İstenen sayfanın yerel versiyonuna yönlendirildiniz
NIRS ile mürekkep ve boyaların kalite kontrolü ve ürün incelemesi

NIRS ile mürekkep ve boyaların kalite kontrolü ve ürün incelemesi

27 Kas 2023

Ürün

Mürekkep ve boya ile günlük yaşamda sürekli olarak karşılaşılmaktadır. Bu malzemeler; yazma ve baskı işlemlerinde, çevresel etkilere karşı koruma sağlamada, estetik amaçlarla ve daha birçok uygulamada kullanılmaktadır. Tarihsel kayıtlarımızın önemli bir bölümü bu maddeler sayesinde günümüze ulaşabilmiştir. Peki boyalar ve mürekkepler nasıl üretilmektedir ve hangi kalite kontrol (KK) adımları uygulanmaktadır? Bu blog makalesinde, sektörün kısa bir tarihçesi, üretim süreci ve yakın kızılötesi spektroskopisinin (NIRS) çok parametreli bir kalite kontrol çözümü olarak nasıl kullanılabildiği ele alınmaktadır.

Boya ve mürekkep arasındaki fark nedir?

Boya, sıvı veya macun halinde uygulanan ve kuruduktan sonra katı bir kaplama oluşturan bir maddedir. Bu kaplama, uygulandığı nesneyi veya yüzeyi korumakta ve/veya renklendirmektedir.

Mürekkep ise yazma, baskı ve benzeri uygulamalarda kullanılan, pigment veya boya bazlı bir sıvıdır.

Mürekkep ve boyanın kökeni ve kısa tarihçesi

Mürekkep ve boyanın kökenleri ile tarihsel gelişimi aşağıda özetlenmektedir.

Boya neyden yapılır?

Boyalar tipik olarak pigment, reçine, çözücü ve katkı maddelerinden oluşmaktadır.

Pigmentler renk vermek ve parlaklık seviyesini kontrol etmek amacıyla kullanılmaktadır. Düşük pigment hacim konsantrasyonu (PVC) parlak bir yüzey oluştururken, yüksek PVC mat bir görünüm sağlamaktadır.

Reçine, pigment parçacıklarını bir arada tutan bağlayıcı bileşendir ve boyanın yüzeye yapışmasını sağlamaktadır.

Çözücü, pigmentler ve reçine için taşıyıcı görevi görmektedir. Organik veya su bazlı olabilmektedir.

Katkı maddeleri; sürme kolaylığı, küf direnci, çizilme direnci, kuruma performansı ve sarkma direnci gibi özellikleri geliştirmek amacıyla kullanılmaktadır.

Boya nasıl üretilmektedir?

Boya üretim süreci dört temel aşamaya ayrılabilir. İlk olarak, macun hazırlanır (Şekil 1); ardından pigmentler, homojenlik sağlamak amacıyla öğütülür ve dağıtılır (Şekil 2). Üçüncü aşamada, macun inceltilir (Şekil 3) ve son olarak nihai ürün ambalajlanır (Şekil 4).

Ancak farklı hammaddeler üretim sürecinin uyarlanmasını gerektirebilmektedir ve burada gösterilen süreç genel bir örnek niteliğindedir. Kaplamalar parti üretim yöntemiyle üretilmekte ve kaliteyi güvence altına almak amacıyla tüm üretim süreci boyunca sıkı testler uygulanmaktadır.

The first step in paint production is making the paste by mixing pigments, additives, binder, and solvents.
Şekil 1. Boya üretiminin ilk aşamasında pigmentler, katkı maddeleri, bağlayıcı ve çözücüler karıştırılarak macun hazırlanmaktadır.
The second step in paint production is milling and dispersing pigments in the paste.
Şekil 2. Boya üretiminin ikinci aşamasında pigmentler macun içerisinde öğütülmekte ve disperse edilmektedir.
The third step in paint production is where the paste is thinned out with solvents, binder, and additional pigments.
Şekil 3. Üçüncü aşamada macun; çözücüler, bağlayıcılar ve ilave pigmentler ile inceltilmektedir.
The final step in paint production is packaging the final product once it has been filtered.
Şekil 4. Son aşamada filtrelenen nihai ürün ambalajlanmaktadır.

Mürekkep ve boyada kalite kontrol ve ürün taraması

Mürekkep ve boya üretiminin tüm aşamalarında kalite kontrol (KK), yakın kızılötesi (NIR) spektroskopisi kullanılarak kolaylıkla gerçekleştirilebilmektedir. NIRS kullanımı, kalite kontrol ve ürün taraması açısından diğer analitik yöntemlere göre daha verimli ve daha maliyet etkin bir yaklaşım sunmaktadır.

