Testes NIR em tempo real podem reduzir os custos de QC em até 90%

Antes implantados principalmente por empresas de resina e grandes compostos, os dispositivos de medição em tempo real no infravermelho próximo (NIR) estão cada vez mais encontrando lares nos laboratórios de pequenos fabricantes de compostos, bem como em processadores e recicladores. Esses dispositivos se tornaram mais portáteis, econômicos e fáceis de usar.

É o que diz John Bogart, diretor administrativo da Kett US, Villa Park, Califórnia, que atualmente oferece cerca de 200 instrumentos para análise de umidade e composição, incluindo dispositivos NIR. Com seus analisadores de umidade e / ou composição NIR, a empresa visa compostores e recicladores, bem como moldadores, extrusoras de filme e folha e termoformadoras.

Os analisadores de umidade portáteis NIR, como o Kett KJT130, são vendidos por cerca de US $ 16.000.

Embora o teste tradicional seja crítico para determinar as propriedades do polímero, desde o simples teor de umidade até a análise química completa, é demorado e trabalhoso e tem custos substanciais para a compra e descarte de consumíveis, como reagentes e produtos químicos. Normalmente, ele requer a preparação da amostra e pode levar de 5 a 15 minutos para testes de umidade e 24 a 48 horas para testes químicos mais complexos.

Mas Bogart diz que a espectroscopia NIR pode agora fornecer leituras de qualidade laboratorial imediatas e em tempo real por meio de um método de medição sem contato que pode fornecer umidade, análise de composição e até leituras de composição de espectro total por uma fração do custo dos métodos convencionais. “Mudar dos métodos diretos atuais para a análise NIR pode reduzir os custos de teste em até 90% devido à redução dramática no 'tempo das pessoas' e na eliminação de reagentes químicos, resíduos de testes e 'erros das pessoas' que cria a necessidade de repita os testes. ”

Economias de custos adicionais estão relacionadas à otimização de energia, otimização de rendimento e redução de defeitos de qualidade, diz Bogart, que afirma que esses são geralmente muito substanciais, mas são difíceis de prever com antecedência. “Por exemplo, se os custos com pessoas são $ 20 / h (muito conservador), o custo total para 1 hora é de cerca de $ 28. Se dissermos que um ou dois ‘testes somente de umidade’ são realizados por dia, o custo é de US $ 28 se você reservar 30 minutos para cada teste. O teste NIR leva 6 segundos ou, se online, é contínuo. Seis segundos contra 3600 segundos é 0,16%, uma redução de 98,84%. O custo de uma unidade de desktop apenas com umidade é de cerca de US $ 12 por dia útil. ”

Bogart afirma que mesmo com o custo de um novo instrumento, um cliente economiza dinheiro a cada dia e o custo do teste é reduzido em pelo menos 90%, dadas as estimativas muito conservadoras para o pagamento por hora e o número de testes usados ​​em seu exemplo. “É por isso que mesmo as 'pequenas' empresas devem considerar a migração para essa tecnologia.”

Ele diz:“A medição NIR em tempo real permite o monitoramento contínuo e a otimização dos processos de polímero. Ele fornece dados de garantia de qualidade mais oportunos do que uma equipe de pessoas de controle de qualidade usando métodos de teste tradicionais, e 100% do produto pode ser inspecionado. ” O teste instantâneo permite um controle de qualidade superior e ajuste imediato se um processo começar a sair da faixa-alvo, afirma ele. Os resultados podem melhorar a consistência e o rendimento do lote, ao mesmo tempo que ajudam a eliminar a falha do lote e reduzir o desperdício de material.

Como funciona

A espectroscopia NIR reflete feixes de luz em um sólido, pasta ou líquido e mede quanta luz é absorvida em certos comprimentos de onda - cerca de 700 a 2500 nanômetros. Isso produz uma "impressão digital óptica" da composição química da amostra, com o dispositivo calculando as medições desejadas após ter sido inicialmente calibrado para um padrão de laboratório ou produção.

