Kontrola jakości i kontrola produktu atramentu i farby za pomocą NIRS

Z tuszem i farbą mamy do czynienia na co dzień. Materiały te służą do pisania i drukowania, ochrony przed żywiołami, ze względów estetycznych i do wielu innych celów. Nasza historia istnieje w dużej mierze dzięki tym substancjom. Jak produkowane są farby i tusze oraz jakie środki kontroli jakości (QC) są podejmowane? W tym artykule na blogu opisano krótką historię tej branży, proces produkcyjny oraz sposób wykorzystania spektroskopii w bliskiej podczerwieni (NIRS) jako wieloparametrowego rozwiązania kontroli jakości.

Jaka jest różnica między farbą a tuszem?

Farba to substancja stosowana w postaci cieczy lub pasty, która po wyschnięciu tworzy stałą powłokę. Powłoka ta chroni i/lub dodaje koloru przedmiotowi lub powierzchni, na którą została nałożona.

Atrament to płyn na bazie pigmentu lub barwnika, używany do pisania, drukowania itp.

Początki i krótki przegląd historyczny atramentu i farby

Kliknij strzałki poniżej, aby dowiedzieć się więcej o pochodzeniu i historii tych dwóch materiałów.

Wiele kultur samodzielnie formułowało własne tusze, zwykle w oparciu o resztki sadzy (pigmentu) z palenisk w połączeniu z wodą (nośnikiem). Tak naprawdę ta prosta kompozycja jest podstawą tusz indyjski, który jest w użyciu do dziś.

Chińczycy i Egipcjanie ustalili receptury trwałych atramentów co najmniej 4500 lat temu. Atramenty te bazowały na źródłach roślinnych, zwierzęcych i mineralnych. W Europie przed średniowieczem atrament wytwarzano także z proszku czarnego węgla i wody z dodatkiem gumy arabskiej lub innych spoiw.

Ostatecznie Rzymianie opracowali lepszą formułę znaną jako atrament z żółci żelaznej (lub dębowej).. Atrament z żółci żelaznej był stosunkowo łatwy do wytworzenia z siarczanu żelaza (II) (FeSO₄), kwas garbnikowy i guma arabska. Ten trwały atrament był używany do czasu, gdy atramenty produkowane chemicznie zaczęły zyskiwać na popularności około połowy XX wieku.

W latach czterdziestych XIV wieku wynalezienie prasy drukarskiej wymagało nowego rodzaju atramentu. Odmiany na bazie wody po prostu nie nadawały się do druku dobrej jakości. W tym celu opracowano tusze na bazie oleju, które zapewniają lepszą przyczepność do powierzchni druku.

Farba jest formą płynnego pigmentu używaną do dekoracji lub ochrony powierzchni. Trudno określić, kiedy powstały pierwsze farby, gdyż powstały one wcześniej niż historia pisana. Najstarszymi zapisami użycia farb są malowidła jaskiniowe, m.in Francja, Hiszpania, I Afryka Południowa. Te prymitywne farby wytwarzano przez zmielenie substancji pigmentowanych (np. ochry) i zmieszanie z prostym płynnym spoiwem (np. jajami), aby pomóc im przykleić się do powierzchni takich jak kamień.

Farby na bazie wody były używane od wieków do tworzenia ponadczasowych dzieł sztuki. Na przykład starożytni Egipcjanie używali odważnych, żywych kolorów do ozdabiania swoich komór grobowych. Michał Anioł wieki później namalował słynny sufit Kaplicy Sykstyńskiej prostym sproszkowanym pigmentem zmieszanym z wodą (fresk).

Farby olejne powstały już w roku 600 naszej ery, co widać na malowidłach jaskiniowych znalezionych w Afganistan. Farby te zastępują wodę schnący olej i mogą zawierać także inne modyfikatory. Farby olejne wykorzystywano także do celów artystycznych (np. Mona Lisa Leonarda da Vinci, Gwiaździsta noc Vincenta van Gogha), ale popularne są także ze względów ochronnych, np. impregnacji drewna.

