DE10005130A1 - Control of polymerization, comprising measuring near OH, NH, COOH, NCO and/or epoxide IR absorption bands using device connected to spectrometer by glass fiber cable - Google Patents
Control of polymerization, comprising measuring near OH, NH, COOH, NCO and/or epoxide IR absorption bands using device connected to spectrometer by glass fiber cableInfo
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Abstract
Description
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Kontrolle von Polymerisations reaktionen, bei welchem über eine Messung von Infrarot-Absorptionsbanden eine Bestimmung chemisch funktioneller Gruppen erfolgt, sowie eine Vorrichtung zur Durchführung dieses Verfahrens.The present invention relates to a method for controlling polymerization reactions in which a measurement of infrared absorption bands Determination of chemically functional groups takes place, as well as a device for Performing this procedure.
Die chemischen Prozesse bei der Herstellung von Polymeren, insbesondere solchen für den Einsatz in Lacken, Klebstoffen und dergleichen, werden in der Regel durch die Messung spezifischer Kennzahlen kontrolliert. Insbesondere wird bei Polyadditionsreaktionen oder Polykondensationsreaktionen der Fortschritt des Polymerisationsgrades durch Bestimmung des Gehaltes an funktionellen Gruppen gemessen. So erfolgt zum Beispiel bei der Herstellung von Polyestern aus Di-/Triol- und Di-Tricarbonsäuren die Messung der Säurezahl oder bei Polyadditionen wie der Polyurethanharzherstellung die Messung des NCO-Gehaltes.The chemical processes in the manufacture of polymers, especially those for the use in paints, adhesives and the like are usually by the Controlled measurement of specific indicators. In particular, at Polyaddition reactions or polycondensation reactions the progress of Degree of polymerization by determining the content of functional groups measured. For example, in the manufacture of polyesters from di- / triol- and Di-tricarboxylic acids measure the acid number or with polyadditions like that Polyurethane resin production the measurement of the NCO content.
Diese Methoden haben bei Produktionsprozessen den Nachteil, daß die Kennzahlen im Betriebslabor bestimmt werden müssen. Dazu wird im allgemeinen eine Probe der Reaktionsmasse aus dem Reaktor gezogen, ins Betriebslabor gebracht, dort entsprechend den Vorschriften zur Bestimmung der Kennzahlen präpariert und dann nasschemisch durch Titration auf ihren Gehalt an funktionellen Gruppen vermessen. Bei diesem Verfahren können beim Probentransport und bei der Probenpräparation Fehler auftreten. 50 werden Polyurethanharze im allgemeinen durch Polyaddition von Diisocyanaten mit Diolen in Lösemitteln, zum Beispiel Methylethylketon oder Azeton, bei Temperaturen von 60° bis 100°C hergestellt. Durch den Transport und die Probenpräparation kann es zu Lösemittelverlusten zum Beispiel durch Verdunsten kommen, so daß die Bestimmung der funktionellen Gruppen sich nicht mehr auf das Originalmaterial aus dem Reaktor, sondern auf im Polymergehalt verändertes Material bezieht. Nachteilig ist ferner, daß man je nach Dauer der Gehaltsbestimmung den Wert erst typischerweise 15 bis 25 min nach der Probennahme erhält, so daß nur ein zeitlich versetzter Wert ermittelt wird und keine Echtzeit-Bestimmung erfolgt. Werden Polykondensations- oder Polyadditionsreaktionen bis zu einem eng definierten Zielfenster des Polymerisationsgrades geführt, so kann durch die Dauer der titrimetrischen Bestimmung das Zielfenster bereits im Reaktor überschritten sein, ohne daß die Bedienungsmannschaft davon Kenntnis hat.These methods have the disadvantage in production processes that the key figures in Operating laboratory must be determined. A sample of the Reaction mass pulled out of the reactor, brought to the operating laboratory, there accordingly prepared the regulations for determining the key figures and then wet-chemical measured for their content of functional groups by titration. With this Procedures can occur during sample transport and sample preparation. 50 polyurethane resins are generally by polyaddition of diisocyanates Diols in solvents, for example methyl ethyl ketone or acetone, at temperatures of 60 ° to 100 ° C. Due to the transport and sample preparation it can be too Solvent losses, for example due to evaporation, so that the determination of functional groups no longer refer to the original material from the reactor, but relates to material modified in polymer content. Another disadvantage is that depending on Duration of the salary determination of the value typically 15 to 25 min after the Sampling received so that only a staggered value is determined and none Real-time determination takes place. Are polycondensation or polyaddition reactions led to a narrowly defined target window of the degree of polymerization, can by the duration of the titrimetric determination already exceeded the target window in the reactor without the operator being aware of it.