O equipamento pode ser portátil, de mesa, online ou embutido, e é versátil o suficiente para trabalhar em misturadores, liquidificadores, extrusores ou linhas de transferência pneumáticas e a vácuo, bem como em aplicações de fluxo de tubo ao utilizar acessórios de fibra óptica.

Bogart observa que nem todos os processadores precisam dos dispositivos de teste NIR mais sofisticados e caros para cada aplicação. “Não pague por um Lamborghini se você precisar de um Ford, ou por um Ford se você precisar de um Lamborghini”, ele aconselha. “Para muitas aplicações de polímeros, um medidor de umidade é tudo o que é necessário. Um analisador de composição é um avanço; e uma máquina de espectro total vai além disso quando testes ainda mais abrangentes ou especializados são necessários. ”

Embora os fabricantes de polímeros estejam mais familiarizados com os métodos tradicionais, para aqueles preocupados não apenas com a qualidade, mas também com a lucratividade, a seleção da abordagem NIR que funciona melhor para a aplicação pode ter um grande impacto nos resultados financeiros.

O dispositivo certo para o trabalho

Existem duas categorias gerais de dispositivos NIR:com base em filtro e espectro total. Dispositivos baseados em filtro são particularmente adequados para a maioria dos tipos de processamento, de acordo com Bogart.

O equipamento baseado em filtro NIR bloqueia a luz visível e permite que apenas certos comprimentos de onda de luz infravermelha entrem no dispositivo. Bogart observa que os produtos baseados em filtro, que incluem medidores de umidade e analisadores de composição, são mais simples do que os dispositivos de espectro total porque funcionam com uma faixa limitada de comprimentos de onda. No entanto, os dispositivos apresentam algumas vantagens.

“Os produtos baseados em filtro são mais baratos, mais fáceis de calibrar e manter. Os dispositivos também são mais robustos e normalmente mais estáveis ​​para os operadores usarem. A desvantagem é que os instrumentos são mais limitados no que podem testar ”, diz Bogart.

Um teste de perda na secagem, que mede a mudança de peso total do material após a secagem, é o método tradicional de medição de umidade. No entanto, esses testes gravimétricos normalmente requerem que uma amostra seja preparada e trazida de volta ao laboratório. O teste leva pelo menos 15 minutos a várias horas para ser executado, o que é muito lento quando medições mais imediatas são necessárias. Além disso, requer que a amostra seja alterada ou destruída.

Analisadores de umidade de mesa, como o KB270F, são vendidos na faixa de US $ 10.000 a US $ 12.000.

Como alternativa imediata e em tempo real, os medidores de umidade NIR são o tipo mais simples e econômico de dispositivos baseados em filtro. Eles são instantâneos, não destrutivos e podem até não ter contato. Freqüentemente, os medidores de umidade NIR são usados ​​para inspecionar as matérias-primas que chegam. No entanto, os medidores podem ser usados ​​em qualquer parte do processo de produção onde é importante atingir um teor de umidade específico. Esses dispositivos normalmente usam apenas alguns comprimentos de onda para medição de umidade.

Bogart relata um exemplo de um fabricante de polímeros que usa um medidor de umidade NIR para produzir pellets para uma empresa de dispositivos médicos. O cliente cria produtos que são inseridos no corpo. Para esta aplicação, o fabricante do polímero precisa ter umidade extremamente baixa nos pellets antes de serem moldados por injeção. Se o nível de umidade subir acima de uma determinada quantidade, o processo de moldagem não funciona bem, o que aumenta o risco de falha da peça.

Diz Bogart, “Os grânulos de polímero devem ser feitos com precisão e devidamente embalados com muito pouca umidade; e as amostras não podem ser destruídas durante a verificação. Portanto, o fabricante usa a medição de umidade NIR para garantir de maneira econômica que 100% dos pellets de polímero atendam aos critérios exigidos. ”

Os analisadores de umidade NIR são vendidos por $ 10.000 a $ 12.000 para uma unidade de mesa, $ 16.000 para unidades portáteis, $ 12.000 a $ 25.000 para unidades online que funcionariam bem em uma correia transportadora e cerca de $ 25.000 para unidades em linha que podem ser usadas em uma extrusora, misturador, liquidificador , moedor, transportador pneumático / a vácuo ou funil. Normalmente, eles são simples de calibrar e podem precisar apenas de duas amostras para obter uma leitura.

