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Contrôle de la qualité et sélection des produits pour les encres et les peintures à l'aide de la NIRS

Contrôle de la qualité et sélection des produits pour les encres et les peintures à l'aide de la NIRS

27 nov. 2023

Article

Nous rencontrons quotidiennement de l'encre et de la peinture. Ces matériaux sont utilisés pour l'écriture et l'impression, la protection contre les éléments, des raisons esthétiques et bien d'autres choses encore. Nos archives historiques existent en grande partie grâce à ces substances. Comment les peintures et les encres sont-elles fabriquées et quelles sont les mesures de contrôle de la qualité (CQ) prises ? Cet article de blog couvre un bref historique de cette industrie, le processus de fabrication, et comment la spectroscopie proche infrarouge (NIRS) peut être utilisée comme une solution multiparamétrique de contrôle de la qualité.

Quelle est la différence entre la peinture et l'encre ?

La peinture est une substance appliquée sous forme de liquide ou de pâte qui sèche pour former un revêtement solide. Ce revêtement protège et/ou ajoute de la couleur à l'objet ou à la surface sur laquelle il a été appliqué.

L'encre est un liquide à base de pigments ou de colorants utilisé pour l'écriture, l'impression, etc.

Origines et bref aperçu historique de l'encre et de la peinture

Cliquez sur les flèches ci-dessous pour en savoir plus sur les origines et l'histoire de ces deux matériaux.

De quoi est faite la peinture ?

La peinture se compose généralement d'un pigment, d'une résine, d'un solvant et d'additifs.

Les pigments sont utilisés pour donner de la couleur et pour contrôler le niveau de brillance. Une concentration volumique de pigments (CVP) plus faible donne une finition brillante, tandis qu'une CVP élevée donne un aspect mat et plat.

La résine est le liant qui maintient les particules de pigment ensemble et assure l'adhérence à la surface peinte.

Le solvant sert de support aux pigments et à la résine. Il peut être organique ou à base d'eau.

Les additifs sont utilisés pour améliorer certaines propriétés telles que la facilité de brossage, la résistance aux moisissures, la résistance aux éraflures, le séchage et la résistance à l'affaissement.

Comment la peinture est-elle fabriquée ?

Le processus de production de la peinture peut être divisé en quatre étapes de base. Tout d'abord, la pâte est fabriquée (figure 1), puis les pigments sont broyés et dispersés à des fins d'homogénéité (figure 2). La troisième étape consiste à diluer la pâte (figure 3) et, enfin, à conditionner le produit final (figure 4).

Cependant, des ingrédients différents nécessitent une adaptation du processus de production, et l'exemple présenté est une généralisation. Les revêtements sont fabriqués par lots et des tests rigoureux sont effectués tout au long du processus de production pour en garantir la qualité.

La première étape de la production de peinture consiste à fabriquer la pâte en mélangeant les pigments, les additifs, le liant et les solvants.
Figure 1. La première étape de la production de peinture consiste à fabriquer la pâte en mélangeant les pigments, les additifs, le liant et les solvants.
La deuxième étape de la production de peinture consiste à broyer et à disperser les pigments dans la pâte.
Figure 2. La deuxième étape de la production de peinture consiste à broyer et à disperser les pigments dans la pâte.
La troisième étape de la production de peinture consiste à diluer la pâte avec des solvants, des liants et des pigments supplémentaires.
Figure 3. La troisième étape de la production de peinture consiste à diluer la pâte à l'aide de solvants, de liants et de pigments supplémentaires.
La dernière étape de la production de peinture consiste à emballer le produit final une fois qu'il a été filtré.
Figure 4. La dernière étape de la production de peinture consiste à emballer le produit final une fois qu'il a été filtré.

Contrôle de la qualité et filtrage des encres et des peintures

Le contrôle de la qualité (CQ) des encres et des peintures peut être effectué facilement à tous les stades de la production grâce à la spectroscopie dans le proche infrarouge (NIR). L'utilisation de la spectroscopie proche infrarouge pour le contrôle de la qualité et le dépistage des encres et des peintures est plus efficace et plus rentable que d'autres méthodes analytiques.

Le reste de cet article de blog présente une brève vue d'ensemble de la spectroscopie NIR et de ses applications pour l'industrie des encres et des peintures. Des exemples sont fournis sur la façon dont les producteurs d'encres et de peintures peuvent bénéficier de l'utilisation d'instruments NIRS pour l'assurance et le contrôle de la qualité afin de fabriquer des produits de haute qualité.

Spectroscopie NIR - comment ça marche ?