Naturalne pigmenty zazwyczaj pochodzą ze źródeł roślinnych, mineralnych lub gliniastych. Pigmenty syntetyczne, które są wytwarzane metodami obróbki chemicznej, termicznej lub innej, oferują znacznie szerszą gamę kolorów. Zarówno pigmenty naturalne, jak i syntetyczne można sklasyfikować jako organiczne i nieorganiczne.

Dostępne są także naturalne i syntetyczne nośniki/spoiwa. W przeszłości w farbach olejnych często jako nośnik stosowano olej lniany. Na początku XX wieku wynaleziono i wykorzystano w tym celu sztuczne alkidy. Alkidy były tanie i łatwe w wykonaniu, dobrze trzymały kolor i były trwałe. Później opracowano farby na bazie polimerów, takie jak akryl i lateks, które nadal są popularne.

Zastosowanie syntetycznych spoiw pozwoliło uzyskać farby, które szybko schną, mają zmniejszoną tendencję do żółknięcia oraz szeroką gamę wyglądu i właściwości użytkowych. W przypadku preparatów emulsyjnych syntetyczne środki wiążące wyeliminowały stosowanie rozpuszczalników organicznych jako rozcieńczalników i rozcieńczalników.

Z czego składa się farba?

Farba zazwyczaj składa się z pigmentu, żywicy, rozpuszczalnika i dodatków.

Pigmenty służą do nadawania koloru i kontrolowania poziomu połysku. Niższe stężenie pigmentu (PVC) daje błyszczące wykończenie, podczas gdy wysokie stężenie PVC daje płaski, matowy wygląd.

Żywica jest spoiwem, które spaja cząsteczki pigmentu i zapewnia przyczepność do malowanej powierzchni.

Rozpuszczalnik pełni rolę nośnika dla pigmentów i żywicy. Może być organiczny lub na bazie wody.

Dodatki stosuje się w celu poprawy niektórych właściwości, takich jak łatwość szczotkowania, odporność na pleśń, odporność na zarysowania, suszenie i odporność na opadanie.

Jak powstaje farba?

Proces produkcji farb można podzielić na cztery podstawowe etapy. Najpierw przygotowuje się pastę (Rysunek 1), następnie pigmenty są mielone i dyspergowane w celu uzyskania jednorodności (Rysunek 2). W trzecim etapie pastę rozcieńcza się (Rysunek 3), a na koniec produkt końcowy jest pakowany (Rysunek 4).

Różne składniki wymagają jednak dostosowania procesu produkcyjnego, a pokazany przykład jest uogólnieniem. Powłoki powstają w procesie okresowym, a w całym procesie produkcyjnym przeprowadzane są rygorystyczne testy w celu zapewnienia jakości.

Rysunek 1. Pierwszym krokiem w produkcji farb jest sporządzenie pasty poprzez zmieszanie pigmentów, dodatków, spoiwa i rozpuszczalników.

Rysunek 2. Drugim etapem produkcji farb jest mielenie i dyspergowanie pigmentów w paście.

Rysunek 3. Trzeci etap produkcji farby polega na rozcieńczeniu pasty rozpuszczalnikami, spoiwem i dodatkowymi pigmentami.

Rysunek 4. Ostatnim etapem produkcji farb jest pakowanie produktu końcowego po jego przefiltrowaniu.

Kontrola jakości i przesiewanie farb i farb

Kontrolę jakości (QC) atramentu i farby można łatwo przeprowadzić na wszystkich etapach produkcji za pomocą spektroskopii w bliskiej podczerwieni (NIR). Stosowanie NIRS do kontroli jakości i przesiewania atramentu i farby jest bardziej wydajne i opłacalne niż inne metody analityczne.

Pozostała część tego artykułu na blogu zawiera krótki przegląd spektroskopii NIR i jej zastosowań w przemyśle farb i farb. Podano przykłady korzyści, jakie producenci atramentów i farb mogą odnieść dzięki zastosowaniu instrumentów NIRS w celu zapewnienia i kontroli jakości w celu wytwarzania produktów wysokiej jakości.

