Las pruebas NIR en tiempo real pueden reducir los costos de control de calidad hasta en un 90%

Una vez implementados principalmente por compañías de resinas y grandes fabricantes de compuestos, los dispositivos de medición en tiempo real en el infrarrojo cercano (NIR) encuentran cada vez más hogares en los laboratorios de los fabricantes de compuestos más pequeños, así como en los procesadores y recicladores. Estos dispositivos se han vuelto más portátiles, rentables y fáciles de usar.

Eso dice John Bogart, director gerente de Kett US, Villa Park, California, que actualmente ofrece casi 200 instrumentos para el análisis de humedad y composición, incluidos dispositivos NIR. Con sus analizadores de humedad y / o composición NIR, la empresa se dirige a los mezcladores y recicladores, así como a los moldeadores, extrusoras de películas y láminas y termoformadoras.

Los analizadores de humedad NIR portátiles como el Kett KJT130 se venden por alrededor de $ 16,000.

Si bien las pruebas tradicionales son críticas para determinar las propiedades de los polímeros, desde el simple contenido de humedad hasta el análisis químico completo, requieren mucho tiempo y mano de obra, y tienen costos sustanciales para la compra y eliminación de consumibles como reactivos y productos químicos. Por lo general, requiere la preparación de la muestra y puede tomar de 5 a 15 minutos para las pruebas de humedad y de 24 a 48 horas para las pruebas químicas más complejas.

Pero Bogart dice que la espectroscopia NIR ahora puede proporcionar lecturas de calidad de laboratorio inmediatas y en tiempo real a través de un método de medición sin contacto que puede proporcionar humedad, análisis de composición e incluso lecturas de composición de espectro completo por una fracción del costo de los métodos convencionales. “El cambio de los métodos directos actuales al análisis NIR puede reducir los costos de las pruebas hasta en un 90% debido a la reducción drástica tanto del 'tiempo de trabajo' como de la eliminación de reactivos químicos, desechos de las pruebas y 'errores de personas' que crean la necesidad de repita las pruebas ".

Los ahorros de costos adicionales están relacionados con la optimización de la energía, la optimización del rendimiento y la reducción de los defectos de calidad, dice Bogart, quien dice que estos son generalmente muy sustanciales pero que son difíciles de predecir por adelantado. “Por ejemplo, si los costos de las personas son de $ 20 / hora (muy conservadores), los costos totales para 1 hora se presupuestan en alrededor de $ 28. Si decimos que se realizan una o dos "pruebas solo de humedad" por día, el costo es de $ 28 si presupuesta 30 minutos para cada prueba. La prueba NIR tarda 6 segundos o, si está en línea, es continua. Seis segundos frente a 3600 segundos es 0,16%, una reducción del 98,84%. El costo de una unidad de escritorio solo para humedad es de aproximadamente $ 12 por día hábil ".

Bogart sostiene que incluso con el costo de un nuevo instrumento, un cliente ahorra dinero cada día y el costo de las pruebas se reduce al menos en un 90%, dadas estimaciones muy conservadoras de pago por hora y número de pruebas utilizadas en su ejemplo. "Por eso, incluso las empresas 'pequeñas' deberían considerar la posibilidad de migrar a esta tecnología".

Él dice:“La medición NIR en tiempo real permite el monitoreo y la optimización continuos de los procesos de polímeros. Proporciona datos de garantía de calidad más oportunos que un equipo de personas de control de calidad que utiliza métodos de prueba tradicionales, y se puede inspeccionar el 100% del producto ". Las pruebas instantáneas permiten un control de calidad superior y un ajuste inmediato si un proceso comienza a desviarse del rango objetivo, afirma. Los resultados pueden mejorar la consistencia y el rendimiento de los lotes, al mismo tiempo que ayudan a eliminar las fallas de los lotes y reducen el desperdicio de material.

Cómo funciona

La espectroscopía NIR hace rebotar rayos de luz en un sólido, lodo o líquido y mide cuánta luz se absorbe en ciertas longitudes de onda, alrededor de 700 a 2500 nanómetros. Esto produce una "huella digital óptica" de la composición química de la muestra, y el dispositivo calcula las medidas deseadas después de haber sido calibrado inicialmente con un estándar de laboratorio o de producción.