La spectroscopie NIR est une technique analytique qui utilise l'interaction entre la lumière et la matière pour déterminer les paramètres chimiques et physiques d'un échantillon. Dans ce cas, la lumière est décrite par la longueur d'onde ou le nombre d'ondes plutôt que par l'énergie appliquée. L'interaction peut être mesurée, par exemple, à l'aide de la spectroscopie NIR Metrohm DS2500 Liquid Analyzer (Figure 5a), qui génère des spectres NIR (Figure 5b).

a) The Metrohm NIRS DS2500 Liquid Analyzer. b) Example of spectra resulting from the interaction of NIR light with five different paint drier samples.
Figure 5. a) L'analyseur de liquides Metrohm NIRS DS2500. b) Exemple de spectres résultant de l'interaction de la lumière NIR avec cinq échantillons différents de sécheurs de peinture.

La NIRS étant très sensible à la présence de certains groupes fonctionnels moléculaires, c'est une technique idéale pour quantifier de nombreux paramètres chimiques. La teneur en substances non volatiles, les composés organiques volatils, la teneur en colorants, la teneur en agents tensioactifs et l'humidité peuvent être mesurés simultanément dans la peinture ou l'encre. Même la détection de paramètres physiques tels que la densité et la viscosité est possible avec la NIRS.

Un seul spectre NIR contient toutes ces informations, ce qui rend la spectroscopie proche infrarouge adaptée à l'analyse rapide de plusieurs paramètres.

Choix du mode de mesure NIRS

Le mode de mesure NIRS dépend du type d'échantillon à analyser.

Lors de l'analyse de liquides, le mode de transmission est approprié (figure 6). Pendant la transmission, la lumière NIR est absorbée lorsqu'elle traverse l'échantillon, et la lumière non absorbée va directement au détecteur.

a) Les mesures de liquides sont généralement effectuées à l'aide de flacons jetables. b) Le mode de mesure NIRS est connu sous le nom de transmission, où la lumière traverse l'échantillon tout en étant absorbée (de gauche à droite sur l'illustration).
Figure 6. a) Les mesures de liquides sont généralement effectuées à l'aide de flacons jetables. b) Le mode de mesure NIRS est connu sous le nom de transmission, où la lumière traverse l'échantillon tout en étant absorbée (de gauche à droite sur l'illustration).

Lors de l'analyse des pâtes, le mode transflectif est préféré (figure 7). Ici, un tampon d'or est utilisé comme réflecteur diffus. Dans ce cas, la lumière proche infrarouge est dirigée à travers l'échantillon de pâte tout en étant absorbée et réfléchie par le tampon d'or. La lumière proche infrarouge réfléchie est absorbée par l'échantillon et atteint finalement le détecteur.

a) La mesure des pâtes est généralement effectuée dans une coupelle à boue en utilisant un tampon d'or comme réflecteur diffus. b) Le mode de mesure est connu sous le nom de transflection, où la lumière traverse l'échantillon, se réfléchit sur le réflecteur diffus et traverse à nouveau l'échantillon tout en étant absorbée.
Figure 7. a) La mesure des pâtes est généralement effectuée dans une coupelle à boue en utilisant un tampon d'or comme réflecteur diffus. b) Le mode de mesure est connu sous le nom de transflection, où la lumière traverse l'échantillon, se réfléchit sur le réflecteur diffus et traverse à nouveau l'échantillon tout en étant absorbée..

Avantages de l'utilisation de la NIRS à des fins de contrôle de qualité et de dépistage

La spectroscopie dans le proche infrarouge présente plusieurs avantages par rapport à d'autres techniques d'analyse, notamment en matière de contrôle de la qualité et de dépistage.

La NIRS est rapide et fournit des résultats en moins d'une minute. Aucune préparation d'échantillon n'est nécessaire, ce qui permet de gagner encore plus de temps. Les mesures sont non destructives et les échantillons peuvent donc être réutilisés. Aucun réactif n'est nécessaire lorsque la spectroscopie NIR est utilisée pour l'analyse. Cela permet non seulement de réduire le coût par échantillon, mais aussi de rendre cette technique respectueuse de l'environnement.

Le NIRS est également conforme aux normes internationales telles que ASTM E1655: Standard Practices for Infrared Multivariate Quantitative Analysis (Pratiques normalisées pour l'analyse quantitative multivariée par infrarouge), ce qui simplifie son adoption par les industries. Enfin, le NIRS est facile à utiliser et peut être mis en œuvre par du personnel non technique, contrairement à d'autres techniques d'analyse plus complexes.

