Blog

Рамановская спектроскопия: новый стандарт в композиционном анализе полимеров

Многие крупные химические предприятия имеют внутреннюю испытательную лабораторию для управления анализом полимеров для использования в самых разных материалах и продуктах. Если эта опция недоступна, операторы могут отправлять образцы во внешние сторонние лаборатории для анализа по запросу. Аналитические данные имеют решающее значение для принятия операторами обоснованных решений в отношении качества продукции, защиты инфраструктуры, соблюдения нормативных требований и других ключевых факторов, которые в конечном итоге влияют на прибыльность.

Chemours — химическая компания, производящая материалы, помогающие фирмам решать сложные проблемы, связанные с полимерами, пигментами и охлаждающими жидкостями. Компания постоянно разрабатывает новые полимерные материалы и новые области применения существующих материалов. Это требует измерения свойств материалов для обеспечения надлежащего функционирования.

“Следовательно, во время производства компания измеряет свой процесс, чтобы поддерживать жесткий контроль”, говорит Трой Франциско, менеджер по технологиям Chemours Discovery Hub и руководитель аналитической группы использования заемных средств и группы анализа процессов.

«Мы проводим измерения и анализ для исследований и разработок, чтобы оценить нашу обработку и убедиться, что мы бережно относимся к окружающей среде, и эффективное использование спектроскопии комбинационного рассеяния имеет важное значение в этих усилиях», — говорит Франциско.

Рамановская спектроскопия

Рамановская спектроскопия — это лазерный метод оптического анализа, используемый для измерения состава по колебательным свойствам молекул. Образцы собираются с помощью лазера возбуждения с длиной волны 785 нм и контактного зонда, создающего уникальный спектральный отпечаток, который идентифицирует химический состав и молекулярную структуру. Распределение спектральных пиков описывает состав молекулы, а интенсивность сигнала линейно коррелирует с концентрацией.

С момента своего открытия в 1920-х годах рамановская спектроскопия произвела революцию в технологическом анализе благодаря неразрушающему режиму работы и способности измерять состав проб. Однако более широкое распространение этого метода является результатом достижений в области стабильности и портативности твердотельных рамановских систем, а также технологических усовершенствований лазеров, оптики и детекторов, которые сделали этот метод более быстрым и доступным.

“Комбинационная спектроскопия — это хорошо зарекомендовавшая себя методика, дополняющая все остальное в испытательной лаборатории”, — говорит Франсиско. «Это жизненно важно для любого приложения, связанного с анализом состава полимеров, что важно для Chemours. Мы также считаем, что это полезно для анализа состава реагентов, вступающих в химическую реакцию».

«Эта технология также очень хорошо показывает нам, какие существуют различные формы или уровни чистоты в неорганических, твердых или минеральных материалах, и может помочь идентифицировать примеси в этих материалах», — добавляет он.

Однако в течение многих лет рамановское оборудование имело репутацию дорогого, громоздкого и сложного в использовании. В настоящее время достижения в области стабильности и портативности некоторых рамановских систем, а также технологические усовершенствования в лазерах, оптике и детекторах сделали этот метод более быстрым и доступным для встроенных измерений в реальном времени, а также для лабораторных испытаний.

По словам Франциско, у Chemours уже был опыт работы с двумя разными рамановскими системами. Он описывает один из них как «низкокачественную систему качественного типа», которая не обладала ни высокой стабильностью в отношении отклика или сигнала, ни большой стабильностью в отношении доступа к длине волны или ее регистрации.

«[Младшая система] была полезна для грубых измерений, но не была высокоточным научным инструментом», — говорит Франциско.

Другая система, которую использовала Chemours, представляла собой высококачественный прибор уровня НИОКР, но требовала значительного внимания и частой калибровки. Франсиско было трудно выполнять техническое обслуживание, необходимое для приложений Chemours.

Кроме того, система была довольно дорогостоящей, «поэтому нам приходилось не только работать больше, но и платить больше», — говорит Франсиско.

Со временем Франциско наблюдал за развитием рамановской спектроскопии и выбрал простую в использовании коммерческую технологию компании MarqMetrix из Сиэтла. Основанная в 2012 году учеными из Вашингтонского университета, компания специализируется на композиционном анализе с использованием рамановской спектроскопии и является пионером в области рамановского анализа для использования в анализе процессов.