El equipo puede ser de mano, de escritorio, en línea o en línea, y es lo suficientemente versátil para trabajar dentro de mezcladores, licuadoras, extrusoras o líneas de transferencia neumáticas y de vacío, así como aplicaciones de flujo de tubería cuando se utilizan accesorios de fibra óptica.

Bogart señala que no todos los procesadores necesitan los dispositivos de prueba NIR más sofisticados y costosos para cada aplicación. "No pague por un Lamborghini si necesita un Ford, o por un Ford si necesita un Lamborghini", aconseja. “Para muchas aplicaciones de polímeros, todo lo que se necesita es un medidor de humedad. Un analizador de composición es un paso adelante; y una máquina de espectro completo va más allá cuando se requieren pruebas aún más completas o especializadas ”.

Si bien los fabricantes de polímeros están más familiarizados con los métodos tradicionales, para quienes se preocupan no solo por la calidad sino también por la rentabilidad, la selección del enfoque NIR que funcione mejor para la aplicación puede tener un gran impacto en los resultados finales.

El dispositivo adecuado para el trabajo

Hay dos categorías generales de dispositivos NIR:basados ​​en filtros y de espectro completo. Los dispositivos basados ​​en filtros son particularmente adecuados para la mayoría de los tipos de procesamiento, según Bogart.

Los equipos basados ​​en filtros NIR bloquean la luz visible y permiten que solo ciertas longitudes de onda de luz IR ingresen al dispositivo. Bogart señala que los productos basados ​​en filtros, que incluyen medidores de humedad y analizadores de composición, son más simples que los dispositivos de espectro completo porque funcionan con un rango limitado de longitudes de onda. Sin embargo, los dispositivos tienen algunas ventajas.

“Los productos basados ​​en filtros son menos costosos, más fáciles de calibrar y mantener. Los dispositivos también son más robustos y, por lo general, más estables para que los utilicen los operadores. El inconveniente es que los instrumentos son más limitados en lo que pueden probar ”, dice Bogart.

Una prueba de pérdida por secado, que mide el cambio de peso total del material después del secado, es el método tradicional para medir la humedad. Sin embargo, estas pruebas gravimétricas normalmente requieren que se prepare una muestra y se lleve al laboratorio. La prueba tarda entre 15 minutos y varias horas en realizarse, lo cual es demasiado lento cuando se requieren mediciones más inmediatas. Además, requiere que la muestra sea alterada o destruida.

Los analizadores de humedad de escritorio como KB270F se venden en el rango de $ 10,000 a $ 12,000.

Como alternativa inmediata y en tiempo real, los medidores de humedad NIR son el tipo más simple y económico de dispositivos basados ​​en filtros. Son instantáneos, no destructivos e incluso pueden ser sin contacto. A menudo, los medidores de humedad NIR se utilizan para inspeccionar las materias primas entrantes. Sin embargo, los medidores se pueden usar en cualquier lugar del proceso de producción donde sea importante lograr un contenido de humedad específico. Estos dispositivos suelen utilizar solo un par de longitudes de onda para medir la humedad.

Bogart relata un ejemplo de un fabricante de polímeros que utiliza un medidor de humedad NIR para producir gránulos para una empresa de dispositivos médicos. El cliente crea productos que se insertan en el cuerpo. Para esta aplicación, el fabricante del polímero debe tener una humedad extremadamente baja en los gránulos antes de moldearlos por inyección. Si el nivel de humedad se eleva por encima de cierta cantidad, el proceso de moldeo no funciona bien, lo que aumenta el riesgo de falla de la pieza.

Bogart dice:“Los gránulos de polímero deben fabricarse con precisión y empaquetarse adecuadamente con muy poca humedad; y las muestras no se pueden destruir durante la verificación. Por lo tanto, el fabricante utiliza la medición de humedad NIR para garantizar de manera rentable que el 100% de los gránulos de polímero cumplan con los criterios requeridos de manera segura ”.