Contrôle de la qualité et paramètres de sélection pour la production d'encres et de peintures

Les encres et les peintures sont soumises à plusieurs méthodes d'essai normalisées afin de déterminer leurs propriétés chimiques et physiques. Ces essais en laboratoire sont indispensables à la recherche et au développement, ainsi qu'au contrôle de la qualité. Le tableau 1 énumère les paramètres d'essai les plus pertinents pour le contrôle de la qualité et la sélection des encres et des peintures.

Des exemples d'application montrant la capacité de la NIRS à analyser simultanément plusieurs de ces paramètres à partir du même échantillon sont présentés dans les sections suivantes.

Tableau 1. Différents paramètres de contrôle de qualité et de sélection pour les encres et les peintures, ainsi que la méthode type utilisée pour l'analyse.

Paramètres Méthode d'analyse conventionnelle
Viscosité intrinsèque, cinématique Viscométrie
Humidité Karl Fischer titration
Teneur en tensioactifs Titration
Teneur en substances non volatiles / Teneur en solides Perte à la dessiccation (LOD)
Dye content / Pigment content Ashing
Composés organiques volatils (COV) Multiples méthodes chimiques par voie humide
Additifs et cire dans les peintures d'emballage HPLC et GC

Exemple d'application : Contrôle de la qualité de l'encre à l'aide de la NIRS

Lors des contrôles de qualité effectués pendant la production des encres, les paramètres typiques mesurés sont la teneur en colorant, en diéthylène glycol (DEG), en agent tensioactif et en eau. Le colorant (par exemple, triphénylméthane/phénazine ou colorants azoïques) donne sa couleur à l'encre. Le diéthylène glycol est utilisé comme solvant et empêche l'encre de sécher. Les surfactants contrôlent la texture et empêchent l'encre de mousser.

Ces paramètres sont généralement contrôlés à l'aide de différentes techniques analytiques, notamment l'incinération, le titrage et le titrage Karl Fischer. La préparation des échantillons prend du temps et l'utilisation de plusieurs méthodes de détermination est fastidieuse. L'utilisation de la NIRS permet de mesurer simultanément plusieurs paramètres de contrôle de la qualité de l'encre et d'obtenir des résultats en moins d'une minute.

Les spectres NIR de plusieurs échantillons d'encre sont présentés dans la figure 8 et le diagramme de corrélation correspondant pour la prédiction de la teneur en colorant dans la figure 9. Les chiffres de mérite pour la prédiction NIRS du colorant, du DEG, de l'agent tensioactif et de l'eau dans l'encre sont indiqués dans le tableau 2.

Sélection de spectres Vis-NIR d'échantillons d'encre mesurés sur un analyseur Metrohm NIRS DS2500 en mode transflection. L'incrustation montre comment les spectres diffèrent en fonction de la teneur en colorant.
Figure 8. Sélection de spectres Vis-NIR d'échantillons d'encre mesurés sur un analyseur Metrohm NIRS DS2500 en mode transflection. L'incrustation montre comment les spectres diffèrent en fonction de la teneur en colorant.
Diagramme de corrélation pour la prédiction de la teneur en colorants dans l'encre à l'aide d'un analyseur Metrohm NIRS DS2500.
Figure 9. Diagramme de corrélation pour la prédiction de la teneur en colorants dans l'encre à l'aide d'un analyseur Metrohm NIRS DS2500.

Tableau 2. Chiffres de mérite pour divers paramètres de contrôle de la qualité dans des échantillons d'encre à l'aide d'un analyseur Metrohm NIRS DS2500.

Figures de mérite Teneur en colorants Teneur en DEG Teneur en eau Teneur en tensioactifs
R2 0.996 0.993 0.991 0.977
Erreur standard d'étalonnage (SEC) 0.0835% 0.5037% 0.5571% 0.0368%
Erreur standard de validation croisée (SECV) 0.0949% 0.5888% 0.9614% 0.1316%

Exemple d'application : Contrôle de la qualité des sécheurs de peinture à l'aide de la NIRS

Les siccatifs pour peintures réduisent le temps de séchage des peintures et affectent la brillance et la clarté du revêtement. Dans ce cas, les principaux paramètres de contrôle de qualité sont la teneur en métal, la teneur en solides, la viscosité et la densité.