Die EP 0 694 781 A1 offenbart ein Verfahren, mit welchem die genannten Probleme durch eine Online-Messung vermieden werden sollen. Dabei wird die flüssige Reaktionsmasse in einem Bypass durch eine Messzelle geleitet, welche einen ATR-Kristall (ATR = Abgeschwächte Total Reflexion) enthält. Dabei werden nach der Methode der abgeschwächten Totalreflexion die Absorptionsbanden der für die Reaktion typischen funktionellen Gruppen gemessen und anhand der Änderungen dieser Banden wird der Reaktionsfortschritt bestimmt. Die Messung erfolgt im Bereich des mittleren Infrarot (MIR), also bei einer Wellenlänge von 600 bis 4000 cm. Nachteilig bei dem dort offenbarten Verfahren ist, daß die Reaktionsmasse durch einen Bypass gefördert werden muss, was einen zusätzlichen konstruktiven Aufwand bei der Auslegung des Reaktors bedeutet und die Gefahr beinhaltet, daß eine für das Reaktionsgemisch im Reaktor untypische Teilmenge vermessen wird. Weiterhin besteht das Risiko, daß der Bypass verstopft und daß die Messzelle mit Produkt aus vorhergegangenen Chargen kontaminiert wird. Durch die sehr kurze Eindringtiefe der Lichtstrahlen bei der ATR besteht die Gefahr, daß die Messung vornehmlich in einer am ATR-Kristall anhaftenden Flüssigkeitsschicht erfolgt, welche nicht mit der notwendigen Rate ausgetauscht wird. Weiterhin ist nachteilig, daß die Lichtstrahlen des mittleren Infrarotbereichs nur über kurze Wegstrecken zwischen Messzelle und Spektrometer geleitet werden können, so daß bei Einsatz des Verfahrens in Produktionsbetrieben sehr teure explosionsgeschützte Apparate verwendet werden müssen.EP 0 694 781 A1 discloses a method by which the problems mentioned are solved an online measurement should be avoided. The liquid reaction mass is in a bypass through a measuring cell which contains an ATR crystal (ATR = Attenuated total reflection). According to the method of attenuated total reflection the absorption bands of the typical for the reaction functional groups measured and based on the changes in these bands the Reaction progress determined. The measurement takes place in the middle infrared range (MIR), i.e. at a wavelength of 600 to 4000 cm. The disadvantage of that there The disclosed method is that the reaction mass is conveyed through a bypass must what an additional constructive effort in the design of the reactor means and involves the risk that one for the reaction mixture in the reactor atypical subset is measured. There is also a risk that the bypass clogged and that the measuring cell is contaminated with product from previous batches becomes. Due to the very short penetration depth of the light rays at the ATR, there is a risk of that the measurement is primarily in a liquid layer adhering to the ATR crystal which is not exchanged at the necessary rate. Another disadvantage is that the light rays of the middle infrared range only over short distances between Measuring cell and spectrometer can be directed so that when using the method in Production companies must use very expensive explosion-proof equipment.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung war es, die Nachteile des Standes der Technik zu vermeiden und ein Verfahren zur Kontrolle von Polymerisationsreaktionen bereit zu stellen, welches die Kontrolle ohne Zeitverzögerung erlaubt und darüber hinaus günstig hinsichtlich der Investitions- und Betriebskosten ist.The object of the present invention was to overcome the disadvantages of the prior art avoid and a process to control polymerization reactions ready which allows control without delay and is also inexpensive in terms of investment and operating costs.
Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren gelöst, bei welchem die Messung von Infrarot- Absorprionsbanden im Bereich des nahen Infrarot (NIR) vorgenommen wird und im wesentlichen erste und zweite Oberschwingungen von OH-, NH-, COOH-, NCO- und/oder Epoxid-Gruppen erfasst, bei welchem ferner die Messwerte durch Vergleich mit Kalibrierungsdatensätzen ausgewertet werden und bei welchem die Messsonde unmittelbar im Reaktor angeordnet und über Glasfaserkabel mit einem Spektrometer verbunden wird. This object is achieved by a method in which the measurement of infrared Absorption bands in the near infrared (NIR) range is made and in essential first and second harmonics of OH, NH, COOH, NCO and / or Epoxy groups recorded, in which the measured values by comparison with Calibration data sets are evaluated and in which the measuring probe immediately arranged in the reactor and connected to a spectrometer via fiber optic cables.
Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren können Polymerisationsreaktionen spektroskopisch online vermessen und beobachtet werden, und mit Hilfe von zuvor ermittelten Kalibrierungsdaten kann eine Echtzeitbestimmung von funktionellen Gruppen in der Polymermasse erfolgen. Eine Probenentnahme ist dabei nicht mehr erforderlich. Durch die Wahl von Licht aus dem nahen Infrarotbereich (ca. 4000 cm-1 bis ca. 14000 cm- 1) kann die Übertragung des Lichtes mittels geeigneter Glasfaserkabel auch über längere Wegstrecken (bis zu 200 m) erfolgen, so daß die Messsonde und das Spektrometer zur Auswertung getrennt voneinander aufgestellt werden können. Dabei ist es insbesondere möglich, daß sich die Sonde mit den zugehörigen Glasfaser-Anschlüssen im explosionsgefährdeten Bereich der Produktionsanlage befindet, während das Spektrometer getrennt hiervon in einem separaten Labor oder Messraum steht. Es ist daher nicht erforderlich, einen kostenintensiven Aufwand für den Explosionsschutz des Spektrometers zu betreiben. Vielmehr können hierfür marktübliche Geräte eingesetzt werden. Darüber hinaus ist es von Vorteil, daß das Spektrometer dort aufgestellt werden kann, wo ausreichend Platz vorhanden ist und wo optimale Arbeitsbedingungen für das Betriebsperson herrschen.With the method according to the invention, polymerization reactions can be measured and observed spectroscopically online, and with the aid of previously determined calibration data, real-time determination of functional groups in the polymer mass can take place. Sampling is no longer necessary. By choosing light from the near infrared range (approx. 4000 cm -1 to approx. 14000 cm - 1 ), the light can be transmitted over longer distances (up to 200 m) using suitable glass fiber cables, so that the measuring probe and the Spectrometers for evaluation can be set up separately. It is in particular possible that the probe with the associated glass fiber connections is located in the potentially explosive area of the production system, while the spectrometer is separate from it in a separate laboratory or measuring room. It is therefore not necessary to carry out a cost-intensive effort for the explosion protection of the spectrometer. Rather, standard devices can be used for this. In addition, it is advantageous that the spectrometer can be set up where there is sufficient space and where there are optimal working conditions for the operator.
Mit der Infrarot-Spektroskopie können die Eigenfrequenzen von Molekülschwingungen
gemessen werden, insbesondere die Schwingungen funktioneller Gruppen gegenüber dem
Restmolekül. Aus quantenmechanischen Gründen kann dabei die Schwingungsenergie
eines Moleküls nur diskrete Werte annehmen, welche sich zum Beispiel bei einem
zwelatomigen Molekül unter Zugrundelegung des Modells eines anharmonischen
Oszillators näherungsweise durch die Formel
Infrared spectroscopy can be used to measure the natural frequencies of molecular vibrations, especially the vibrations of functional groups compared to the rest of the molecule. For quantum mechanical reasons, the vibrational energy of a molecule can only assume discrete values, which, for example in the case of a twelve-atom molecule, can be approximated by the formula based on the model of an anharmonic oscillator
E (n) = hν (n + ½) - h2/4D (n + ½)2
E (n) = hν (n + ½) - h 2 / 4D (n + ½) 2
(h = Plancksches Wirkungsquantum, ν = 1/T = Frequenz, D = Federkonstante,
n = 0, 1, 2, . . . Quantenzahl)
beschreiben lässt. Grundschwingungen eines Moleküls betreffen dabei Übergänge
zwischen den Quantenzahlen n = 0 und n = 1, in welchen der höchste Besetzungsgrad
vorliegt. Dagegen werden Übergänge von n = 0 auf höhere Energieniveaus n < 1 als
"Oberschwingungen" bezeichnet, die nur beim anharmonischen Oszillator auftreten. Dabei
sind auch Änderungen der Quantenzahl n um ±2, ±3, . . . erlaubt. Bei einer Messung im
NIR-Bereich werden im Gegensatz zu einer Messung im mittleren Infrarotbereich (MIR)
nahezu ausschließlich die Oberschwingungen erfasst. Die Absorptionsbanden weisen im
NIR-Bereich eine geringere Intensität auf als im MIR. Dies hat den Vorteil, daß die
Schichtdicke der zu untersuchenden Probe auf ein leichter handhabbares Maß von
typischerweise 1 bis 10 mm vergrößert werden kann, was den Einsatz von NIR-Sonden
vereinfacht. Weiterhin wird hierdurch eher die Repräsentativität des Messergebnisses
gewährleistet.(h = Planck's quantum of action, ν = 1 / T = frequency, D = spring constant, n = 0, 1, 2, ... quantum number)
can be described. The fundamental vibrations of a molecule relate to transitions between the quantum numbers n = 0 and n = 1, in which the highest degree of occupation is present. In contrast, transitions from n = 0 to higher energy levels n <1 are referred to as "harmonics" which only occur with the anharmonic oscillator. Changes in the quantum number n by ± 2, ± 3,. , , allowed. In contrast to a measurement in the medium infrared range (MIR), measurements in the NIR range almost exclusively record the harmonics. The absorption bands have a lower intensity in the NIR range than in the MIR. This has the advantage that the layer thickness of the sample to be examined can be increased to an easier to handle size of typically 1 to 10 mm, which simplifies the use of NIR probes. Furthermore, this rather guarantees the representativeness of the measurement result.