Los analizadores de humedad NIR se venden por $ 10,000 a $ 12,000 por una unidad de escritorio, $ 16,000 por unidades portátiles, $ 12,000 a $ 25,000 por unidades en línea que funcionarían bien sobre una cinta transportadora y alrededor de $ 25,000 por unidades en línea que se pueden usar dentro de una extrusora, mezcladora, licuadora , molinillo, transportador neumático / vacío o tolva. Por lo general, son fáciles de calibrar y es posible que solo necesiten dos muestras para obtener una lectura.

Los analizadores de composición NIR son un paso adelante en la capacidad de medición y, por lo general, pueden medir simultáneamente algunos componentes químicos diferentes en el polímero mientras están limitados a aproximadamente seis a siete longitudes de onda de luz IR. Además de la humedad, los dispositivos también pueden usarse para medir aceites o solventes residuales, que pueden causar problemas de contaminación si no se detectan y eliminan. Son una alternativa a los métodos tradicionales de análisis de humedad por pérdida de secado y de Karl Fischer, que requieren mucho tiempo y mano de obra; Extracción Soxhlet de residuos de aceite; y cromatografía de gases para extracciones con disolventes.

Los analizadores de composición como las unidades en línea Kett KJT270 se venden por entre $ 28,000 y $ 29,000.

Bogart apunta a otro uso común de tal dispositivo. “La industria a menudo usa plástico reciclado como materia prima, pero no siempre sabe de dónde proviene. Por lo tanto, los fabricantes pueden querer medir el aceite y el solvente totales además de la humedad, ya que cualquier contaminante residual puede interrumpir el proceso e incluso causar un mal funcionamiento de la planta ”, dice.

Un tercer uso estándar de este tipo de dispositivo es medir el espesor del recubrimiento o de la película. En muchos casos, es posible realizar mediciones de procesos en línea en tiempo real y de escritorio. Generalmente, el precio del analizador de composición NIR es sustancialmente más bajo que el de tecnologías alternativas.

Debido a que los polímeros se usan tan ampliamente en una variedad de industrias, Bogart señala que los analizadores de composición a menudo se usan no solo en materiales entrantes, sino también en materiales en proceso, productos finales e incluso en fallas y devoluciones de productos externos para ayudar a determinar la causa. del problema.

Debido a que los analizadores de composición NIR están diseñados para detectar humedad y residuos de aditivos, sus requisitos de costo y calibración son un poco más altos y más complejos que los de las unidades de solo humedad NIR. Sus precios comienzan alrededor de $ 18,000 para un sistema de escritorio hasta $ 28,000-29,000 para sistemas en línea o en línea. Dichos sistemas funcionan de manera similar, pero solo difieren en la ubicación en la que el cliente desea realizar la prueba. Estos pueden medir simultáneamente múltiples orgánicos como agua, aceite / grasa total, proteína, azúcar, fibra y solvente / alcohol.

Pruebas de espectro completo para análisis complejos

A diferencia de los dispositivos basados ​​en filtros, los dispositivos NIR de espectro completo pueden medir más de 500 longitudes de onda para determinar si determinadas sustancias o materiales cumplen una amplia gama de criterios.

Las unidades de análisis de composición en línea como la Kett BSR1700 se venden en el rango de $ 28,000 a $ 29,000 y funcionarían, por ejemplo, sobre una cinta transportadora.

Con las pruebas de espectro completo, se puede medir la mayor cantidad de factores específicos en tiempo real, una vez que el dispositivo está específicamente calibrado para su detección. Además de la humedad, por ejemplo, los fabricantes a menudo pueden medir la densidad del polímero, la viscosidad, el índice de fluidez (MFR) y la concentración de grupos funcionales.

Dichas pruebas se utilizan comúnmente durante la polimerización en emulsión, que se utilizan para producir látex y coloides de polímeros sintéticos para aplicaciones de pintura, revestimiento, caucho, aglutinante y adhesivo. Este método también es útil para llevar a cabo con éxito procesos de polimerización en suspensión, que a menudo se utilizan para producir perlas de polímero.

Estas unidades se venden en el rango de $ 40,000 a $ 60,000 y son más complejas de calibrar que los medidores de solo humedad y de filtro / composición. Estas unidades son una buena opción para aquellos que desean medir múltiples componentes orgánicos o un componente especial, como dos solventes. y un aditivo además de humedad.