Toutes les procédures d'essai de référence pour ces paramètres sont spécifiées dans les procédures de—ASTM D2373, ASTM D1644, ASTM D5125, and ASTM D2196. Chaque norme utilise différents instruments analytiques pour les mesures : balances et fours, titrateurs, hydromètres et viscosimètres. En revanche, l'utilisation de la NIRS pour mesurer tous ces paramètres simultanément permet de gagner un temps considérable et de réduire les coûts par analyse.

Sélection de spectres Vis-NIR d'échantillons de sécheurs de peinture mesurés sur un analyseur de liquide Metrohm NIRS DS2500 en mode transmission. Les spectres diffèrent en fonction de la teneur en cobalt.
Figure 10. Sélection de spectres Vis-NIR d'échantillons de sécheurs de peinture mesurés sur un analyseur de liquide Metrohm NIRS DS2500 en mode transmission. Les spectres diffèrent en fonction de la teneur en cobalt..
Diagramme de corrélation pour la prédiction de la teneur en cobalt dans les siccatifs de peinture à l'aide d'un analyseur de liquide Metrohm NIRS DS2500.
Figure 11. Diagramme de corrélation pour la prédiction de la teneur en cobalt dans les siccatifs de peinture à l'aide d'un analyseur de liquide Metrohm NIRS DS2500.

Tableau 3. Chiffres de mérite pour divers paramètres de contrôle de la qualité dans des échantillons de sécheurs de peinture à l'aide d'un analyseur de liquide Metrohm NIRS DS2500.

Figures de mérite Teneur en cobalt* Teneur en solides Gravité spécifique Viscosité
R2 0.999 0.999 0.977 0.999
SEC 0.08% 0.24% 0.003% 9.3 MPa
SECV 0.09% 0.29% 0.003% 10.9 MPa
* La gamme spectrale qui donne les meilleurs résultats pour la mesure du cobalt se situe dans la région visible (400-800 nm, voir Figure 9).

Résumé

La NIRS est un excellent choix pour le contrôle de la qualité et le dépistage des encres et des peintures tout au long de la chaîne de production, des matières premières aux produits finis. Ses avantages par rapport à d'autres techniques analytiques ne peuvent être sous-estimés. La possibilité d'effectuer une analyse multiparamétrique sur un seul échantillon avec des résultats en moins d'une minute permet d'économiser une quantité incroyable de temps et d'argent.

Les techniques de laboratoire conventionnelles nécessitent généralement un préconditionnement de l'échantillon ou des produits chimiques, ainsi qu'un personnel qualifié pour effectuer les analyses. Chaque paramètre est mesuré à l'aide d'un instrument différent, et les résultats sont donc beaucoup plus longs à produire.

Vos connaissances à emporter

Note d'application : Teneur en colorants, diéthylène glycol, eau et agents tensioactifs dans l'encre

Note d'application : Butylglycol et alcool propylheptylique dans les peintures en phase aqueuse

Note d'application : Détermination de l'indice d'amine et de la teneur en matières solides de la peinture de trempage

Note d'application : Teneur en cobalt, teneur en solides, poids spécifique et viscosité de l'octoate de cobalt

Note d'application : Additif rhéologique et cire dans la peinture d'emballage par spectroscopie Vis-NIR - Plusieurs paramètres avec une seule mesure

Bulletin d'application : Analyse des laques et des peintures par spectroscopie proche infrarouge

Accroître l'efficacité du laboratoire de contrôle de la qualité : Comment la NIRS permet de réduire les coûts jusqu'à 90

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La sous-estimation des processus de contrôle de qualité est l'un des principaux facteurs à l'origine des défaillances internes et externes des produits, qui entraînent une perte de chiffre d'affaires de l'ordre de 10 à 30 %. En conséquence, de nombreuses normes différentes sont mises en place pour aider les fabricants dans ce domaine. Cependant, le temps nécessaire pour obtenir des résultats et les coûts associés aux produits chimiques peuvent être excessifs, ce qui a conduit de nombreuses entreprises à mettre en œuvre la spectroscopie dans le proche infrarouge dans leur processus de contrôle de la qualité. Ce livre blanc illustre le potentiel de la spectroscopie proche infrarouge et permet de réaliser des économies pouvant aller jusqu'à 90 %.