Ein weiterer Vorteil einer Messung im NIR-Bereich besteht darin, daß dort erweiterte Auswahlmöglichkeiten für Materialien für optische Fenster und Lichtwellenleiter bestehen. So sind zum Beispiel Glas, Quarz und für hohe Drücke auch Saphir aufgrund ihrer Durchlässigkeit verwendbar. Zudem weisen diese Materialien im Vergleich zu den im MIR eingesetzten Stoffen wie NaCl und KBr bessere chemische und mechanische Eigenschaften auf. Schließlich erlauben instrumentelle Vorteile bezüglich der Lichtquelle und des Detektors im nahen Infrarot die Aufzeichnung von Messsignalen mit einem Signal/Rauschverhältnis von weit über 10000, was im mittleren Infrarot im allgemeinen nicht erreichbar ist.Another advantage of a measurement in the NIR range is that it extends there Options for materials for optical windows and optical fibers consist. For example, glass, quartz and, for high pressures, sapphire are also due usable for their permeability. In addition, these materials have compared to the substances used in MIR such as NaCl and KBr better chemical and mechanical Properties on. Finally, allow instrumental advantages with regard to the light source and the detector in the near infrared record measurement signals with a Signal to noise ratio of well over 10,000, which is generally in the mid-infrared is not available.
Das zur Messung eingesetzte NIR-Licht wird vorzugsweise aus einem Bereich von 4000 cm-1 bis 11000 cm-1 entnommen. Dies entspricht einer Wellenlänge des Lichtes von 2500 nm bis ca. 900 nm.The NIR light used for the measurement is preferably taken from a range of 4000 cm -1 to 11000 cm -1 . This corresponds to a wavelength of light from 2500 nm to approx. 900 nm.
Zur Analyse der gemessenen Absorptionsspektren wird vorzugsweise ein Fourier- Transformations-(FT) Spektrometer eingesetzt. Der wesentliche Unterschied dieses Gerätetyps liegt im Vergleich zu früher entwickelten Instrumenten in der Art der Lichtzerlegung. Bei den klassischen IR-Spektrometern erfolgt diese durch Gittermonochromatoren. Bei dem FT-IR-Spektrometer wird anstelle des Monochromators ein Modulator eingesetzt. Dabei wird jede Wellenlänge des eingestrahlten Lichtes mit ihrer eigenen Frequenz moduliert. Das dabei entstehende Interferogramm wird nach Absorption in der Probe durch eine Fourier-Transformation demoduliert, das heißt in ein Spektrum umgewandelt. Dadurch lassen sich bei erhöhter Lichtintensität und Geschwindigkeit Spektren mit einer Auflösung und Genauigkeit messen, die mit Gitterspektrometern nicht erreichbar ist. Die Fourier-Transformation wird vorzugsweise über das Verfahren der schnellen Fourier-Transformation (Fast Fourier-Transformation FFT) vorgenommen. To analyze the measured absorption spectra, a Fourier Transformation (FT) spectrometer used. The main difference of this Compared to previously developed instruments, device types are of the type Light decomposition. With classic IR spectrometers, this is done by Grid monochromators. The FT-IR spectrometer is used instead of the monochromator a modulator is used. Each wavelength of the incident light is with their own frequency modulated. The resulting interferogram is based on absorption demodulated in the sample by a Fourier transformation, that is, in a spectrum converted. This allows for increased light intensity and speed Measure spectra with resolution and accuracy that are not with grating spectrometers is achievable. The Fourier transformation is preferably carried out using the method of fast Fourier transform (Fast Fourier transform FFT).
