Sampling Considerations for the Measurement of a UV Stabilizer in Polymer Pellets Using FT-NIR Spectroscopy

Význam tématu

Pro heterogenní materiály, jako jsou polymerní pelety, je klíčové získat analytické měření, které reprezentuje celkové množství materiálu, nikoli jen malou část vzorku. V průmyslové výrobě plastů je vyžadována rychlá a spolehlivá kontrola kvality na místě (at-line), aby se minimalizovaly výpadky výroby, tvorba odpadu a nutnost přepracování. FT‑NIR spektroskopie v reflektanci nabízí bezpřípravnou, rychlou a neinvazivní metodu vhodnou pro stanovení přídavných látek (např. UV stabilizátorů) v peletech; klíčovým faktorem však zůstává reprezentativní odběr signálu z heterogenního vzorku.

Cíle a přehled studie / článku

Cílem studie bylo porovnat dvě diffuse‑reflectance techniky odběru signálu u polystyrenových pelet s obsahem UV stabilizátoru: (i) automatizované otáčení pomocí příslušenství Sample Cup Spinner a (ii) manuální opakované jednopoložkové měření na různých místech vzorku. Studie vytvářela jediný kvantitativní kalibrační model pro určení obsahu UV stabilizátoru a porovnávala přesnost, reprodukovatelnost a dobu analýzy obou přístupů. Bylo použito celkem 17 vzorků (13 pro kalibraci, 4 pro validaci); obsah přídavku v kalibrační sadě se pohyboval mezi 42 a 58 hmotnostními %.

Použitá metodika a instrumentace

• Instrumentace: Thermo Scientific Antaris FT‑NIR analyzér se sférickým integrovaným reflektančním modulem (Integrating Sphere Module). Uvádí se také modernizovaná řada Antaris II jako nástupce s lepšími parametry.
• Příslušenství: Sample Cup se 47,8 mm křemenným okénkem využitým v kombinaci s Sample Cup Spinner pro kontinuální otáčení vzorku skrz NIR paprsek.
• Referenční postup: vnitřní zlatý referenční standard integrované sféry umožňoval snímání pozadí i při umístěném kelímku.
• Podmínky sběru dat: spektra získána při rozlišení 8 cm⁻¹, 16 skenů; doba sběru spektra byla krátká (kolektivně ~10 s pro akvizici, celkové zpracování pro vzorek přibližně 15 s).
• Software: TQ Analyst pro kvantitativní modelování a Thermo Scientific RESULT pro sběr dat.
• Předzpracování a model: aplikován Norrisův druhý derivát (5 segmentů, 0 gap). Pro kvantifikaci byl použit dvoučlenný Stepwise Multiple Linear Regression (SMLR) model využívající dva vlnové body 7332 cm⁻¹ (první overtone) a 5091 cm⁻¹ (kombinační pásmo).
• Kalibrace/validace: 13 vzorků v kalibraci, křížová validace leave‑one‑out, 4 nezávislé vzorky validovány měřením každého 30× pro oba způsoby odběru.

Hlavní výsledky a diskuse

• Kalibrační výkonnost (Sample Cup Spinner): korelační koeficient R = 0,9995, RMSEC = 0,147 hmot.%; RMSECV (leave‑one‑out) = 0,179 hmot.%.
• Predikční výkon na validačních vzorcích: RMSEP pro měření provedená pomocí Sample Cup Spinner byl 0,302 hmot.%.
• Reprodukovatelnost: měření 4 validačních vzorků provedena 30×; standardní odchylky predikovaných hodnot získané manuálním jednopozicovým měřením byly přibližně dvojnásobné oproti Sample Cup Spinner (např. u jednoho validačního vzorku: SD = 0,29 hmot.% pro Spinner vs 0,62 hmot.% pro manuální měření).
• Spektrální charakteristiky: sekundární derivátové spektra kalibrační sady ukázala vhodné a odlišitelné rysy v oblastech použitých vlnových čísel; integrace více oblastí vzorku pomocí rotace zajišťuje, že získané spektrum lépe reprezentuje celkový objem materiálu oproti jednopoložkovému vzorku, který zachycuje pouze malou část heterogenního vzorku.
• Čas analýzy: použití Sample Cup Spinner snížilo čas nutný k získání reprezentativního výsledku, protože eliminovalo nutnost více manuálních opakování; typický celkový čas analýzy < 15 s na vzorek (akvizice spektra ~10 s).

Přínosy a praktické využití metody

• Rychlá a neinvazivní kvantifikace přísad (UV stabilizátor) v peletách přímo u linky výroby (at‑line), čímž se zkracuje doba mezi odběrem vzorku a rozhodnutím o zásahu do procesu.
• Minimalizace přípravy vzorku a elimina­ce použití chemických činidel, což snižuje náklady a riziko operátorských chyb.
• Vyšší reprodukovatelnost výsledků a lepší reprezentativnost měření u heterogenních vzorků díky kontinuálnímu otáčení vzorku ve vzorkovací misce.
• Snížení potřeby odběru a analýzy více jednotlivých vzorků z jedné šarže, snížení prostojů, odpadu a přepracování.

Budoucí trendy a možnosti využití

• Přechod na modernější přístrojové platformy (např. Antaris II) přinese vyšší rychlost, citlivost a robustnost, což umožní ještě kratší doby měření a lepší integraci do výrobních linek.
• Rozvoj pokročilých chemometrických algoritmů (např. strojové učení, robustní multivariabilní metody) může dále zlepšit přesnost a přenositelnost modelů mezi linkami a zařízeními.
• Implementace do rámce Process Analytical Technology (PAT) a automatizovaná on‑line monitorace složení pelet umožní řízení procesu v reálném čase.
• Rozšíření metody na jiné typy přísad a polymery, případně kombinace s obrazovou spektroskopií (hyperspektrální snímání) pro detailnější mapování heterogenity.

Závěr

Použití Sample Cup Spinner s FT‑NIR analyzérem Antaris poskytuje spolehlivou, rychlou a reprodukovatelnou metodu pro kvantifikaci UV stabilizátoru v polystyrenových peletách. Díky rotaci vzorku a integraci většího objemu materiálu zajišťuje Spinner reprezentativnější spektrum než manuální jednopoložkové měření a zároveň zkracuje dobu analýzy. Kvantitativní model založený na SMLR s předzpracováním druhým derivátem vykázal vynikající kalibrační a predikční parametry, což podporuje použití metody pro at‑line kontrolu kvality v polymerním průmyslu.

Reference

• Thermo Fisher Scientific. Application note: Sampling Considerations for the Measurement of a UV Stabilizer in Polymer Pellets Using FT‑NIR Spectroscopy. AN50790_E (Thermo Fisher Scientific, 2022).
• Thermo Fisher Scientific. Antaris FT‑NIR Analyzer / Antaris II product information. TQ Analyst and RESULT software (Thermo Scientific).