Espectroscopia NIR en la industria de los polímeros: la herramienta ideal para el control de calidad y la detección de productos: parte 1
3 may. 2021
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Sin duda, hoy en día existe una tendencia hacia más estricto garantía de calidad y control de calidad en los procesos de producción, como en la industria de polímeros. Al mismo tiempo, esta tendencia va acompañada de un mayor enfoque en los métodos de ahorro de costos y tiempo eficiente para que realizar más pruebas no resulte automáticamente en costos más altos.
Los principales factores que impulsan a las empresas a implementar voluntariamente más pruebas y prácticas de calidad incluyen:
- Presión de costos. Las pruebas pueden revelar productos fuera de las especificaciones, lo que permite detener la producción con tiempo suficiente y eliminar los costos de fabricación excesivos.
- Aumento de la competencia. Las prácticas de calidad brindan una ventaja competitiva y se pueden utilizar como una herramienta de marketing para aumentar el valor de la marca.
- Escasez de recursos. El personal calificado es difícil de encontrar; por lo tanto, las comprobaciones que pueden realizar los no especialistas son invaluables.
La espectroscopia de infrarrojo cercano (NIR) es un método analítico que aborda los factores anteriores y es particularmente adecuado para realizar controles de calidad. más eficiente y rentable como se muestra en este artículo. Se presenta una breve descripción general de NIRS, seguida de ejemplos de aplicación para el control de calidad de polímeros, que concluye con indicaciones y ejemplos sobre cómo las empresas productoras y procesadoras de polímeros pueden beneficiarse de la utilización de NIRS.
Descripción general de la tecnología NIR
La interacción entre la luz y la materia es un proceso bien conocido, solo recuerde la última vez que su piel se quemó con el sol. Según la intensidad y la energía de la luz aplicada, la interacción puede ser destructiva (como una quemadura solar) o inofensiva (como las ondas de radio). La luz utilizada en los métodos espectroscópicos normalmente no se describe por la energía aplicada, pero en muchos casos por la longitud de onda o números de onda.
Un espectrómetro NIR como el Analizador de polímeros Metrohm DS2500 mide esta interacción entre la luz y la materia para generar espectros como se muestra en Figura 1. NIRS es especialmente sensible a la presencia de ciertos grupos funcionales, incluidos -CH, -NH, -OH y -SH. Por lo tanto, la espectroscopia NIR es una método ideal para cuantificar parámetros químicos como contenido de agua (humedad), índice de hidroxilo, índice de acidez, y contenido de amina, Sólo para nombrar unos pocos. Además, la interacción también depende de la matriz de la muestra en sí, lo que permite la detección de parámetros físicos y reológicos como densidad, viscosidad intrínseca, y índice de fluidez.
Toda esta información está contenida en un solo espectro, lo que hace que este método sea adecuado para análisis multiparamétrico rápido. Las muestras sólidas, como los polvos, se aseguran dentro de un recipiente o vial apropiado (Figura 2a) luego se coloca tal como está en el analizador. Las muestras heterogéneas, como los gránulos de polímero, se pueden analizar utilizando vasos de medición más grandes (Figura 2b).
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El modo de medición se denomina «reflexión difusa», generalmente un procedimiento apropiado para analizar gránulos, fibras, copos, y ambos Cpolvos gruesos y finos. Para reflexión difusa (figura 3), la luz NIR proviene de debajo de la muestra, penetrando e interactuando con ella, mientras se absorbe parcialmente. La luz NIR no absorbida se refleja en el detector. En menos de un minuto, se completa la medición y se muestran los resultados.
El procedimiento para obtener espectros NIR ya destaca dos grandes ventajas de la espectroscopia NIR: simplicidad en la medición de muestras y velocidad.
- Técnica rápida con resultados en menos de un minuto.
- No se requiere preparación de muestras: mida la muestra tal como está.
- Bajo costo por muestra: no se necesitan químicos ni solventes.
- Técnica respetuosa con el medio ambiente: no genera residuos.
- No destructivo: las valiosas muestras se pueden reutilizar después del análisis.
- Fácil de operar: los usuarios sin experiencia tienen éxito de inmediato.
Lea nuestras publicaciones de blog anteriores para obtener más información sobre NIRS como técnica secundaria.
¿Qué es la espectroscopia NIR?
NIR vs. IR: ¿Cuál es la diferencia?
Cómo implementar la espectroscopia NIR en el flujo de trabajo de su laboratorio
Precalibraciones de espectroscopia NIR: Resultados inmediatos
¿Qué tipos de fabricantes de polímeros en la cadena de producción podrían beneficiarse del uso de la espectroscopia NIR?
Figura 4 ilustra los pasos de producción individuales desde el productor de plástico, vía mezclador de plástico y convertidor de plástico al productor de piezas de plástico. El primer paso en el que se pueden utilizar instrumentos de laboratorio de infrarrojo cercano es cuando se producen polímeros puros y su pureza requiere confirmación. NIRS también es una técnica muy útil para el siguiente paso, cuando los polímeros se combinan en productos que se utilizarán para su procesamiento posterior.
Un productor de piezas de plástico, normalmente una empresa de moldeo por inyección o extrusión, evalúa la calidad de los lotes de polímero recibidos. En muchos casos, se confía en el certificado del proveedor sin más verificación. Sin embargo, un número cada vez mayor de empresas que crean productos para la industria médica o que producen piezas de alto valor o en grandes cantidades han comenzado a evaluar los importantes parámetros de calidad reológica de cada lote de polímero antes de usarlo para moldeo por inyección o extrusión. La alimentación de un polímero fuera de las especificaciones en el proceso de producción conduce a una parada costosa del equipo y a una limpieza que requiere mucho tiempo.
