实时 NIR 测试可以将 QC 成本削减高达 90%

实时近红外 (NIR) 测量设备曾经主要由树脂公司和大型混炼商部署，越来越多地在小型混炼商以及加工商和回收商的实验室中找到家。这些设备变得更便携、更经济且更易于使用。

加利福尼亚州维拉帕克市 Kett US 的董事总经理 John Bogart 说，该公司目前提供近 200 种水分和成分分析仪器，包括 NIR 设备。凭借其 NIR 水分和/或成分分析仪，该公司的目标客户是复合商和回收商以及成型商、薄膜和片材挤出机以及热成型机。

便携式 NIR 水分分析仪，例如 Kett KJT130，售价约为 16,000 美元。

虽然传统测试对于确定从简单的水分含量到完整的化学分析的聚合物特性至关重要，但它既费时又费力，而且购买和处理试剂和化学品等耗材的成本很高。通常，它需要样品制备，水分测试可能需要 5 到 15 分钟，而更复杂的化学测试可能需要 24 到 48 小时。

但 Bogart 表示，NIR 光谱现在可以通过非接触式测量方法提供即时、实时的实验室质量读数，该方法可以提供水分、成分分析，甚至全光谱成分读数，而成本仅为传统方法的一小部分。 “从当前的直接方法转变为 NIR 分析可以将测试成本削减高达 90%，因为‘人事时间’的显着减少，并且消除了化学试剂、测试中的废料和‘人为错误’，从而产生了需要重复测试。”

Bogart 说，额外的成本节约与能源优化、产量优化和减少质量缺陷有关，他说这些通常非常可观，但很难预先预测。 “例如，如果人们的成本是 20 美元/小时（非常保守），那么 1 小时预算的总成本约为 28 美元。如果我们说每天进行一两次“仅水分测试”，如果您为每次测试预算 30 分钟，则成本为 28 美元。 NIR 测试需要 6 秒，或者，如果在线，则是连续的。 6 秒对比 3600 秒是 0.16%，减少了 98.84%。仅吸湿桌面设备的成本约为每个工作日 12 美元。”

Bogart 坚持认为，即使考虑到新仪器的成本，客户每天也能节省资金，并且测试成本至少降低 90%，考虑到他的示例中使用的小时工资和测试次数的非常保守的估计。 “这就是为什么即使是‘小’公司也应该考虑迁移到这项技术。”

他说：“实时 NIR 测量能够对聚合物工艺进行持续监测和优化。与使用传统测试方法的 QA 团队相比，它提供了更及时的质量保证数据，并且可以 100% 地检查产品。”他说，即时测试能够在过程开始偏离目标范围时实现卓越的质量控制和即时调整。结果可以提高批次一致性和产量，同时有助于消除批次故障并减少材料浪费。

工作原理

近红外光谱从固体、浆液或液体反射光束，并测量在某些波长（约 700 至 2500 纳米）中吸收了多少光。这会产生样品化学成分的“光学指纹”，在最初按照实验室或生产标准进行校准后，设备会计算所需的测量值。

该设备可以是手持式、台式机、在线式或内联式，并且用途广泛，可在混合器、搅拌机、挤出机或气动和真空传输线以及使用光纤附件时的管道流应用中工作。

Bogart 指出，并非所有处理器都需要为每种应用配备最复杂、最昂贵的 NIR 测试设备。 “如果你需要一辆福特，就不要买兰博基尼，如果你需要兰博基尼，就不要买福特，”他建议道。 “对于许多聚合物应用，只需要一台水分计即可。组合分析器是一个进步；当需要更全面或专业的测试时，全谱机器不仅限于此。”

虽然聚合物制造商更熟悉传统方法，但对于那些不仅关心质量而且关心盈利能力的人来说，选择最适合应用的 NIR 方法会对底线产生重大影响。

适合工作的设备

NIR 设备有两大类：基于滤波器的和全光谱的。 Bogart 表示，基于过滤器的设备特别适合大多数类型的处理。

基于 NIR 滤光片的设备可阻挡可见光并仅允许特定波长的 IR 光进入设备。 Bogart 指出，基于过滤器的产品，包括水分计和成分分析仪，比全光谱设备更简单，因为它们在有限的波长范围内工作。但是，这些设备有一些优势。

“基于过滤器的产品更便宜，更容易校准和维护。这些设备也更强大，通常更稳定，供操作员使用。缺点是仪器可以测试的内容更加有限，”Bogart 说。

干燥失重试验是测量干燥后总材料重量变化的方法，是测量水分的传统方法。然而，此类重量测试通常需要准备样品并将其带回实验室。执行该测试至少需要 15 分钟到几个小时，这在需要更即时的测量时太慢了。此外，它需要更改或销毁样本。