Auteurs
Guns

Wim Guns

International Sales Support Spectroscopy
Metrohm International Headquarters, Herisau, Switzerland

Contact

Lanciki

Dr. Alyson Lanciki

Scientific Editor
Metrohm International Headquarters, Herisau, Switzerland

Contact

DS2500 Liquid Analyzer

DS2500 Liquid Analyzer

2.929.0010

Spectroscopie proche infrarouge robuste pour le contrôle qualité en laboratoire et en environnement de production.L'analyseur DS2500 Liquid Analyzer est la solution éprouvée et souple destinée aux analyses de routine d'échantillons liquides, tout au long de la chaîne de fabrication. Sa conception robuste fait du DS2500 Liquid Analyzer un appareil insensible à la poussière, à l'humidité et aux vibrations, et donc particulièrement adapté aux rudes conditions d'un environnement de production.Le DS2500 Liquid Analyzer couvre l'ensemble de la gamme spectrale de 400 à 2500 nm, chauffe les échantillons jusqu'à 80 °C et est compatible avec divers flacons à usage unique et cuves en quartz. Le 2500 Liquid Analyzer, lequel s'adapte à vos exigences individuelles en matière d'échantillons, vous permet d'obtenir des résultats précis et reproductibles en moins d'une minute. Avec sa détection du support d'échantillon intégrée et le logiciel Vision Air intuitif, un maniement simple et sûr est également garanti pour l'utilisateur. En présence de grandes quantités d'échantillons, l'utilisation d'une cellule à flux continu associée à un robot passeur d'échantillons Metrohm peut augmenter considérablement la productivité. 

DS2500 Solid Analyzer

DS2500 Solid Analyzer

2.922.0010

Spectroscopie proche infrarouge robuste pour le contrôle de la qualité en laboratoire et en environnement de production.L'analyseur DS2500 Analyzer est la solution éprouvée et souple destinée aux analyses de routine de matières solides, de crèmes et, en option, de liquides, tout au long de la chaîne de fabrication. Sa conception robuste fait du DS2500 Analyzer un appareil insensible à la poussière, à l'humidité, aux vibrations ainsi qu'aux variations de température, et donc particulièrement adapté aux rudes conditions d'un environnement de production.Le DS2500 couvre l'ensemble de la gamme spectrale de 400 à 2 500 nm et fournit des résultats exacts et reproductibles en moins d'une minute. Le DS2500 Analyzer répond aux exigences de l'industrie pharmaceutique et représente une aide précieuse pour les opérations de routine quotidiennes grâce à sa simplicité d'utilisation.Grâce à des accessoires parfaitement adaptés à l'appareil, il atteint des performances sans précédent avec tous les types d'échantillons, quel que soit le défi qu'ils opposent (matières solides à gros grains comme les granulats ou échantillons semi-solides ou liquides telles les crèmes). La productivité lors de mesures de matières solides peut encore être augmentée par l'utilisation du MultiSample Cup, lequel permet des mesures automatisées en série jusqu'à un maximum de 9 échantillons. 

DS2500 Slurry Cup

DS2500 Slurry Cup

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Le récipient d’échantillon Slurry Cup est idéal pour l'analyse de substances de haute viscosité avec le DS2500. Le positionnement des pâtes et des crèmes dans le Slurry Cup est très simple grâce à sa conception ouverte, il permet également un nettoyage rapide et efficace.En association avec le Liquid Kit (6.7400.010), des échantillons clairs et visqueux peuvent également être examinés.

Kit de transflexion NIRS pour échantillons liquides

Kit de transflexion NIRS pour échantillons liquides

6.7400.010

Le kit de transflexion NIRS Liquid Sample ajoute aux appareils suivants la fonctionnalité de mesure des liquides par transflexion :NIRS DS2500 Analyzer (numéro de commande : 2.922.0010); NIRS XDS MasterLab Analyzer (numéro de commande : 2.921.1310); NIRS XDS MultiVial Analyzer (numéro de commande : 2.921.1120); NIRS XDS RapidContent Analyzer (numéro de commande : 2.921.1110); NIRS XDS RapidContent Analyzer – Solids (numéro de commande : 2.921.1210);  

Vision Air 2.0 Complete

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Vision Air - logiciel universel de spectroscopie. Vision Air Complete est une solution logicielle moderne et simple d'utilisation pour une application dans un environnement réglementé.Aperçu des avantages de Vision Air : Des applications logicielles individuelles avec interface utilisateur adaptée sont le garant d'un maniement intuitif et simple; Établissement et suivi simples des procédures de travail; Base de données SQL pour une gestion sûre et simple des données; La version Vision Air Complete (66072208) comprend toutes les applications d'assurance qualité par spectroscopie Vis-NIR : Application de gestion des instruments et des données; Application de développement de méthodes; Application d'analyse de routine; Autres solutions Vision Air Complete : 66072207 (Vision Air Network Complete); 66072209 (Vision Air Pharma Complete); 66072210 (Vision Air Pharma Network Complete);  

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