Spektroskopia NIR – jak to działa?

Spektroskopia NIR to technika analityczna, która wykorzystuje interakcję między światłem i materią w celu określenia parametrów chemicznych i fizycznych próbki. W tej sytuacji światło opisuje się raczej długością fali lub liczbą fal niż przyłożoną energią. Interakcję można mierzyć np. za pomocą Analizator cieczy Metrohm DS2500 (Rysunek 5a), który generuje widma NIR (Rysunek 5b).

Rysunek 5. a) Analizator cieczy Metrohm NIRS DS2500. b) Przykład widm powstałych w wyniku oddziaływania światła NIR z pięcioma różnymi próbkami suszarki do farby.

Ponieważ NIRS jest dość wrażliwy na obecność niektórych molekularnych grup funkcyjnych, jest idealną techniką do ilościowego oznaczania wielu parametrów chemicznych. Treść nieulotna, lotne związki organiczne, zawartość barwnika, zawartość środka powierzchniowo czynnego, I wilgoć można mierzyć jednocześnie w farbie lub tuszu. Nawet wykrywanie parametrów fizycznych, takich jak gęstość I lepkość jest to możliwe dzięki NIRS.

Pojedyncze widmo NIR zawiera wszystkie te informacje, dzięki czemu spektroskopia w bliskiej podczerwieni nadaje się do szybkiej analizy wieloparametrowej.

Wybór trybu pomiaru NIRS

Tryb pomiaru NIRS zależy od rodzaju analizowanej próbki.

Podczas analizowania płyny, tryb transmisji jest odpowiednie (Rysunek 6). Podczas transmisji światło NIR ulega absorpcji podczas przejścia przez próbkę, a niezaabsorbowane światło trafia bezpośrednio do detektora.

Rysunek 6. a) Pomiary cieczy zwykle wykonuje się za pomocą jednorazowych fiolek. b) Tryb pomiaru NIRS nazywany jest transmisją, w którym światło przechodzi przez próbkę podczas absorpcji (na ilustracji od lewej do prawej).

Podczas analizowania pasty, tryb transfleksji jest preferowany (Rysunek 7). Tutaj złoty znaczek służy jako reflektor rozproszony. W tym przypadku światło NIR podczas absorpcji jest kierowane przez próbkę pasty i odbija się od złotego stempla. Odbite światło NIR jest dalej pochłaniane przez próbkę i ostatecznie dociera do detektora.

Rysunek 7. a) Pomiar pasty jest zwykle wykonywany w kubku na zawiesinę przy użyciu złotego stempla jako reflektora rozproszonego. b) Tryb pomiaru znany jest jako transfleksja, w którym światło przechodzi przez próbkę, odbija się od rozproszonego reflektora i ponownie przechodzi przez próbkę podczas absorpcji.

Zalety stosowania NIRS do celów kontroli jakości i kontroli

Spektroskopia w bliskiej podczerwieni ma kilka zalet w porównaniu z innymi technikami analitycznymi, zwłaszcza jeśli chodzi o kontrolę jakości i badania przesiewowe.

NIRS jest szybki i zapewnia wyniki w czasie krótszym niż jedna minuta. Nie jest wymagane przygotowanie próbki, co pozwala zaoszczędzić jeszcze więcej czasu. Pomiary mają charakter nieniszczący, dlatego próbki można wykorzystać ponownie. Do analizy wykorzystującej spektroskopię NIR nie są potrzebne żadne odczynniki. Nie tylko obniża to koszt próbki, ale także czyni tę technikę przyjazną dla środowiska.

NIRS jest również zgodny z międzynarodowymi standardami takimi jak ASTM E1655: Standardowe praktyki wielowymiarowej analizy ilościowej w podczerwieni, ułatwiające jej przyjęcie w przemyśle. Wreszcie, NIRS jest łatwy w użyciu i może być obsługiwany przez personel nietechniczny, w przeciwieństwie do innych, bardziej skomplikowanych technik analitycznych.

