ЯМР-аналізатори Spinlock (модель SLK-200 зі спеціалізованим ПЗ)

Олійне оздоблення, яке також називають маслозбиранням (OPU), є критичним параметром процесу у виробництві синтетичних волокон.
Застосовується під час екструзії та витяжки, воно забезпечує змащування, пригнічення статичної електрики та когезію волокон. Контроль OPU у вузькому цільовому діапазоні (зазвичай 0,3–1,5 % за вагою) є важливим: занадто мала кількість оздоблення призводить до поломки волокон та накопичення статичної електрики; занадто велика кількість призводить до проблем з подальшою обробкою, надмірного залишку на обладнанні та невідповідності специфікаціям продукту.
Історично склалося так, що лабораторії контролю якості у волоконній промисловості покладалися на методи екстракції розчинниками (методом Сокслета або подібними) для визначення OPU. Ці методи добре зрозумілі та простежувані, але вони накладають серйозні експлуатаційні обмеження: кожен аналіз вимагає 2–4 годин лабораторного часу, споживає небезпечні розчинники, такі як гексан або дихлорметан, руйнує зразок і вимагає кваліфікованого аналітичного персоналу.
Найголовніше, що методи екстракції вимагають попереднього висушування або кондиціонування зразка волокна до відомого стану вологості перед аналізом, оскільки залишкова вода ускладнює гравіметричне визначення масляної фракції.
Цей етап сушіння вносить додаткову затримку (часто 1–2 години в конвекційній печі), споживає енергію та сам по собі може змінити хімічний склад поверхні волокна. На швидкозмінних виробничих лініях, особливо на нафтохімічних заводах з виробництва волокна, що виробляють десятки тисяч метричних тонн на рік, затримка між відбором проб та результатом ефективно перешкоджає контролю OPU в режимі реального часу.
2. Підхід ЯМР-релаксометрії
Релаксометрія ядерного магнітного резонансу (ЯМР) у низькому полі пропонує принципово інший принцип
вимірювання. Замість фізичного вилучення олійної фази, цей метод збуджує ядра водню (¹H) у зразку
радіочастотним імпульсом та вимірює швидкість, з якою система ядерних спінів повертається до рівноваги,
процес, що характеризується часом поперечної релаксації, T2.

Різні молекулярні середовища продукують чітко різні Т2сигнатури. Протони в рухомих рідких фазах (олія, оздоблювальні речовини) повільно релаксують, утворюючи довгі T2компоненти, тоді як протони, зв'язані в жорстких полімерних ланцюгах (волокниста матриця), швидко релаксують, утворюючи короткі T2компоненти. Вода, залежно від стану зв'язування, займає проміжний режим.

Ключовий висновок полягає в тому, що Т2Оболонку розпаду зразка волокна можна розкласти на її складові
компоненти: олію/покриття, воду та полімер, за допомогою багатоекспоненціального підгонки. Оскільки
кожна фаза займає окрему область T2У спектрі ЯМР-сигнал від олійної фази можна розділити та кількісно
визначити незалежно від вмісту води. Це фізична основа для визначення чистоти обертання без урахування
вологи.

3. Інновація: вимірювання будь-якого вмісту вологи
У рамках спільної програми розробки з великою нафтохімічною корпорацією, Spinlock продемонструвала та
валідувала робочий процес, в якому зразки волокна аналізуються безпосередньо з виробничої лінії, без будь-
якого сушіння, кондиціонування чи підготовки зразків.
Аналізатор Spin Finish Spinlock SLK-200, що працює на частоті 11 МГц (постійний магніт 280 мТл), отримує
послідовність відлуння CPMG (Карр-Перселл-Мейбум-Гілл), з якої амплітуда сигналу олії/покриття витягується за
допомогою власних алгоритмів багатокомпонентного аналізу. Програмне забезпечення приладу (Spinlock SPIN
FINISH 39FS) автоматично розділяє внески олії, води та полімеру, повідомляючи OPU у відсотках від маси волокна.
Що робить це руйнівним:

• Без етапу сушіння. Зразки надходять з волоконної лінії до пробірки SLK-200 та вимірюються протягом 2
хвилин. Сигнал води розрізняється та виключається з розрахунку OPU автоматично.
• Немає потреби в кондиціонуванні. На відміну від гравіметричних або екстракційних методів, вимірювання є дійсним незалежно від
вологості навколишнього середовища, відновлення вологості волокна або стану охолодження після віджиму.
• Справжня можливість роботи в процесі виробництва. Оскільки загальний цикл (відбір проб + вимірювання) скорочується з годин до
хвилин, результати OPU можуть бути передані в цикл аплікатора фінішної обробки протягом тієї ж виробничої зміни.
• Неруйнівний. Зразок не споживається та не змінюється; його можна повторно виміряти або зберегти для
вирішення суперечок.
 

4. Специфікації приладів та методів

Аналізатор SLK-200 Spin Finish/OPU забезпечує як режими вимірювання зі зважуванням, так і без зважування, кожен з яких оптимізовано для різних операційних сценаріїв.

Технічні характеристики приладу

5. Чому незалежність від вологи важлива на практиці
На типовому заводі з виробництва нафтохімічного волокна свіжоспряжені та витягнуті волокна містять змінну кількість води залежно від етапів гартування та промивання, що передують нанесенню оздоблювальних матеріалів. Традиційні методи обробки поверхнею (OPU) вимагають від оператора сушіння кожного зразка до постійної ваги перед екстракцією, що може тривати 60–120 хвилин у лабораторній печі.
Завдяки усуненню цієї вимоги до сушіння, підхід Spinlock NMR забезпечує кілька переваг
компаундування:
• Швидші цикли зворотного зв'язку. Загальний час від збору зразка до повідомлення про OPU зменшується з 3–5 годинт (сушіння + екстракція + гравіметрія) до менш ніж 5 хвилин (завантаження зразка + 2-хвилинне ЯМР-вимірювання).
Це дозволяє вносити корективи в процес протягом зміни, а не вживати коригувальних дій наступного дня.

6. Перевірка та розгортання
Спільна програма валідації з нафтохімічним партнером включала систематичне тестування різних типів
волокон, рецептур оздоблення та рівнів вологості. Зразки вимірювали на SLK-200 у отриманому (мокрому)
стані та після сушіння в печі, а значення OPU, отримані за допомогою ЯМР, порівнювали з результатами
еталонної екстракції розчинником.
Дані підтвердили, що багатокомпонентний алгоритм SLK-200 дає значення OPU, статистично еквівалентні
еталонному методу, без систематичного зміщення, спричиненого зміною вмісту вологи. Повторюваність
залишалася в межах опублікованих характеристик приладу (±0,01 % для методу зважування) у всьому діапазоні
умов вологості, що зустрічаються у виробництві.
Відтоді SLK-200 було розгорнуто в лабораторії контролю якості партнера, працюючи паралельно з їхнім існуючим робочим процесом на основі екстракції протягом перехідного періоду.
7. Висновок та перспективи
Можливість кількісно визначити вміст Spin Finish у синтетичних волокнах без будь-якого сушіння або
кондиціонування зразка є значним кроком у контролі якості виробництва волокон. Використовуючи притаманну
селективність ЯМР-релаксометрії, зокрема, роздільну здатність T₄.2сигнатури нафтової, водної та полімерної фаз, Spinlock SLK-200 забезпечує точні, повторювані результати OPU за 2 хвилини, незалежно від стану вологості зразка.
Для виробників нафтохімічного волокна, що працюють у промислових масштабах, це призводить до прямого скорочення часу виконання
контролю якості, спрощення та безпечнішого аналітичного робочого процесу, а також можливості впроваджувати стратегії контролю OPU із
замкнутим циклом, які раніше були непрактичними.
Spinlock продовжує розробляти спеціалізовані калібрувальні моделі та протоколи вимірювань для світової
промисловості синтетичних волокон. Організації, зацікавлені в оцінці SLK-200 для свого конкретного волокна та
матриці оздоблення, запрошуються взяти участь у програмі випробування зразків Spinlock.