Les tests NIR en temps réel peuvent réduire les coûts de CQ jusqu'à 90 %

Autrefois déployés principalement par les entreprises de résine et les grands compoundeurs, les appareils de mesure en temps réel dans le proche infrarouge (NIR) trouvent de plus en plus de place dans les laboratoires des petits compoundeurs, ainsi que dans les transformateurs et les recycleurs. Ces appareils sont devenus plus portables, plus économiques et plus faciles à utiliser.

C'est ce que déclare John Bogart, directeur général de Kett US, Villa Park, Californie, qui propose actuellement près de 200 instruments pour l'analyse de l'humidité et de la composition, y compris des dispositifs NIR. Avec ses analyseurs d'humidité et/ou de composition NIR, la société cible les compoundeurs et recycleurs ainsi que les mouleurs, les extrudeurs de films et de feuilles et les thermoformeurs.

Les analyseurs d'humidité portables NIR tels que le Kett KJT130 se vendent environ 16 000 $.

Alors que les tests traditionnels sont essentiels pour déterminer les propriétés des polymères, de la simple teneur en humidité à l'analyse chimique complète, ils prennent beaucoup de temps et de main-d'œuvre et entraînent des coûts substantiels pour l'achat et l'élimination des consommables tels que les réactifs et les produits chimiques. En règle générale, cela nécessite une préparation d'échantillon et peut prendre 5 à 15 minutes pour les tests d'humidité et 24 à 48 heures pour des tests chimiques plus complexes.

Mais Bogart affirme que la spectroscopie NIR peut désormais fournir des lectures de qualité de laboratoire immédiates et en temps réel via une méthode de mesure sans contact qui peut fournir des lectures d'humidité, de composition et même de composition à spectre complet pour une fraction du coût des méthodes conventionnelles. « Le passage des méthodes directes actuelles à l'analyse NIR peut réduire les coûts de test jusqu'à 90 % en raison de la réduction spectaculaire du « temps des personnes » et de l'élimination des réactifs chimiques, des rebuts des tests et des « erreurs humaines » qui créent le besoin de refaire les tests."

Les économies de coûts supplémentaires sont liées à l'optimisation de l'énergie, à l'optimisation du rendement et à la réduction des défauts de qualité, explique Bogart, qui affirme que celles-ci sont généralement très substantielles mais difficiles à prévoir à l'avance. « Par exemple, si les coûts des personnes sont de 20 $/h (très prudent), les coûts totaux pour les budgets d'une heure sont d'environ 28 $. Si nous disons qu'un ou deux « tests d'humidité uniquement » sont effectués par jour, le coût est de 28 $ si vous prévoyez 30 min pour chaque test. Le test NIR dure 6 secondes ou, s'il est en ligne, est continu. Six secondes contre 3600 secondes, c'est 0,16 %, soit une réduction de 98,84 %. Le coût d'une unité de bureau à humidité uniquement est d'environ 12 $ par jour ouvrable. »

Bogart soutient que même avec le coût d'un nouvel instrument, un client économise de l'argent chaque jour et le coût des tests est réduit d'au moins 90 %, compte tenu des estimations très prudentes du salaire horaire et du nombre de tests utilisés dans son exemple. « C'est pourquoi même les « petites » entreprises devraient envisager de migrer vers cette technologie. »

Il déclare :« La mesure NIR en temps réel permet une surveillance et une optimisation continues des processus polymères. Il fournit des données d'assurance qualité plus opportunes qu'une équipe de personnes chargées de l'assurance qualité utilisant des méthodes de test traditionnelles, et 100 % du produit peut être inspecté. Les tests instantanés permettent un contrôle de qualité supérieur et un ajustement immédiat si un processus commence à sortir de la plage cible, déclare-t-il. Les résultats peuvent améliorer la cohérence et le rendement des lots, tout en aidant à éliminer les défaillances des lots et à réduire les déchets de matériaux.

Comment ça marche

La spectroscopie NIR fait rebondir des faisceaux de lumière sur un solide, une suspension ou un liquide et mesure la quantité de lumière absorbée dans certaines longueurs d'onde - environ 700 à 2500 nanomètres. Cela produit une « empreinte optique » de la composition chimique de l'échantillon, l'appareil calculant les mesures souhaitées après avoir été initialement calibré par rapport à une norme de laboratoire ou de production.