Kontrola jakości i parametry przesiewania przy produkcji farb i farb

Produkty z tuszy i farb poddawane są kilku znormalizowanym metodom testowym w celu określenia ich właściwości chemicznych i fizycznych. Takie badania laboratoryjne są nieodzowną częścią badań i rozwoju oraz kontroli jakości. Tabela 1 wymienia najważniejsze parametry testowe do kontroli jakości i rastrowania farb i farb.

Przykłady zastosowań pokazujące zdolność NIRS do jednoczesnej analizy kilku z tych parametrów z tej samej próbki znajdują się w następnych sekcjach.

Tabela 1. Różne parametry kontroli jakości i przesiewania tuszu i farby wraz z typową metodą stosowaną do analizy.

Parametr	Konwencjonalna metoda analizy
Lepkość wewnętrzna, kinematyczna	Wiskometria
Wilgoć	Miareczkowanie Karla Fischera
Zawartość środka powierzchniowo czynnego	Miareczkowanie
Zawartość nielotna / zawartość substancji stałych	Strata przy suszeniu (LOD)
Zawartość barwnika/zawartość pigmentu	Spopielanie
Lotne związki organiczne (LZO)	Wiele mokrych metod chemicznych
Dodatki i woski w farbach opakowaniowych	HPLC i GC

Przykład zastosowania: Kontrola jakości atramentu za pomocą NIRS

Podczas kontroli jakości podczas produkcji atramentu typowymi mierzonymi parametrami są zawartość barwnika, glikolu dietylenowego (DEG), środka powierzchniowo czynnego i wody. Barwnik (np. trifenylometan/fenazyna lub barwniki azowe) nadaje atramentowi kolor. Glikol dietylenowy służy jako rozpuszczalnik i zapobiega wysychaniu atramentu. Środki powierzchniowo czynne kontrolują teksturę i zapobiegają pienieniu się atramentu.

Parametry te są zwykle monitorowane przy użyciu różnych technik analitycznych, w tym spopielania, miareczkowania i miareczkowania Karla Fischera. Przygotowanie próbki jest czasochłonne, a stosowanie wielu metod oznaczania jest uciążliwe. Dzięki zastosowaniu NIRS można jednocześnie zmierzyć kilka parametrów kontroli jakości atramentu, a wyniki uzyskać w czasie krótszym niż jedna minuta.

Widma NIR kilku próbek atramentu pokazano na rysunku Cyfra 8 z odpowiednim diagramem korelacji do przewidywania zawartości barwnika w Rysunek 9. Liczby istotne dla przewidywania NIRS barwnika, DEG, środka powierzchniowo czynnego i wody w tuszu podano w Tabela 2.

Rysunek 8. Wybór widm Vis-NIR z próbek atramentu zmierzonych na analizatorze Metrohm NIRS DS2500 w trybie transfleksji. Wkładka pokazuje, jak różnią się widma przy różnej zawartości barwnika.

Rysunek 9. Diagram korelacji do przewidywania zawartości barwnika w tuszu przy użyciu analizatora Metrohm NIRS DS2500.

Tabela 2. Dane liczbowe dotyczące różnych parametrów kontroli jakości próbek atramentu przy użyciu analizatora Metrohm NIRS DS2500.

Liczby zasług	Zawartość barwnika	zawartość DEG	Zawartość wody	Zawartość środka powierzchniowo czynnego
R²	0,996	0,993	0,991	0,977
Standardowy błąd kalibracji (SEC)	0,0835%	0,5037%	0,5571%	0,0368%
Standardowy błąd walidacji krzyżowej (SECV)	0,0949%	0,5888%	0,9614%	0,1316%

Przykład zastosowania: Kontrola jakości suszarek lakierniczych za pomocą NIRS

Suszarki do farb skracają czas schnięcia farb oraz wpływają na połysk i przejrzystość powłoki. W tym przypadku głównymi interesującymi parametrami kontroli jakości są zawartość metalu, zawartość substancji stałych, lepkość i ciężar właściwy.