KB270F 等台式水分分析仪的售价在 10,000 美元到 12,000 美元之间。

作为一种即时、实时的替代方案，NIR 水分仪是最简单、最经济的基于过滤器的设备类型。它们是即时的、非破坏性的，甚至可能是非接触式的。通常，NIR 水分仪用于检查进料的原材料。但是，该仪表可用于生产过程中任何需要实现特定水分含量的地方。这些设备通常仅使用几个波长进行水分测量。

Bogart 举了一个聚合物制造商的例子，该制造商使用 NIR 湿度计为医疗设备公司生产颗粒。客户创建插入身体的产品。对于这种应用，聚合物制造商在注塑成型之前需要在颗粒中具有极低的水分。如果水分含量上升到一定程度以上，成型过程就不能很好地进行，从而增加零件故障风险。

Bogart 说：“聚合物颗粒必须精确制造并妥善包装，水分极少；并且在验证过程中不能破坏样品。因此，制造商使用 NIR 水分计量来经济高效地确保 100% 的聚合物颗粒安全地满足要求的标准。”

NIR 水分分析仪的台式机售价为 10,000 至 12,000 美元，便携式装置售价为 16,000 美元，可在传送带上正常工作的在线装置售价为 12,000 至 25,000 美元，可在挤出机、混合器、搅拌机中使用的在线装置售价约为 25,000 美元、研磨机、气动/真空输送机或料斗。这些通常易于校准，可能只需要两个样本即可获得读数。

NIR 成分分析仪是测量能力的一个进步，通常可以同时测量聚合物中的几种不同化学成分，同时仅限于大约 6 到 7 个波长的红外光。除了水分外，这些设备还可用于测量残留油或溶剂，如果不检测和去除这些残留油或溶剂，可能会导致污染问题。它们是传统的、耗时且劳动密集的干燥失重法和卡尔费休水分分析方法的替代品；油渣的索氏提取；和气相色谱法用于溶剂萃取。

Kett KJT270 内联装置等成分分析仪售价在 28,000 美元至 29,000 美元之间。

Bogart 指出了这种设备的另一个常见用途。 “该行业经常使用再生塑料作为原材料，但并不总是知道它的来源。因此，制造商可能希望测量除水分之外的总油和溶剂，因为任何残留的污染物都会破坏过程，甚至导致工厂故障，”他说。

此类设备的第三种标准用途是测量涂层或薄膜厚度。在许多情况下，桌面和实时在线过程测量都是可能的。一般来说，近红外成分分析仪的价格远低于替代技术。

由于聚合物在各个行业中的应用如此广泛，Bogart 指出，成分分析仪通常不仅用于进料，还用于加工中的材料、最终产品，甚至外部产品故障和退货，以帮助确定原因问题。

由于 NIR 成分分析仪旨在检测水分和添加剂残留物，因此它们的成本和校准要求比 NIR 仅水分装置要高一些，也更复杂。他们的价格从桌面系统的 18,000 美元到内联或在线系统的 28,000-29,000 美元。此类系统的操作类似，但不同之处仅在于客户希望测试的位置。它们可以同时测量多种有机物，例如水、总油/脂肪、蛋白质、糖、纤维和溶剂/酒精。

用于复杂分析的全谱测试

与基于滤光片的设备相比，近红外全光谱设备可以测量 500 多个波长，以确定某些物质或材料是否满足广泛的标准。

Kett BSR1700 等在线成分分析装置的售价在 28,000 美元到 29,000 美元之间，并且可以在例如传送带上工作。

通过全谱测试，一旦设备经过专门校准以进行检测，就可以实时测量最广泛的目标因素。例如，除了水分之外，制造商可能经常测量聚合物密度、粘度、熔体流动速率 (MFR) 和官能团浓度。

这种测试通常在乳液聚合过程中使用，用于生产用于油漆、涂料、橡胶、粘合剂和粘合剂应用的乳胶和合成聚合物胶体。这种方法也有助于成功进行悬浮聚合工艺，悬浮聚合工艺通常用于生产聚合物珠粒。

这些装置的售价在 40,000 美元到 60,000 美元之间，并且比纯水分计和过滤器/成分计的校准更复杂。对于那些想要测量多种有机成分或特殊成分（例如两种溶剂）的人来说，这些装置是一个不错的选择和一种添加剂以及水分。