L'équipement peut être portable, de bureau, en ligne ou en ligne, et est suffisamment polyvalent pour fonctionner à l'intérieur de mélangeurs, de mélangeurs, d'extrudeuses ou de lignes de transfert pneumatiques et sous vide, ainsi que dans les applications de flux de tuyauterie lors de l'utilisation d'accessoires à fibre optique.

Bogart note que tous les processeurs n'ont pas besoin des dispositifs de test NIR les plus sophistiqués et les plus coûteux pour chaque application. "Ne payez pas pour une Lamborghini si vous avez besoin d'une Ford, ou pour une Ford si vous avez besoin d'une Lamborghini", conseille-t-il. « Pour de nombreuses applications polymères, un humidimètre est tout ce qui est nécessaire. Un analyseur de composition est un pas en avant; et une machine à spectre complet va au-delà lorsque des tests encore plus complets ou spécialisés sont nécessaires. »

Alors que les fabricants de polymères sont plus familiers avec les méthodes traditionnelles, pour ceux qui sont concernés non seulement par la qualité mais aussi par la rentabilité, le choix de l'approche NIR qui fonctionne le mieux pour l'application peut avoir un impact majeur sur les résultats.

Le bon appareil pour le travail

Il existe deux catégories générales de dispositifs NIR :à base de filtre et à spectre complet. Les dispositifs basés sur des filtres sont particulièrement bien adaptés à la plupart des types de traitement, selon Bogart.

L'équipement basé sur un filtre NIR bloque la lumière visible et permet uniquement à certaines longueurs d'onde de la lumière IR d'entrer dans l'appareil. Bogart note que les produits à base de filtres, qui incluent les humidimètres et les analyseurs de composition, sont plus simples que les appareils à spectre complet car ils fonctionnent avec une gamme limitée de longueurs d'onde. Cependant, les appareils présentent certains avantages.

« Les produits à base de filtres sont moins chers, plus faciles à calibrer et à entretenir. Les appareils sont également plus robustes et généralement plus stables à utiliser pour les opérateurs. L'inconvénient est que les instruments sont plus limités dans ce qu'ils peuvent tester », explique Bogart.

Un test de perte au séchage, qui mesure le changement de poids total du matériau après séchage, est la méthode traditionnelle de mesure de l'humidité. Cependant, de tels tests gravimétriques nécessitent généralement qu'un échantillon soit préparé et ramené au laboratoire. Le test prend au moins 15 minutes à plusieurs heures, ce qui est trop lent lorsque des mesures plus immédiates sont requises. En outre, il nécessite que l'échantillon soit modifié ou détruit.

Les analyseurs d'humidité de bureau comme le KB270F se vendent entre 10 000 $ et 12 000 $.

En tant qu'alternative immédiate et en temps réel, les humidimètres NIR sont le type d'appareils à filtre le plus simple et le plus économique. Ils sont instantanés, non destructifs et peuvent même être sans contact. Souvent, les humidimètres NIR sont utilisés pour inspecter les matières premières entrantes. Cependant, les compteurs peuvent être utilisés n'importe où dans le processus de production où il est important d'atteindre une teneur en humidité spécifique. Ces appareils n'utilisent généralement que quelques longueurs d'onde pour la mesure de l'humidité.

Bogart rapporte l'exemple d'un fabricant de polymères qui utilise un humidimètre NIR pour produire des pastilles pour une entreprise de dispositifs médicaux. Le client crée des produits qui sont insérés dans le corps. Pour cette application, le fabricant de polymères doit avoir une humidité extrêmement faible dans les granulés avant qu'ils ne soient moulés par injection. Si le niveau d'humidité dépasse une certaine quantité, le processus de moulage ne fonctionne pas bien, ce qui augmente le risque de défaillance de la pièce.

Selon Bogart, « les granulés de polymère doivent être fabriqués avec précision et correctement emballés avec très peu d'humidité ; et les échantillons ne peuvent pas être détruits pendant la vérification. Ainsi, le fabricant utilise la mesure de l'humidité NIR pour garantir de manière rentable que 100 % des granulés de polymère répondent en toute sécurité aux critères requis. »

Les analyseurs d'humidité NIR se vendent de 10 000 $ à 12 000 $ pour une unité de bureau, 16 000 $ pour les unités portables, 12 000 $ à 25 000 $ pour les unités en ligne qui fonctionneraient bien sur une bande transporteuse et environ 25 000 $ pour les unités en ligne qui peuvent être utilisées dans une extrudeuse, un mélangeur, un mélangeur , broyeur, convoyeur pneumatique/à vide ou trémie. Ceux-ci sont généralement simples à calibrer et peuvent n'avoir besoin que de deux échantillons pour obtenir une lecture.

