Pengujian NIR Waktu Nyata Dapat Memotong Biaya QC Hingga 90%

Setelah digunakan terutama oleh perusahaan resin dan compounder besar, perangkat pengukuran real-time, near-infrared (NIR) semakin banyak ditemukan di laboratorium compounder yang lebih kecil, serta prosesor dan pendaur ulang. Perangkat ini menjadi lebih portabel, hemat biaya, dan lebih mudah digunakan.

Demikian kata John Bogart, direktur pelaksana Kett US, Villa Park, California, yang saat ini menawarkan hampir 200 instrumen untuk analisis kelembapan dan komposisi, termasuk perangkat NIR. Dengan penganalisis kelembaban dan/atau komposisi NIR, perusahaan menargetkan peracikan dan pendaur ulang serta pembentuk, ekstruder film dan lembaran, dan thermoformer.

Analisis kelembaban NIR portabel seperti Kett KJT130 dijual seharga sekitar $16.000.

Sementara pengujian tradisional sangat penting dalam menentukan sifat polimer dari kadar air sederhana hingga analisis kimia lengkap, itu memakan waktu dan tenaga dan memiliki biaya besar untuk pembelian dan pembuangan bahan habis pakai seperti reagen dan bahan kimia. Biasanya, ini memerlukan persiapan sampel, dan dapat memakan waktu 5 hingga 15 menit untuk pengujian kelembaban dan 24 hingga 48 jam untuk pengujian kimia yang lebih kompleks.

Tapi Bogart mengatakan spektroskopi NIR sekarang dapat memberikan pembacaan kualitas laboratorium langsung dan real-time melalui metode pengukuran non-kontak yang dapat memberikan kelembaban, analisis komposisi, dan bahkan pembacaan komposisi spektrum penuh dengan biaya yang lebih murah dari metode konvensional. “Mengubah dari metode langsung saat ini ke analisis NIR dapat memangkas biaya pengujian hingga 90% karena pengurangan dramatis dalam 'waktu orang' dan penghapusan reagen kimia, sisa dari pengujian, dan 'kesalahan orang' yang menciptakan kebutuhan untuk ulangi tesnya.”

Penghematan biaya tambahan terkait dengan optimasi energi, optimasi hasil dan pengurangan cacat kualitas, kata Bogart, yang mengatakan ini umumnya sangat substansial tetapi sulit diprediksi sebelumnya. “Sebagai contoh, jika biaya orang adalah $20/jam (sangat konservatif), total biaya untuk anggaran 1 jam sekitar $28. Jika kami mengatakan bahwa satu atau dua 'tes kelembaban saja' dilakukan per hari, biayanya adalah $28 jika Anda menganggarkan 30 menit untuk setiap tes. Tes NIR membutuhkan waktu 6 detik atau, jika online, terus menerus. Enam detik vs. 3600 detik adalah 0,16%, pengurangan 98,84%. Biaya unit desktop khusus kelembapan adalah sekitar $12 per hari kerja.”

Bogart menyatakan bahwa bahkan dengan biaya instrumen baru, pelanggan menghemat uang setiap hari dan biaya pengujian berkurang setidaknya 90%, mengingat perkiraan yang sangat konservatif untuk pembayaran per jam dan jumlah pengujian yang digunakan dalam contohnya. "Inilah mengapa bahkan perusahaan 'kecil' harus mempertimbangkan untuk bermigrasi ke teknologi ini."

Dia mengatakan, “Pengukuran NIR waktu nyata memungkinkan pemantauan dan optimalisasi proses polimer secara berkelanjutan. Ini memberikan data jaminan kualitas yang lebih tepat waktu daripada tim QA yang menggunakan metode pengujian tradisional, dan 100% produk dapat diperiksa.” Pengujian instan memungkinkan kontrol kualitas yang unggul dan penyesuaian segera jika suatu proses mulai menyimpang dari kisaran target, katanya. Hasilnya dapat meningkatkan konsistensi dan hasil batch, sekaligus membantu menghilangkan kegagalan batch dan mengurangi pemborosan material.

Cara Kerjanya

Spektroskopi NIR memantulkan berkas cahaya dari padatan, bubur atau cairan dan mengukur seberapa banyak cahaya yang diserap dalam panjang gelombang tertentu—sekitar 700 hingga 2500 nanometer. Ini menghasilkan "sidik jari optik" dari komposisi kimia sampel, dengan perangkat menghitung pengukuran yang diinginkan setelah awalnya dikalibrasi ke laboratorium atau standar produksi.