Bu blog makalesinin devamında NIR spektroskopisinin temel prensipleri ve mürekkep ile boya endüstrisindeki uygulamaları ele alınmaktadır. Ayrıca mürekkep ve boya üreticilerinin yüksek kaliteli ürünler geliştirmek amacıyla güvence ve kalite kontrol süreçlerinde NIRS cihazlarından nasıl faydalanabileceği örneklerle açıklanmaktadır.

NIR spektroskopisi nasıl çalışır?

NIR spektroskopisi, ışık ve madde arasındaki etkileşimi kullanarak bir numunenin kimyasal ve fiziksel parametrelerini belirleyen analitik bir tekniktir. Bu yöntemde ışık, uygulanan enerji yerine dalga boyu veya dalga sayısı cinsinden ifade edilmektedir. Bu etkileşim örneğin Metrohm DS2500 Liquid Analyzer (Şekil 5a) ile ölçülebilmekte ve sonuç olarak NIR spektrumları elde edilmektedir (Şekil 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.
Şekil 5. a) Metrohm NIRS DS2500 Liquid Analyzer. b) Beş farklı boya kurutucu numunesinde NIR ışığı ile etkileşim sonucu elde edilen spektrum örneği.

NIRS belirli moleküler fonksiyonel grupların varlığına karşı oldukça hassas olduğundan birçok kimyasal parametrenin tayini için ideal bir tekniktir. Uçucu olmayan madde miktarı, uçucu organik bileşikler, boya içeriği, yüzey aktif madde içeriği ve nem miktarı aynı anda ölçülebilmektedir. Yoğunluk ve viskozite gibi fiziksel parametrelerin belirlenmesi de mümkündür.

Tek bir NIR spektrumu tüm bu bilgileri içerdiğinden yakın kızılötesi spektroskopisi hızlı çok parametreli analizler için son derece uygun bir yöntemdir.

NIRS ölçüm modunun seçimi

NIRS ölçüm modu, analiz edilecek numunenin tipine bağlı olarak belirlenmektedir.

Sıvı numunelerin analizinde transmisyon (iletim) modu kullanılmaktadır (Şekil 6). Bu modda NIR ışığı numune içerisinden geçerken kısmen absorplanmakta, absorplanmayan ışık ise doğrudan dedektöre ulaşmaktadır.

a) Sıvıların ölçümleri genellikle tek kullanımlık viallerle yapılır. b) NIRS ölçüm modu, ışığın numune içinden geçerken absorbe edildiği “transmisyon” olarak bilinir (şekilde soldan sağa doğru).
Şekil 6. a) Sıvıların ölçümleri genellikle tek kullanımlık viallerle yapılır. b) NIRS ölçüm modu, ışığın numune içinden geçerken absorbe edildiği “transmisyon” olarak bilinir (şekilde soldan sağa doğru).

 Macunları analiz ederken, transfleksiyon modu tercih edilir (Şekil 7). Burada, dağınık yansıtıcı olarak altın bir damga kullanılmaktadır. Bu durumda, NIR ışığı macun numunesinden geçerken emilir ve altın damga tarafından yansıtılır. Yansıtılan NIR ışığı numune tarafından tekrar emilir ve sonunda dedektöre ulaşır.

a) Macunların ölçümü genellikle bir bulamaç kabında, saçılma reflektörü olarak altın mühür kullanılarak yapılır. b) Bu ölçüm modu “transfleksiyon” olarak bilinir; bu modda ışık numunenin içinden geçer, saçılma reflektöründe yansır ve yeniden numunenin içinden geçerken absorbe edilir.
Şekil 7. a) Macunların ölçümü genellikle bir bulamaç kabında, saçılma reflektörü olarak altın mühür kullanılarak yapılır. b) Bu ölçüm modu “transfleksiyon” olarak bilinir; bu modda ışık numunenin içinden geçer, saçılma reflektöründe yansır ve yeniden numunenin içinden geçerken absorbe edilir.

Kalite kontrol ve hızlı analiz amaçlı NIRS kullanımının avantajları

Yakın kızılötesi spektroskopi, özellikle kalite kontrol ve tarama söz konusu olduğunda diğer analitik tekniklere kıyasla birçok avantaja sahiptir.

NIRS hızlıdır ve bir dakikadan daha kısa sürede sonuç vermektedir. Numune hazırlığı gerekmediğinden daha da fazla zaman tasarrufu sağlanır. Ölçümler tahribatsızdır, bu sayede numuneler yeniden kullanılabilmektedir. Analiz için NIR spektroskopisi kullanılırken herhangi bir reaktif gerekmez. Bu durum, numune başına maliyeti düşürmekle kalmaz, aynı zamanda bu tekniği çevre dostu hale getirilmesini sağlamaktadır.