Les analyseurs de composition NIR représentent une avancée dans la capacité de mesure et peuvent généralement mesurer simultanément quelques composants chimiques différents dans le polymère tout en étant limités à environ six à sept longueurs d'onde de lumière IR. En plus de l'humidité, les appareils peuvent également être utilisés pour mesurer les huiles ou solvants résiduels, qui peuvent causer des problèmes de contamination s'ils ne sont pas détectés et éliminés. Ils constituent une alternative aux méthodes traditionnelles d'analyse de l'humidité par perte au séchage et Karl Fischer; Extraction Soxhlet pour les résidus pétroliers; et chromatographie en phase gazeuse pour les extractions par solvant.

Les analyseurs de composition tels que les unités en ligne Kett KJT270 se vendent entre 28 000 $ et 29 000 $.

Bogart souligne une autre utilisation courante d'un tel appareil. « L'industrie utilise souvent du plastique recyclé comme matière première, mais ne sait pas toujours d'où il vient. Ainsi, les fabricants peuvent vouloir mesurer l'huile totale et le solvant en plus de l'humidité, car tout contaminant résiduel peut perturber le processus et même provoquer un dysfonctionnement de l'usine », explique-t-il.

Une troisième utilisation standard de ce type d'appareil est de mesurer l'épaisseur du revêtement ou du film. Les mesures de processus en ligne et en temps réel sur ordinateur sont possibles dans de nombreux cas. En règle générale, le prix de l'analyseur de composition NIR est nettement inférieur à celui des technologies alternatives.

Parce que les polymères sont si largement utilisés dans une variété d'industries, Bogart note que les analyseurs de composition sont souvent utilisés non seulement sur les matériaux entrants, mais aussi sur les matériaux en cours de fabrication, les produits finaux et même sur les défaillances et les retours de produits externes pour aider à déterminer la cause. du problème.

Étant donné que les analyseurs de composition NIR sont conçus pour détecter l'humidité et les résidus d'additifs, leurs coûts et leurs exigences d'étalonnage sont un peu plus élevés et plus complexes que les unités NIR à humidité uniquement. Leurs prix commencent autour de 18 000 $ pour un système de bureau à 28 000 à 29 000 $ pour les systèmes en ligne ou en ligne. De tels systèmes fonctionnent de manière similaire mais ne diffèrent que par l'emplacement auquel le client souhaite effectuer le test. Ceux-ci peuvent mesurer simultanément plusieurs composés organiques tels que l'eau, l'huile/la graisse totale, les protéines, le sucre, les fibres et le solvant/l'alcool.

Tests à spectre complet pour les analyses complexes

Contrairement aux appareils à filtre, les appareils NIR à spectre complet peuvent mesurer plus de 500 longueurs d'onde pour déterminer si certaines substances ou certains matériaux répondent à un large éventail de critères.

Les unités d'analyse de composition en ligne telles que le Kett BSR1700 se vendent entre 28 000 $ et 29 000 $ et fonctionneraient, par exemple, sur une bande transporteuse.

Avec les tests à spectre complet, le plus grand nombre de facteurs ciblés peut être mesuré en temps réel, une fois que l'appareil est spécifiquement calibré pour leur détection. En plus de l'humidité, par exemple, les fabricants peuvent souvent mesurer la densité du polymère, la viscosité, l'indice de fluidité à chaud (MFR) et la concentration de groupes fonctionnels.

De tels tests sont couramment utilisés pendant la polymérisation en émulsion, qui sont utilisés pour produire des latex et des colloïdes polymères synthétiques pour des applications de peinture, de revêtement, de caoutchouc, de liant et d'adhésif. Cette méthode est également utile pour mener à bien les processus de polymérisation en suspension, qui sont souvent utilisés pour produire des billes de polymère.

Ces unités se vendent entre 40 000 $ et 60 000 $ et sont plus complexes à étalonner que les compteurs d'humidité uniquement et à filtre/composition. Ces unités sont une bonne option pour ceux qui souhaitent mesurer plusieurs composants organiques ou un composant spécial, comme deux solvants. et un additif ainsi que de l'humidité.