Peralatan dapat digenggam, desktop, online atau inline, dan cukup fleksibel untuk bekerja di dalam mixer, blender, ekstruder, atau jalur transfer pneumatik dan vakum, serta aplikasi aliran pipa saat menggunakan aksesori serat optik.

Bogart mencatat bahwa tidak semua prosesor membutuhkan perangkat pengujian NIR yang paling canggih dan mahal untuk setiap aplikasi. “Jangan membayar untuk Lamborghini jika Anda membutuhkan Ford, atau untuk Ford jika Anda membutuhkan Lamborghini,” sarannya. “Untuk banyak aplikasi polimer, yang dibutuhkan hanyalah pengukur kelembapan. Penganalisis komposisi adalah langkah maju; dan mesin spektrum penuh lebih dari itu ketika pengujian yang lebih komprehensif atau khusus diperlukan.”

Sementara produsen polimer lebih akrab dengan metode tradisional, bagi mereka yang peduli tidak hanya dengan kualitas tetapi juga profitabilitas, memilih pendekatan NIR yang paling sesuai untuk aplikasi dapat berdampak besar pada keuntungan.

Perangkat yang Tepat untuk Pekerjaan

Ada dua kategori umum perangkat NIR:berbasis filter dan spektrum penuh. Perangkat berbasis filter sangat cocok untuk sebagian besar jenis pemrosesan, menurut Bogart.

Peralatan berbasis filter NIR memblokir cahaya tampak dan hanya mengizinkan panjang gelombang cahaya IR tertentu yang masuk ke perangkat. Bogart mencatat bahwa produk berbasis filter, yang mencakup pengukur kelembaban dan penganalisis komposisi, lebih sederhana daripada perangkat spektrum penuh karena mereka bekerja dengan rentang panjang gelombang yang terbatas. Namun, perangkat ini memiliki beberapa keunggulan.

“Produk berbasis filter lebih murah, lebih mudah dikalibrasi dan dirawat. Perangkat juga lebih kuat dan biasanya lebih stabil untuk digunakan oleh operator. Kekurangannya adalah instrumen lebih terbatas pada apa yang dapat mereka uji,” kata Bogart.

Uji kehilangan-ke-pengeringan, yang mengukur perubahan berat total bahan setelah pengeringan, adalah metode tradisional untuk mengukur kelembapan. Namun, tes gravimetri semacam itu biasanya memerlukan sampel untuk disiapkan dan dibawa kembali ke laboratorium. Pengujian membutuhkan waktu setidaknya 15 menit hingga beberapa jam untuk dilakukan, yang terlalu lambat jika diperlukan pengukuran yang lebih cepat. Juga, itu membutuhkan sampel untuk diubah atau dihancurkan.

Penganalisis kelembapan desktop seperti KB270F dijual dalam kisaran $10.000 hingga $12.000.

Sebagai alternatif langsung dan waktu nyata, pengukur kelembaban NIR adalah jenis perangkat berbasis filter yang paling sederhana dan paling ekonomis. Mereka instan, tidak merusak dan bahkan mungkin non-kontak. Seringkali, pengukur kelembaban NIR digunakan untuk memeriksa bahan baku yang masuk. Namun, meter dapat digunakan di mana saja dalam proses produksi di mana mencapai kadar air tertentu adalah penting. Perangkat ini biasanya hanya menggunakan beberapa panjang gelombang untuk pengukuran kelembapan.

Bogart menceritakan contoh produsen polimer yang menggunakan pengukur kelembaban NIR untuk memproduksi pelet untuk perusahaan perangkat medis. Pelanggan menciptakan produk yang dimasukkan ke dalam tubuh. Untuk aplikasi ini, produsen polimer harus memiliki kelembapan yang sangat rendah dalam pelet sebelum dicetak secara injeksi. Jika tingkat kelembaban naik di atas jumlah tertentu, proses pencetakan tidak bekerja dengan baik, yang meningkatkan risiko kegagalan bagian.

Bogart berkata, “Pelet polimer harus dibuat dengan tepat dan dikemas dengan benar dengan sedikit kelembapan; dan sampel tidak dapat dimusnahkan selama verifikasi. Jadi, pabrikan menggunakan pengukuran kelembapan NIR untuk memastikan secara hemat bahwa 100% pelet polimer memenuhi kriteria yang diperlukan dengan aman.”