Os analisadores de composição NIR são um avanço na capacidade de medição e geralmente podem medir simultaneamente alguns componentes químicos diferentes no polímero, sendo limitados a cerca de seis a sete comprimentos de onda de luz infravermelha. Além da umidade, os dispositivos também podem ser usados ​​para medir óleos ou solventes residuais, que podem causar problemas de contaminação se não forem detectados e removidos. Eles são uma alternativa aos métodos tradicionais, demorados e trabalhosos de perda na secagem e Karl Fischer de análise de umidade; Extração Soxhlet para resíduos de óleo; e cromatografia gasosa para extrações de solvente.

Analisadores de composição, como as unidades em linha Kett KJT270, custam entre $ 28.000 e $ 29.000.

Bogart aponta para outro uso comum de tal dispositivo. “A indústria costuma usar plástico reciclado como matéria-prima, mas nem sempre sabe de onde ele vem. Portanto, os fabricantes podem querer medir o óleo total e o solvente, além da umidade, uma vez que qualquer contaminante residual pode atrapalhar o processo e até mesmo causar o mau funcionamento da planta ”, diz ele.

Um terceiro uso padrão desse tipo de dispositivo é medir a espessura do revestimento ou do filme. Em muitos casos, medições de processo online em desktop e em tempo real são possíveis. Geralmente, o preço do analisador de composição NIR é substancialmente mais baixo do que as tecnologias alternativas.

Como os polímeros são amplamente usados ​​em uma variedade de indústrias, Bogart observa que os analisadores de composição são frequentemente usados ​​não apenas em materiais recebidos, mas também em materiais em processo, produtos finais e até mesmo em falhas externas de produtos e devoluções para ajudar a determinar a causa do problema.

Como os analisadores de composição NIR são projetados para detectar umidade e resíduos de aditivos, seus custos e requisitos de calibração são um pouco maiores e mais complexos do que as unidades NIR somente de umidade. Seus preços variam de US $ 18.000 para um sistema de desktop a US $ 28.000-29.000 para sistemas inline ou online. Esses sistemas operam de forma semelhante, mas diferem apenas no local em que o cliente deseja fazer o teste. Eles podem medir simultaneamente vários orgânicos, como água, óleo / gordura total, proteína, açúcar, fibra e solvente / álcool.

Teste de espectro total para análises complexas

Em contraste com os dispositivos baseados em filtro, os dispositivos NIR de espectro completo podem medir mais de 500 comprimentos de onda para determinar se certas substâncias ou materiais atendem a uma ampla gama de critérios.

Unidades de análise de composição online, como o Kett BSR1700, são vendidas na faixa de $ 28.000 a $ 29.000 e funcionariam, por exemplo, em uma correia transportadora.

Com o teste de espectro total, o maior número de fatores direcionados pode ser medido em tempo real, uma vez que o dispositivo é calibrado especificamente para sua detecção. Além da umidade, por exemplo, os fabricantes podem frequentemente medir a densidade do polímero, a viscosidade, a taxa de fluxo de fusão (MFR) e a concentração de grupos funcionais.

Esse teste é comumente utilizado durante a polimerização em emulsão, que são usados ​​para produzir látex e coloides de polímero sintético para aplicações de pintura, revestimento, borracha, aglutinante e adesivo. Este método também é útil para realizar com sucesso processos de polimerização em suspensão, que são freqüentemente usados ​​para produzir grânulos de polímero.

Essas unidades são vendidas na faixa de $ 40.000 a $ 60.000 e são mais complexas para calibrar do que os medidores somente de umidade e de filtro / composição. Essas unidades são uma boa opção para aqueles que desejam medir vários componentes orgânicos ou um componente especial, como dois solventes e um aditivo, bem como umidade.