Lean manufacturing of polyurethane, assisted by near-infrared (NIR) and Raman spectroscopy

Význam tématu

Polyurethany jsou klíčovým materiálem pro řadu aplikací od nábytku až po stavebnictví a automobilový průmysl. Jejich výroba je nákladná a energeticky náročná s významným ekologickým dopadem. Implementace metod vibrační spektroskopie, zejména NIR a Ramanovy spektroskopie, umožňuje průběžné řízení výroby, optimalizovat používání surovin, snížit energetickou náročnost a množství odpadů, čímž podporuje zásady štíhlé výroby (lean manufacturing).

Cíle a přehled studie / článku

Cílem tohoto dokumentu je představit možnosti využití NIR a Raman spektroskopie ve výrobních procesech polyuretanů. Shrnuje aplikace těchto technik při výrobě polyolů a izokyanátů, monitoringu reakcí, kontrole kvality surovin, meziproduktů i finálních produktů a dopady na efektivitu a udržitelnost výroby.

Použitá metodika a instrumentace

• NIR spektroskopie: offline (benchtop) i online (ATEX certifikované sondy) pro stanovení vlhkosti, hydroxylových a kyselinových čísel, obsahu izokyanátové skupiny, složení směsí, barvy a dalších parametrů.
• Ramanova spektroskopie: přenosné analyzátory pro rychlou identifikaci surovin (TDI, MDI aj.) přímo na paletách či v cisternách bez odběru vzorku.

Hlavní výsledky a diskuse

• Online NIR monitoring vlhkosti během výroby polyetherpolyolů dosahuje citlivosti kolem 10 ppm, zkracuje dobu analýzy z hodin na minuty a umožňuje včasné zásahy do procesu.
• Sledování chemického složení kyselých směsí (HNO₃, H₂SO₄, HCl) v reálném čase eliminuje nebezpečné odběry a snižuje spotřebu laboratorních činidel.
• Optimalizace destilačních a neutralizačních kroků při výrobě MDI a TDI pomocí NIR spektroskopie zvyšuje výtěžnost, kvalitu a výrazně snižuje energetickou náročnost.
• Ruční Raman analýza pro přejímku surovin minimalizuje čekací doby, snižuje riziko záměny materiálů a podporuje just-in-time logistiku.

Přínosy a praktické využití metody

• Výrazné snížení množství produkovaných odpadů, spotřeby chemikálií a energie.
• Rychlá kontrola kvality surovin, meziproduktů i finálních produktů bez časově náročné přípravy vzorků.
• Podpora štíhlé výroby eliminací časových prodlev, nadprodukce a dalších druhů plýtvání (muda).
• Jednoduché školení obsluhy, celková doba analýzy do 1 minuty.

Budoucí trendy a možnosti využití

Očekává se další integrace spektrální analýzy s pokročilou automatizací a umělou inteligencí pro prediktivní řízení procesů. Rozšíření inline monitoringu na další polymerní systémy, kombinace s datovou analýzou (chemometrie) a digitálními dvojčaty zvýší přesnost a udržitelnost výroby.

Závěr

NIR a Raman spektroskopie představují účinné nástroje pro dosažení vyšší efektivity, kvality a udržitelnosti ve výrobě polyuretanů. Real-time monitoring i precizní kontrola kvality přináší významné úspory nákladů a redukci ekologické zátěže, čímž podporují moderní principy lean manufacturing.

Reference

• [1] Ullmann's Polymers and Plastics: Products and Processes, Wiley VCH, 2016.
• [2] Statista, Market size forecast of polyurethane worldwide from 2016 to 2021 (in million tons), 2018.
• [3] Grand View Research, Polyurethane (PU) Market Analysis By Product (Rigid Foam, Flexible Foam...), 2017.
• [4] Metrohm Application Note NIR-007, Near-infrared analysis of polyols: process monitoring in rough environments.
• [5] Metrohm Application Note NIR-006, Near-infrared analysis of polyols, AN-NIR-006.
• [6] Metrohm Application Note NIR-035, Hydroxyl number in liquid polyols using Vis-NIR spectroscopy.
• [7] ASTM D6342-12(2017), Standard Practice for Polyurethane Raw Materials: Determining Hydroxyl Number of Polyols by NIR Spectroscopy.
• [8] ISO 15063:2011, Plastics - Polyols for use in the production of polyurethanes - Determination of hydroxyl number by NIR spectroscopy.
• [9] D. Randall, S. Lee, The Polyurethanes Book, Wiley VCH, 2003.
• [10] Metrohm Application Note RS-001, Identifying polymers with Raman spectroscopy.
• [11] Metrohm Application Note RS-007, Identification of various polymer master batches.
• [12] Metrohm Application Note RS-008, Identification of monomers with Raman spectroscopy.
• [13] Metrohm Application Bulletin AB-414, Polymer analyses using near-infrared spectroscopy.
• [14] Metrohm Process Application Note AN-PAN-1041, Inline monitoring of free isocyanate (%NCO) content in polyurethane.
• [15] M. Holweg, «The genealogy of lean production». Journal of Operations Management, 25(2), 420–437, 2007.