ASTM E1655:  Kızılötesi Çok Değişkenli Kantitatif Analiz için Standart Uygulamalar gibi uluslararası standartlara da uygundur; bu da endüstrilerin bu teknolojiyi benimsemesini kolaylaştırmaktadır. Son olarak, NIRS kullanımı kolaydır ve diğer daha karmaşık analitik tekniklerin aksine teknik bilgi sahibi olmayan personel tarafından da çalıştırılabilir.

Mürekkep ve boya üretimi için kalite kontrol ve tarama parametreleri

Mürekkep ve boya ürünleri, kimyasal ve fiziksel özelliklerinin belirlenmesi amacıyla çeşitli standart test yöntemlerine tabi tutulmaktadır. Bu tür laboratuvar testleri, araştırma ve geliştirme ile kalite kontrolünün vazgeçilmez bir parçasıdır. Tablo 1’de, mürekkep ve boyaların kalite kontrolü ve elemesi için en önemli test parametreleri listelenmiştir.

Aşağıdaki bölümlerde, NIRS’in aynı numuneden bu parametrelerin birçoğunu aynı anda analiz etme yeteneğini gösteren uygulama örnekleri yer almaktadır.

Tablo 1. Mürekkep ve boya için çeşitli kalite kontrol ve ürün tarama parametreleri ile bu parametrelerin analizinde kullanılan tipik yöntemler.


Parametre
Geleneksel analiz yöntemi
İçsel, kinematik viskoziteViskozimetri
NemKarl Fischer titrasyonu
Yüzey aktif madde içeriğiTitrasyon
Kalıcı madde içeriği / Katı madde içeriği Kurutma kaybı (LOD)
Boya içeriği / Pigment içeriğiKülleştirme
Uçucu organik bileşikler (VOC)Çeşitli ıslak kimyasal yöntemler
Ambalaj boyasındaki katkı maddeleri ve balmumuHPLC ve GC

Uygulama örneği: NIRS ile mürekkebin kalite kontrolü

Mürekkep üretimi sırasında kalite kontrol testleri yapılırken, ölçülen tipik parametreler boya, dietilen glikol (DEG), yüzey aktif madde ve su içeriğidir. Boya (örneğin, trifenilmetan/fenazin veya azo boyaları) mürekkebe rengini vermektedir. Dietilen glikol, çözücü olarak kullanılır ve mürekkebin kurumasını önlemektedir. Yüzey aktif maddeler ise kıvamı kontrol eder ve mürekkebin köpürmesini önler.

Bu parametreler genellikle külleme, titrasyon ve Karl Fischer titrasyonu gibi çeşitli analitik teknikler kullanılarak izlenir. Numune hazırlığı zaman alıcıdır ve birden fazla belirleme yönteminin kullanılması zahmetlidir. NIRS kullanılarak mürekkeple ilgili çeşitli kalite kontrol parametreleri aynı anda ölçülebilir ve sonuçlar bir dakikadan daha kısa sürede elde edilebilir. 

Çeşitli mürekkep numunelerine ait NIR spektrumları Şekil 8’de, boya içeriğinin tahminine ilişkin korelasyon diyagramı ise Şekil 9’da gösterilmiştir. Mürekkepteki boya, DEG, yüzey aktif madde ve su içeriğinin NIRS ile tahminine ilişkin performans göstergeleri Tablo 2’de verilmiştir.

Selection of Vis-NIR spectra from ink samples measured on a Metrohm NIRS DS2500 Analyzer in transflection mode. The inlay shows how the spectra differ with varying dye content.
Şekil 8. NIRS DS2500 Analyzer üzerinde transfleksiyon modunda ölçülen mürekkep numunelerinden elde edilen Vis-NIR spektrumlarının bir seçkisi. Ek resim, boya içeriğinin değişmesiyle spektrumların nasıl farklılaştığını göstermektedir.
Correlation diagram for the prediction of dye content in ink using a Metrohm NIRS DS2500 Analyzer.
Şekil 9. NIRS DS2500 Analyzer kullanılarak mürekkepteki boya içeriğinin tahminine yönelik korelasyon diyagramı.

Tablo 2. Metrohm NIRS DS2500 Analiz Cihazı kullanılarak mürekkep numunelerinde çeşitli kalite kontrol parametreleri için belirlenen performans değerleri.