Wszystkie procedury badań referencyjnych dla tych parametrów są określone w procedurach ASTM:ASTM D2373, ASTM D1644, ASTM D5125, I ASTM D2196. Każda norma wykorzystuje różne instrumenty analityczne do pomiarów: wagi i piece, titratory, areometry i wiskozymetry. Natomiast wykorzystanie NIRS do jednoczesnego pomiaru wszystkich tych parametrów pozwala zaoszczędzić znaczną ilość czasu i zmniejszyć koszty analizy.

Rysunek 10. Wybór widm Vis-NIR z próbek suszących farb zmierzonych na analizatorze cieczy Metrohm NIRS DS2500 w trybie transmisji. Widma różnią się w zależności od zawartości kobaltu.

Rysunek 11. Diagram korelacji do przewidywania zawartości kobaltu w suszarkach do farb przy użyciu analizatora cieczy Metrohm NIRS DS2500.

Tabela 3. Dane liczbowe dotyczące różnych parametrów kontroli jakości próbek suszonych farb przy użyciu analizatora cieczy Metrohm NIRS DS2500.

Liczby zasług	Zawartość kobaltu*	Zawartość substancji stałych	Środek ciężkości	Lepkość
R²	0,999	0,999	0,977	0,999
SEK	0,08%	0,24%	0,003%	9,3 MPa
SECV	0,09%	0,29%	0,003%	10,9 MPa

* Zakres widmowy zapewniający najlepsze wyniki pomiaru kobaltu znajdował się w obszarze widzialnym (400–800 nm, patrz Rysunek 9).

Streszczenie

NIRS to doskonały wybór do kontroli jakości i przesiewania atramentów i farb w całym łańcuchu produkcyjnym, od surowców po gotowe produkty. Nie można przecenić jego przewagi nad innymi technikami analitycznymi. Możliwość przeprowadzenia analizy wieloparametrowej pojedynczej próbki, której wyniki można uzyskać w czasie krótszym niż jedna minuta, pozwala zaoszczędzić niesamowitą ilość czasu i pieniędzy.

Konwencjonalne techniki laboratoryjne zwykle wymagają wstępnego kondycjonowania próbki lub środków chemicznych i wykwalifikowanego personelu do przeprowadzenia analiz. Każdy parametr jest mierzony na innym instrumencie, dlatego wygenerowanie wyników zajmuje dużo więcej czasu.

Dodatkowe materiały

Nota: Zawartość barwnika, glikolu dietylenowego, wody i środków powierzchniowo czynnych w tuszu

Nota: Glikol butylowy i alkohol propyloheptylowy w farbie wodorozcieńczalnej

Nota: Oznaczanie liczby aminowej i zawartości części stałych w farbie zanurzeniowej

Nota: Zawartość kobaltu, zawartość części stałych, ciężar właściwy i lepkość w oktanianie kobaltu

Nota: Dodatek reologiczny i wosk w farbach opakowaniowych metodą spektroskopii Vis-NIR – wiele parametrów w jednym pomiarze

Biuletyn aplikacji: Analiza lakierów i farb z wykorzystaniem spektroskopii w bliskiej podczerwieni

Analizatory Metrohm DS2500

Zwiększ wydajność w laboratorium kontroli jakości: jak NIRS pomaga obniżyć koszty nawet o 90%

Niedocenianie procesów kontroli jakości jest jednym z głównych czynników prowadzących do wewnętrznych i zewnętrznych awarii produktów, które według doniesień powodują utratę obrotów o 10–30%. W rezultacie wprowadzono wiele różnych norm, które mają wspierać producentów w tym zakresie. Jednakże czas potrzebny na uzyskanie wyniku i związane z nim koszty środków chemicznych mogą być dość nadmierne, co powoduje, że wiele firm wdraża spektroskopię w bliskiej podczerwieni w procesie kontroli jakości. Niniejsza biała księga ilustruje potencjał NIRS i wskazuje potencjał oszczędności kosztów do 90%.

Autorzy

Wim Guns

International Sales Support Spectroscopy
Metrohm International Headquarters, Herisau, Switzerland

Kontakt

Dr. Alyson Lanciki

Scientific Editor
Metrohm International Headquarters, Herisau, Switzerland