Giriş
Plastikler, günümüz modern yaşam tarzının ayrılmaz birer parçası haline gelmişlerdir. Temelde sentetik organik polimer yapısına sahip bu maddeler, gıda paketlemeden küçük ev aletlerine, araç parçalarından süs eşyaları ve tekstile (ve hatta hayatımızı sürdürebilmemiz için daha hayati birçok diğer bileşene) uzanan geniş bir yelpazede birçok ürün içeriğinde bulunabilmektedir. Plastik maddelerin özellikleri hedeflenen kullanım amacına göre kolayca uyarlanabilmekte ve -birçok doğal maddenin aksine- oldukça ucuz maliyetler ile üretilebilmektedir.
Sentetik polimelerin giderek artan bir şekilde günlük hayatta kullanım bulması, bir yandan birçok yeni uygulama alanının ortaya çıkmasına katkıda bulunurken (Örn. iletken polimerler), diğer yandan insan sağlığı üzerindeki etkileri, atık yönetimi, çevre kirliliği gibi hayati konularda artan bir bilinçlenmeyi ve bu çerçevede önemli bazı Ar-Ge çalışmalarını da (Örn. biyoplastikler) gündeme taşımaktadır.
Plastik üretiminde etkin kalite kontrol, hammadde girişinden reaksiyon yönetimine, ara ürün optimizasyonundan, final ürün kalitesi ve hatta enerji tüketimi, geri dönüşüm ve sürdürülebilirlik gibi birçok noktaya uzanabilen önemli bir süreçtir. Tüketim hızı ve ürün kalitesinin önemi göz önünde bulundurulduğunda, kalite kontrol analizlerinin titizlikle, doğru, hızlı ve düşük maliyetli bir biçimde gerçekleştirilebilmesi üretici açısından yüksek önem arz etmektedir.
Polimer kalite kontrol süreçlerinde izlenen parametreler için çeşitli standart analitik teknik ve metodolojiler kullanılmaktadır; nem içeriği ölçümleri için volumetrik veyakulometrik Karl Fischer (KF) titrasyonları, fonksiyonel grup tayinleri için potansiyometrik titrasyon ve/veya FTIR, bağıl viskozite için viskozimetrik ölçümler ve renk tayinleri için UV-VIS tespitleri bunların önde gelenleri olarak göze çarpmaktadır. Bu tekniklerin bazılarının uzun ve zorlu numune hazırlık aşamaları gerektirmelerinin yanı sıra, söz konusu süreçlerde yaşanabilecek potansiyel hatalar gerek üretim aşamalarında önemli gecikmelere ve gerekse hatalı üretime bağlı olarak toplam ciro bazında %30’lara kadar uzanabilen finansal kayıplara neden olabilmektedir.
Bu inceleme yazımız dahilinde Poliamid üretimi kalite kontrolünde gerçekleştirilen analizleri incelemeyi ve özellikle de Yakın-kızılötesi Spektroskopisi (NIRS) tekniklerinin söz konusu süreçlere sağlayabildiği avantajlar hakkında ayrıntılı bilgiler sunmayı amaçlıyoruz.
Yakın-Kızılötesi Spektroskopisi (NIRS)
Yakın-kızılötesi spektroskopisi (NIRS), molekül ve ışık etkileşimini temel alan bir sistem altyapısı üzerine kurulu bir metodoloji olup; kalite kontrol analizlerinde ölçüm parametrelerinin pratik, hızlı ve hassas bir şekilde takip edilebilmesine yönelik önemli katkılar sağlamaktadır. NIRS tekniği, tahribatsız bir yöntem olmanın yanı sıra herhangi bir numune ön hazırlığı gerektirmemesi sayesinde ıslak kimya metotlarına göre daha hızlı, daha çevre dostu ve daha ucuz analizler gerçekleştirebilmenize olanak tanımaktadır.
Polimamidlerin kalite kontrol süreçlerinde özellikle başta ASTM D789 çerçevesinde belirlenmiş olan parametreler (bağıl viskozite ve fonksiyonel gruplar) ve nem miktarı analizlerinin öne çıkmakta olduğunu görmekteyiz.
Metrohm’un görünür (Vis) ve yakın-kızılötesi bölgelerini (NIR) bir araya getiren yeni Polymer Analyzer sistemi ile herhangi bir numune hazırlığı olmadan, tahribatsız, kimyasalsız ve sarf maddeye ihtiyaç duymaksızın bir dakikanın altında bir sürede hem kimyasal hem de fiziksel çeşitli kalite kontrol parametrelerinin ölçülebilmesi mümkündür.