 

Performans göstergeleri

Boya içeriğiDEG içeriğiSu içeriğiSürfaktan içeriği
R20.9960.9930.9910.977
Kalibrasyonun Standart Hatası (SEC)0.0835%0.5037%0.5571%0.0368%
Çapraz Doğrulamanın Standart Hatası (SECV)0.0949%0.5888%0.9614%0.1316%

Uygulama örneği: NIRS ile boya kurutucularının kalite kontrolü

Boya kurutucuları, boyaların kuruma süresini kısaltır ve kaplamanın parlaklığını ve berraklığını etkilermektedir. Bu durumda, önem arz eden başlıca kalite kontrol parametreleri metal içeriği, katı madde içeriği, viskozite ve özgül ağırlıktır.

Bu parametrelere ilişkin tüm referans test prosedürleri, ASTM prosedürlerinde (ASTM D2373, ASTM D1644, ASTM D5125, ve ASTM D2196.) belirtilmiştir. Her bir standart, ölçüm için farklı analitik cihazlar kullanır: teraziler ve fırınlar, titratörler, hidrometreler ve viskozimetreler. Buna karşın, tüm bu parametreleri aynı anda ölçmek için NIRS teknolojisinin kullanılması, önemli ölçüde zaman tasarrufu sağlar ve analiz başına maliyetleri düşürmektedir.

Selection of Vis-NIR spectra from paint drier samples measured on a Metrohm NIRS DS2500 Liquid Analyzer in transmission mode. The spectra differ with varying cobalt content.
Şekil 10. Metrohm NIRS DS2500 Liquid Analyzer ile geçirgenlik modunda ölçülen boya kurutucu numunelerinden elde edilen Vis-NIR spektrumlarının bir seçkisi. Spektrumlar, kobalt içeriğinin değişmesine bağlı olarak farklılık göstermektedir.
Correlation diagram for the prediction of cobalt content in paint driers using a Metrohm NIRS DS2500 Liquid Analyzer.
Şekil 11. Metrohm NIRS DS2500 Liquid Analyzer kullanılarak boya kurutucularındaki kobalt içeriğinin tahminine yönelik korelasyon diyagramı.

Tablo 3. Metrohm NIRS DS2500 Liquid Analyzer kullanılarak boya kurutucu numunelerinde ölçülen çeşitli kalite kontrol parametrelerine ilişkin performans değerleri.

Performans göstergeleriKobalt içeriği*Katı madde içeriğiÖzgül ağırlıkViskozite
R20.9990.9990.9770.999
SEC0.08%0.24%0.003%9.3 MPa
SECV0.09%0.29%0.003%10.9 MPa
*Kobalt ölçümünde en iyi sonuçların elde edildiği spektral aralık, görünür ışık bölgesindeydi (400–800 nm, bkz. Şekil 9).

Özet

NIRS, hammaddelerden bitmiş ürünlere kadar tüm üretim zinciri boyunca mürekkep ve boyaların kalite kontrolü ve taraması için mükemmel bir seçimdir. Diğer analitik tekniklere kıyasla sağladığı avantajlar göz ardı edilemez. Tek bir numune üzerinde çok parametreli analiz yapabilme ve sonuçları bir dakikadan daha kısa sürede elde etme özelliği, inanılmaz ölçüde zaman ve maliyet tasarrufu sağlar.

Geleneksel laboratuvar teknikleri genellikle analizlerin gerçekleştirilmesi için numunenin ön hazırlığı veya kimyasalların kullanılması ve uzman personele ihtiyaç duymaktadır. Her parametre farklı bir cihazda ölçülür ve bu nedenle sonuçların elde edilmesi çok daha uzun sürer.

KK laboratuvarında verimliliği artırın: NIRS maliyetleri %90'a kadar nasıl azaltmaktadır?

İndirmek için tıklayın

Kalite kontrol süreçlerinin yeterince önemsenmemesi, iç ve dış kaynaklı ürün başarısızlıklarına yol açan temel faktörlerden biri olarak kabul edilmektedir. Bu durumun, ciroda %10 ile %30 arasında kayıplara neden olduğu bildirilmektedir. Bu nedenle üreticileri desteklemek amacıyla birçok farklı standart ve norm uygulanmaktadır. Ancak sonuç alma süresi ve kimyasallarla ilişkili maliyetler oldukça yüksek olabilmektedir. Bu durum, birçok şirketin kalite kontrol süreçlerinde yakın kızılötesi spektroskopisini uygulamaya almasına neden olmaktadır. Bu White Paper yayını, NIRS'in potansiyelini ortaya koymakta ve %90'a varan maliyet tasarrufu fırsatlarını göstermektedir.

Yazar
Guns

Wim Guns

Uluslararası Satış Destek - Spektroskopi
Metrohm Turkey Ölçü Aletleri Tic. ve Serv. Hiz. A.Ş.

İletişim

Lanciki

Dr. Alyson Lanciki

Bilimsel Editör
Metrohm Turkey Ölçü Aletleri Tic. ve Serv. Hiz. A.Ş.

İletişim