%. De kosten van een desktop-unit die alleen vocht bevat, bedragen ongeveer $ 12 per werkdag.”

Bogart stelt dat zelfs met de kosten van een nieuw instrument, een klant elke dag geld bespaart en de testkosten met ten minste 90% worden verlaagd, gezien de zeer conservatieve schattingen voor het uurloon en het aantal tests dat in zijn voorbeeld wordt gebruikt. "Dit is de reden waarom zelfs 'kleine' bedrijven zouden moeten overwegen om naar deze technologie te migreren."

Hij zegt:"Realtime NIR-meting maakt continue monitoring en optimalisatie van polymeerprocessen mogelijk. Het biedt meer actuele kwaliteitsborgingsgegevens dan een team van QA-mensen die traditionele testmethoden gebruiken, en 100% van het product kan worden geïnspecteerd.” Onmiddellijk testen maakt superieure kwaliteitscontrole en onmiddellijke aanpassing mogelijk als een proces buiten het doelbereik begint te raken, stelt hij. De resultaten kunnen de batchconsistentie en -opbrengst verbeteren, terwijl batchfouten worden voorkomen en materiaalverspilling worden verminderd.

Hoe het werkt

NIR-spectroscopie weerkaatst lichtstralen van een vaste stof, slurry of vloeistof en meet hoeveel licht wordt geabsorbeerd in bepaalde golflengten - ongeveer 700 tot 2500 nanometer. Dit produceert een "optische vingerafdruk" van de chemische samenstelling van het monster, waarbij het apparaat de gewenste metingen berekent nadat het aanvankelijk is gekalibreerd volgens een laboratorium- of productiestandaard.

De apparatuur kan in de hand, desktop, online of inline zijn en is veelzijdig genoeg om in mixers, blenders, extruders of pneumatische en vacuümoverdrachtslijnen te werken, evenals pijpstroomtoepassingen bij gebruik van glasvezelaccessoires.

Bogart merkt op dat niet alle processors behoefte hebben aan de meest geavanceerde en kostbare NIR-testapparatuur voor elke toepassing. "Betaal niet voor een Lamborghini als je een Ford nodig hebt, of voor een Ford als je een Lamborghini nodig hebt", adviseert hij. “Voor veel polymeertoepassingen is een vochtmeter voldoende. Een compositie-analysator is een stap voorwaarts; en een machine met volledig spectrum gaat verder dan dat wanneer nog uitgebreidere of gespecialiseerde tests vereist zijn.”

Hoewel polymeerfabrikanten meer bekend zijn met traditionele methoden, kan het kiezen van de NIR-benadering die het beste werkt voor de toepassing voor degenen die niet alleen met kwaliteit maar ook met winstgevendheid bezig zijn, een grote impact hebben op de winst.

Het juiste apparaat voor de klus

Er zijn twee algemene categorieën NIR-apparaten:op filter gebaseerd en volledig spectrum. Filtergebaseerde apparaten zijn volgens Bogart bijzonder geschikt voor de meeste soorten verwerking.

Op NIR-filter gebaseerde apparatuur blokkeert zichtbaar licht en laat alleen bepaalde golflengten van IR-licht het apparaat binnen. Bogart merkt op dat op filters gebaseerde producten, waaronder vochtmeters en samenstellingsanalysatoren, eenvoudiger zijn dan apparaten met een volledig spectrum, omdat ze werken met een beperkt bereik aan golflengten. De apparaten hebben echter enkele voordelen.

“Filtergebaseerde producten zijn goedkoper, gemakkelijker te kalibreren en te onderhouden. De apparaten zijn ook robuuster en doorgaans stabieler voor gebruik door operators. Het nadeel is dat de instrumenten beperkter zijn in wat ze kunnen testen”, zegt Bogart.

Een loss-on-dry-test, die de totale gewichtsverandering van het materiaal na droging meet, is de traditionele methode om vocht te meten. Dergelijke gravimetrische tests vereisen echter meestal dat een monster wordt voorbereid en teruggebracht naar het laboratorium. De test duurt minstens 15 minuten tot enkele uren om uit te voeren, wat te langzaam is wanneer meer directe metingen vereist zijn. Het vereist ook dat het monster wordt gewijzigd of vernietigd.

Desktop vochtanalysatoren zoals KB270F verkopen in het bereik van $ 10.000 tot $ 12.000.

Als een onmiddellijk, realtime alternatief zijn NIR-vochtmeters het eenvoudigste en meest economische type op filter gebaseerde apparaten. Ze zijn direct, niet-destructief en kunnen zelfs contactloos zijn. Vaak worden NIR-vochtmeters gebruikt om binnenkomende grondstoffen te inspecteren. De meters kunnen echter overal in het productieproces worden toegepast waar het bereiken van een bepaald vochtgehalte belangrijk is. Deze apparaten gebruiken doorgaans slechts een paar golflengten voor vochtmeting.

Bogart vertelt een voorbeeld van een polymeerfabrikant die een NIR-vochtmeter gebruikt om pellets te produceren voor een bedrijf in medische hulpmiddelen. De klant maakt producten die in het lichaam worden ingebracht. Voor deze toepassing moet de polymeerfabrikant een extreem laag vochtgehalte in de pellets hebben voordat ze worden gespuitgiet. Als het vochtgehalte boven een bepaalde hoeveelheid komt, werkt het gietproces niet goed, wat het risico op defecten van het onderdeel vergroot.