«Когда нам недавно потребовалось обновить технологию нашего рамановского анализатора, я увидел, что оборудование MarqMetrix действительно соответствует нашим требованиям с точки зрения размера, стабильности, области применения и простоты использования», — говорит Франциско.

По словам Франсиско, рамановское оборудование обеспечивает необычное сочетание компактности и стабильности.

Например, компания MarqMetrix разработала прибор All-in-One для получения идентичных и воспроизводимых результатов от прибора к прибору, а его размер на 80 % меньше, чем у предыдущих рамановских приборов. Каждое устройство является почти точной копией, поэтому общие математические модели могут применяться в разных системах для получения согласованных результатов.

«Небольшой пакет прекрасно работает, а вычислительный интерфейс включает в себя все, что нам нужно», — говорит Франциско.

Система работает с широким набором контактных датчиков, подходящих для приложений анализа состава, которые можно заменить за считанные секунды без необходимости повторной калибровки. MarqMetrix производит широкий спектр стандартных и нестандартных датчиков для измерения соединений в любой форме, включая твердые вещества, жидкости, газы, суспензии, пасты и гели.

Традиционно рамановская спектроскопия требует от оператора точной и точной непрерывной фокусировки лазера на образец для воспроизводимого анализа, что может снизить производительность и привести к человеческим ошибкам. Чтобы упростить процесс и повысить надежность, датчики MarqMetrix избавляют оператора от необходимости фокусировать лазер. Это позволяет пользователю просто прикоснуться к образцу и каждый раз получать одно и то же воспроизводимое измерение с точностью +/- 0,1%.

«Зонды — это единственный компонент, который соприкасается с самим образцом или взаимодействует с ним, поэтому мы приобрели шаровидные, проксимальные и проточные зонды, чтобы убедиться, что у нас есть все варианты в нашем наборе инструментов», — говорит Франциско.

Новые рамановские системы спроектированы так, чтобы их можно было быстро и легко использовать прямо из коробки.

«Когда мы получили нашу систему [MarqMetrix], мы распаковали коробку и в течение 10–15 минут собирали данные рамановских измерений. Я никогда раньше не видел такого в рамановской системе. Уровень простоты и доступности неслыханный для такого типа оборудования», — говорит Франсиско.

Хотя рамановское оборудование MarqMetrix можно использовать для идентификации компонентов примерно через 15 минут после распаковки, для количественного определения концентрации каждого компонента сначала необходимо создать прогностическую модель. Для общего лабораторного использования MarqMetrix предлагает библиотеку предварительно разработанных моделей, которые охватывают наиболее распространенные приложения.

«В производственной среде [мы используем] модель, которая работает на постоянной основе и прогнозирует свойства, связанные с процессом, за которым мы следим», — объясняет Франциско. «Итак, если мы ищем состав полимера, модель может показать, как превратить спектр комбинационного рассеяния в массовый процент различных мономеров, входящих в состав полимера».

Выбор передовой технологии также привел к значительной экономии средств.

«По сравнению с более дорогой рамановской системой, которую мы использовали ранее, наш прибор MarqMetrix All-in-One стоит как минимум на 50 % меньше”, — говорит Франциско.

По словам Франсиско, универсальная рамановская технология дает Chemours возможность измерять и анализировать полимеры по мере необходимости.

«Мы обнаружили, что рамановский анализ также является очень хорошим самостоятельным методом, который дополняет все остальное в лаборатории. Это не только новая технология для устоявшихся приложений, но и гибкая технология, которая находит свою нишу в лаборатории», — заключает Франциско.

Точное измерение как никогда важно в полимерной промышленности. Понимание химического состава сырья и консистенции продуктов переработки является ключом к управлению процессами, снижению рисков и максимизации результатов.

Благодаря достижениям в применении систем рамановской спектроскопии для измерения проб лаборатории теперь имеют надежный и экономичный инструмент, который дает точные и быстрые результаты и дополняет существующие методологии тестирования.

Автор

Jeff Elliot (Джефф Эллиотт) — технический писатель из Торранса (Калифорния, США). В течение последних 15 лет, исследует и пишет о промышленных технологиях и проблемах.

Справка

MarqMetrix ^® признанный лидер композиционного анализа. Благодаря своей революционной технологии оптических измерений компания разрабатывает и создает долговечные и надежные инструменты, позволяющие анализировать и достигать точного уровня качества продукции с минимальным прерыванием бизнес-процесса.

Источник: www.newequipment.com