Aquí, una verificación previa rápida del material polimérico de partida utilizado en el proceso sería ideal para evitar tales riesgos y posibles tiempos de inactividad. Para este propósito, NIRS es la solución ideal porque es rápido, tiene bajos costos de funcionamiento y puede ser operado por personal sin una educación química extensa.
Cuando la pieza final se crea al final del proceso de producción, también se puede someter a investigaciones espectroscópicas NIR para el control de calidad. Esto es útil para evaluar la homogeneidad o el grosor de botellas o láminas de material, por ejemplo.
¿Qué tipos de aplicaciones y parámetros de polímeros son posibles con NIRS en general?
En principio, el análisis NIRS es más adecuado para medir materiales a granel y no para el análisis de trazas. Además, las muestras de polímeros no deben contener más del 3% de negro de humo y debe estar disponible un método de referencia. Cuando se cumplen estos requisitos previos, la espectroscopia NIR se puede utilizar como una tecnología de medición alternativa rápida y económica.
el libre Boletín de aplicaciones de Metrohm a continuación se describen varias aplicaciones para la industria de polímeros que se pueden llevar a cabo con la ayuda de instrumentos NIRS. Este documento contiene análisis de una amplia gama de parámetros en una gran variedad de muestras.
Análisis de polímeros mediante espectroscopia de infrarrojo cercano
Los ejemplos para el uso de la espectroscopia NIR para polímeros seleccionados se indican en tabla 1.
| Tipo de polímero | Parámetro | Método de análisis convencional | Ventaja de usar NIRS | Nota de aplicación NIRS relacionada |
| Polietileno (HDPE/LDPE) | Densidad | Densímetro | Resultados en 30 segundos | |
| Índice de flujo de fusión | aparato IMF | Ahorrar tiempo Sin limpieza de equipos |
||
| Polipropileno (PP) | Índice de flujo de fusión | aparato IMF | Ahorrar tiempo Sin limpieza de equipos |
|
| Poliamida (PA) | Viscosidad intrínseca | Viscosímetro Ubbelohde | Sin disolución lenta en productos químicos peligrosos Sin desperdicio Ahorro de costes |
|
| COOH, Nueva Hampshire2, Humedad | Valoración |
No se necesitan productos químicos No se necesita un operador con formación química |
||
| Tereftalato de polietileno (PET) | Viscosidad intrínseca | Viscosímetro Ubbelohde | Sin disolución lenta en productos químicos peligrosos Sin desperdicio Ahorro de costes |
AN-NIR-023 |
| Índice de acidez | Valoración | Ahorra tiempo y costes No se necesitan productos químicos No se necesita un operador con formación química |
||
| ácido isoftálico | HPLC | No se necesitan disolventes eluyentes Ahorra tiempo y costes No se necesita un operador con formación química |
||
| Poliuretano (PU) | OH de polioles | Valoración | Ahorra tiempo y costes No se necesitan productos químicos No se necesita un operador con formación química |
|
| Contenido de isocianato | Valoración | |||
| Alcohol polivinílico (PVA) | Grado de alcoholisis | Valoración | Ahorra tiempo y costes No se necesitan productos químicos No se necesita un operador con formación química |
AN-NIR-076 |
| Goma de silicona | Contenido de vinilo | Cromatografía de gases | Ahorra tiempo y costes No se necesitan productos químicos No se necesita un operador con formación química |
AN-NIR-084 |
| Cloruro de polivinilideno (PVDC) | El grosor de una hoja | Peso | Ahorrar tiempo Reducción del riesgo de error del usuario |
AN-NIR-092 |
Ahorre hasta un 90 % en costos de funcionamiento con NIRS
La subestimación de los procesos de control de calidad es uno de los principales factores que conducen a fallas internas y externas del producto, que se ha informado que causan un pérdida de facturación entre 10-30%. Como resultado, se han establecido muchas normas diferentes para ayudar a los fabricantes con su proceso de CC. Sin embargo, el tiempo de obtención de resultados y los costes asociados de los productos químicos pueden ser bastante excesivos, lo que lleva a muchas empresas a implementar la espectroscopia de infrarrojo cercano en su proceso de control de calidad.
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Otras entregas de esta serie
Este artículo es solo una descripción general del uso de la espectroscopia NIR como la herramienta de control de calidad ideal para la industria de los polímeros. Otras entregas están dedicadas a la polímeros más comúnmente producidos y comercialmente importantes e incluir información mucho más detallada. Estos polímeros son:
Polietileno y Polipropileno (PE & PP)
Sus conocimientos para llevar
Folleto: Análisis de polímeros mediante espectroscopia NIR y Raman
Espectroscopia de infrarrojo cercano y Raman para el análisis de polímeros: una introducción
Técnicas avanzadas como la espectroscopia Raman y la espectroscopia de infrarrojo cercano (NIR) mejoran el control de calidad al proporcionar análisis rápidos y no destructivos. Descubra cómo estas técnicas espectroscópicas pueden optimizar los procesos de fabricación y control de calidad en nuestro completo libro electrónico. Descargue el libro electrónico ahora para descubrir todo el potencial de la espectroscopia NIR y Raman para su análisis de polímeros.
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