Alat analisis kelembaban NIR dijual seharga $10.000 hingga $12.000 untuk unit desktop, $16.000 untuk unit portabel, $12.000 hingga $25.000 untuk unit online yang akan bekerja dengan baik melalui ban berjalan, dan sekitar $25.000 untuk unit inline yang dapat digunakan dalam ekstruder, mixer, blender , penggiling, konveyor pneumatik/vakum atau hopper. Ini biasanya mudah untuk dikalibrasi dan mungkin hanya memerlukan dua sampel untuk mendapatkan pembacaan.

Penganalisis komposisi NIR adalah langkah maju dalam kemampuan pengukuran dan biasanya dapat secara bersamaan mengukur beberapa komponen kimia yang berbeda dalam polimer sementara dibatasi sekitar enam sampai tujuh panjang gelombang cahaya IR. Selain kelembaban, perangkat juga dapat digunakan untuk mengukur sisa minyak atau pelarut, yang dapat menyebabkan masalah kontaminasi jika tidak terdeteksi dan dihilangkan. Mereka adalah alternatif dari metode tradisional, memakan waktu dan tenaga-pada-pengeringan dan Karl Fischer metode analisis kelembaban; Ekstraksi soxhlet untuk residu minyak; dan kromatografi gas untuk ekstraksi pelarut.

Penganalisis komposisi seperti unit inline Kett KJT270 dijual dengan harga antara $28.000 dan $29.000.

Bogart menunjukkan penggunaan umum lain dari perangkat semacam itu. “Industri sering menggunakan plastik daur ulang sebagai bahan baku, tetapi tidak selalu tahu dari mana asalnya. Jadi, produsen mungkin ingin mengukur total minyak dan pelarut selain kelembapan, karena kontaminan sisa apa pun dapat mengganggu proses dan bahkan menyebabkan kegagalan fungsi pabrik,” katanya.

Penggunaan standar ketiga dari jenis perangkat ini adalah untuk mengukur ketebalan lapisan atau film. Pengukuran proses online desktop dan real-time dimungkinkan dalam banyak kasus. Umumnya, titik harga penganalisis komposisi NIR jauh lebih rendah daripada teknologi alternatif.

Karena polimer sangat banyak digunakan di berbagai industri, Bogart mencatat bahwa penganalisis komposisi sering digunakan tidak hanya pada bahan yang masuk, tetapi juga pada bahan dalam proses, produk akhir, dan bahkan pada kegagalan dan pengembalian produk eksternal untuk membantu menentukan penyebabnya. masalah.

Karena penganalisis komposisi NIR dirancang untuk mendeteksi kelembapan dan residu aditif, biaya dan persyaratan kalibrasinya sedikit lebih tinggi dan lebih kompleks daripada unit NIR yang hanya mengandung kelembapan . Harga mereka mulai sekitar $ 18.000 untuk sistem desktop hingga $ 28.000-29.000 untuk sistem inline atau online. Sistem tersebut beroperasi dengan cara yang sama tetapi hanya berbeda di lokasi di mana pelanggan ingin menguji. Ini secara bersamaan dapat mengukur beberapa organik seperti air, total minyak/lemak, protein, gula, serat, dan pelarut/alkohol.

Pengujian Spektrum Penuh untuk Analisis Kompleks

Berbeda dengan perangkat berbasis filter, perangkat spektrum penuh NIR dapat mengukur lebih dari 500 panjang gelombang untuk menentukan apakah zat atau bahan tertentu memenuhi berbagai kriteria.

Unit analisis komposisi online seperti Kett BSR1700 dijual dalam kisaran $28.000 hingga $29.000 dan akan berfungsi, misalnya, melalui ban berjalan.

Dengan pengujian spektrum penuh, jumlah terluas dari faktor yang ditargetkan dapat diukur secara real-time, setelah perangkat dikalibrasi secara khusus untuk pendeteksiannya. Selain kelembaban, misalnya, produsen mungkin sering mengukur kerapatan polimer, viskositas, laju aliran lelehan (MFR), dan konsentrasi gugus fungsi.

Pengujian tersebut biasanya digunakan selama polimerisasi emulsi, yang digunakan untuk memproduksi lateks dan koloid polimer sintetik untuk aplikasi cat, pelapis, karet, pengikat, dan perekat. Metode ini juga membantu untuk berhasil melakukan proses polimerisasi suspensi, yang sering digunakan untuk menghasilkan manik-manik polimer.

Unit ini dijual dalam kisaran $40.000 hingga $60.000 dan lebih rumit untuk dikalibrasi daripada pengukur kelembaban saja dan filter/komposisi. Unit ini adalah pilihan yang baik bagi mereka yang ingin mengukur beberapa komponen organik atau komponen khusus—seperti dua pelarut dan satu aditif serta kelembapan.