Bogart zegt:"De polymeerpellets moeten nauwkeurig worden gemaakt en goed worden verpakt met heel weinig vocht; en de monsters kunnen tijdens de verificatie niet worden vernietigd. Daarom gebruikt de fabrikant NIR-vochtmeting om er op kosteneffectieve wijze voor te zorgen dat 100% van de polymeerpellets veilig aan de vereiste criteria voldoen.”

NIR-vochtanalysatoren verkopen voor $ 10.000 tot $ 12.000 voor een desktopeenheid, $ 16.000 voor draagbare eenheden, $ 12.000 tot $ 25.000 voor online eenheden die goed zouden werken over een transportband, en ongeveer $ 25.000 voor inline-eenheden die kunnen worden gebruikt in een extruder, mixer, blender , slijpmachine, pneumatische/vacuümband of hopper. Deze zijn doorgaans eenvoudig te kalibreren en hebben mogelijk slechts twee monsters nodig om een ​​meting te krijgen.

NIR-compositieanalysatoren zijn een stap voorwaarts in de meetcapaciteit en kunnen meestal tegelijkertijd een paar verschillende chemische componenten in het polymeer meten, terwijl ze beperkt zijn tot ongeveer zes tot zeven golflengten van IR-licht. Naast vocht kunnen de apparaten ook worden gebruikt om resterende oliën of oplosmiddelen te meten, die verontreinigingsproblemen kunnen veroorzaken als ze niet worden gedetecteerd en verwijderd. Ze zijn een alternatief voor traditionele, tijdrovende en arbeidsintensieve loss-on-drying- en Karl Fischer-methoden voor vochtanalyse; Soxhlet-extractie voor olieresten; en gaschromatografie voor extracties met oplosmiddelen.

Compositieanalysatoren zoals de Kett KJT270 inline-units worden verkocht voor tussen de $ 28.000 en $ 29.000.

Bogart wijst op een ander algemeen gebruik van een dergelijk apparaat. “De industrie gebruikt vaak gerecycled plastic als grondstof, maar weet niet altijd waar het vandaan komt. Fabrikanten willen dus misschien de totale hoeveelheid olie en oplosmiddel meten naast het vocht, omdat eventuele resterende verontreinigingen het proces kunnen verstoren en zelfs een fabrieksstoring kunnen veroorzaken”, zegt hij.

Een derde standaardtoepassing van dit type apparaat is het meten van coating- of filmdikte. Zowel desktop als realtime online procesmetingen zijn in veel gevallen mogelijk. Over het algemeen is de prijs van de NIR-samenstellingsanalysator aanzienlijk lager dan die van alternatieve technologieën.

Omdat polymeren zo veel worden gebruikt in een verscheidenheid aan industrieën, merkt Bogart op dat samenstellingsanalysatoren vaak niet alleen worden gebruikt voor binnenkomende materialen, maar ook voor in-process materialen, eindproducten en zelfs voor externe productstoringen en retourzendingen om de oorzaak te helpen bepalen van het probleem.

Omdat NIR-samenstellingsanalysatoren zijn ontworpen om vocht en additiefresiduen te detecteren, zijn hun kosten en kalibratievereisten iets hoger en complexer dan NIR-units met alleen vocht. Hun prijzen beginnen rond de $ 18.000 voor een desktopsysteem tot $ 28.000-29.000 voor inline of online systemen. Dergelijke systemen werken op dezelfde manier, maar verschillen alleen in de locatie waar de klant wil testen. Deze kunnen tegelijkertijd meerdere organische stoffen meten, zoals water, totaal olie/vet, eiwit, suiker, vezels en oplosmiddel/alcohol.

Full-spectrumtesten voor complexe analyses

In tegenstelling tot op filter gebaseerde apparaten, kunnen NIR-apparaten met volledig spectrum meer dan 500 golflengten meten om te bepalen of bepaalde stoffen of materialen aan een breed scala aan criteria voldoen.

Online analyse-eenheden voor compositie, zoals de Kett BSR1700, verkopen in het bereik van $ 28.000 tot $ 29.000 en zouden bijvoorbeeld over een transportband werken.

Met full-spectrumtests kan het grootste aantal gerichte factoren in realtime worden gemeten, zodra het apparaat specifiek is gekalibreerd voor detectie. Naast vocht kunnen fabrikanten bijvoorbeeld vaak polymeerdichtheid, viscositeit, smeltstroomsnelheid (MFR) en concentratie van functionele groepen meten.

Dergelijke testen worden gewoonlijk gebruikt tijdens emulsiepolymerisatie, die worden gebruikt om latexen en synthetische polymeercolloïden te produceren voor verf-, coating-, rubber-, bindmiddel- en kleefstoftoepassingen. Deze methode is ook nuttig voor het succesvol uitvoeren van suspensiepolymerisatieprocessen, die vaak worden gebruikt om polymeerparels te produceren.

Deze eenheden verkopen in het bereik van $ 40.000 tot $ 60.000 en zijn complexer om te kalibreren dan de alleen-vocht- en filter-/samenstellingsmeters. Deze eenheden zijn een goede optie voor diegenen die meerdere organische componenten of een speciale component willen meten, zoals twee oplosmiddelen en één additief evenals vocht.