Deneysel İçerik ve İş Akışı İncelememiz dahilinde, bir Metrohm Polymer Analyzer kullanılarak poliamid peletleri üzerinde yansıma modunda tüm Vis-NIR dalgaboyu aralığında (400-2500 nm) tekrarlı ölçümler gerçekleştirilmiştir.
Poliamid peletler DS2500 Large Sample Cup döndürülebilir numune kabına yerleştirilmiş ve böylece parçacık boyutu veya kimyasal bileşen düzensizliğine bağlı potansiyel faktörler elimine edilerek farklı noktalardan tam otomatik ölçümler alınması yolu ile tekrarlanabilir spektrum tarama güvence altına alınmıştır. Şekil 2’de de görülebileceği üzere tüm ölçümler herhangi bir ön numune hazırlığı olmaksızın gerçekleştirilmiştir.
Metot Geliştirme
Veri toplama, model oluşturma ve kantifikasyon metodu geliştirme süreçleri için Vision Air Complete yazılım paketi kullanılmıştır. Kullanıcı ara yüzü deneyimini yepyeni bir seviyeye taşıyan bu üçlü paket yazılım sayesinde operasyon prosedürlerinin atanması da dahil tüm enstrüman yönetimi Vision Air Manager Network yardımı ile ofis içinden uygulanırken, tüm gerçek ölçümler kalite kontrol laboratuvarında Vision Air Routine ara yüzü ile gerçekleştirilmiştir. Elde edilen spektralar otomatik olarak veri tabanına yüklenmiş ve metot geliştirme için direkt olarak erişime sunulmuştur. Kantitatif metot geliştirme ise Vision Kemometri Yazılımı üzerinde yapılmıştır.
Analiz Sonuçları
Elde edilen Vis-NIR spektraları (bakınız Şekil 3), poliamidlerde bağıl viskozite, amin uç grupları, karboksil uç grupları ve nem içeriği parametrelerinin kantitatif tespitlerinde kullanılacak tahmin modellerinin oluşturulması için kullanılmıştır.
Tahmin modellerinin kalitesi, titrasyon, viskozimetre ve KF titrasyonu primer metotlarından alınmış değerler ile VisNIR verileri arasındaki ilişkiyi ortaya koyan korelasyon grafikleri dahilinde değerlendirilmiştir (Bakınız Şekil 4, Şekil 5, Şekil 6 ve Şekil 7). Rutin analiz esnasında beklenen veri doğruluğu ile ilgili güvenilirlik verileri (FOM) de yine bu şekillerde gösterilmektedir.
[caption id="attachment_103448" align="aligncenter" width="701"]
Şekil 4: Poliamidlerde bağıl viskozite için Vis-NIR korelasyon grafiği ve güvenilirlik değerleri (bağıl viskozite laboratuvar değerleri viskozimetre yardımıyla değerlendirilmiştir).[/caption]
Sonuç
Bu inceleme, poliamidlerde tipik anahtar kalite kontrol parametre analizlerinin Yakın-kızılötesi Spektroskopisi (NIRS) tekniği ile gerçekleştirilebilmelerinin mümkün olduğunu göstermektedir.
Islak kimya metotlarına kıyasla, analiz sonuçlarına hızlı ulaşım, NIRS tekniğinin en çarpıcı avantajını ortaya koymaktadır. Tüm parametrelerin (hem fiziksel hem de kimyasal) tek bir ölçüm dahilinde bir dakikanın altında tespit edilebilmesi özellikle polimer sektöründe üstün zaman ve maliyet tasarrufu elde edilebilmesini mümkün kılmaktadır.
Metrohm olarak bizler, polimer sektöründe NIRS analiz tekniklerine temel teşkil eden birincil metodolojilerde (potansiyometrik titrasyon&Karl Fischer titrasyonu) global sektör lideri olmamızın yanı sıra, aynı çatı altında uluslararası standartlar ile uyumlu Vis-NIRS sistem çözümlerimiz ve yazımlarımız ile de tam entegre, hızlı, hassas ve güvenilir çözümleri doğrudan beğeninize sunmaktayız.
Kaynaklar
1. Metrohm Uygulama Notu AN-NIR-060 Quality Control of Polyamides
2. Metrohm Uygulaması MI-2019-1-AP-2 It’s all made of plastic! Analysis in the polymer industry
Pelin Kömürcü
Spektroskopi
Uygulama Kimyageri
Metrohm Turkey