Zur quantitativen Analyse mittels NIR-Spektroskopie muss bei allen Anwendungen zunächst eine Kalibrierung durchgeführt werden. Diese beruht auf der Zuordnung von aus den Spektren abgeleiteten Größen zu einem Messwert, der durch ein Referenzverfahren (zum Beispiel maßanalytische Bestimmung) ermittelt wurde. Bei der Auswahl der Kalibrierproben ist zu beachten, daß der gesamte Konzentrationsbereich, der bei der Analyse unbekannter Proben auftreten kann, durch Kalibrierungsmessungen abgedeckt ist. Die Berechnung einer quantitativen Beziehung zwischen Spektren und Stoffkonzentrationen mit Hilfe eines mathematischen Modells erfolgt vorzugsweise mit Hilfe eines Computers. Dabei werden vorzugsweise chemometrische Verfahren eingesetzt, bei denen es sich um verschiedene multivariate Verfahren der numerischen Mathematik handelt, die alle auf der Auswertung einer Vielzahl von Wellenlängen/Extinktions- Wertepaaren basieren. Der Vorteil der Chemometrie liegt in der Unabhängigkeit von der Matrix, in der sich die zu bestimmende Komponente befindet.Quantitative analysis using NIR spectroscopy is required for all applications a calibration must first be carried out. This is based on the assignment of the spectra derived quantities to a measured value by a reference method (for example measurement analysis determination) was determined. When choosing the Calibration samples should be taken into account that the entire concentration range covered by the Analysis of unknown samples can occur is covered by calibration measurements. Calculating a quantitative relationship between spectra and Concentrations of substances using a mathematical model are preferably carried out with Help of a computer. Chemometric methods are preferably used here, which are various multivariate methods of numerical mathematics acts, all based on the evaluation of a variety of wavelengths / extinction Pairs of values are based. The advantage of chemometry is that it is independent of the Matrix in which the component to be determined is located.
Ein geeignetes chemometrisches Verfahren ist die Faktoranalyse von Vollspektren. Die Berechnung erfolgt dabei vorzugsweise mit der Methode der kleinsten Fehlerquadrate (PLS = Partial Least Square). Dieses Verfahren kann zum Beispiel mit dem Computerprogramm "Opus" durchgeführt werden. Bei dem Verfahren handelt es sich um ein sogenanntes inverses Verfahren, bei dem die Konzentrationen der einzelnen Komponenten entkoppelt sind. Das heißt, daß sich die für die Analytik interessanten Komponenten ohne Kenntnis der restlichen Zusammensetzung kalibrieren lassen. Die Auswahl der Wellenlängen oder Faktoren, die die optimale Kalibrierung ergeben, erfolgt automatisch mit der Methode der kleinsten Fehlerquadrate. Dabei werden statistische Größen berechnet, die es erlauben, die Qualität einer Kalibrierung zu beurteilen.A suitable chemometric method is the factor analysis of full spectra. The The calculation is preferably carried out using the least squares method (PLS = Partial Least Square). This method can be used, for example, with the Computer program "Opus" can be carried out. The procedure is a so-called inverse method, in which the concentrations of the individual Components are decoupled. This means that those who are interested in analysis are interested Have components calibrated without knowing the rest of the composition. The Selection of the wavelengths or factors that result in the optimal calibration takes place automatically using the least squares method. Doing so will be statistical Calculated quantities that allow the quality of a calibration to be assessed.
Bei Absorptionsmessungen kann man davon ausgehen, daß eine Proportionalität zwischen
der spektralen Intensität und der Konzentration der Inhaltsstoffe der untersuchten
Substanzgemische besteht (Lambert-Beersches Gesetz). Die PLS Zerlegung geht dabei
von der folgenden Abhängigkeit von Komponentenwerten und Spektrenintensitäten aus:
In the case of absorption measurements, one can assume that there is a proportionality between the spectral intensity and the concentration of the ingredients of the substance mixtures examined (Lambert-Beersches law). The PLS decomposition assumes the following dependency on component values and spectral intensities:
y = [X]b y = [X] b
Dabei beinhaltet der Vektor y die jeweils maßanalytisch bestimmten Komponentenwerte und die Matrix [X] die Reihenvektoren der Wertepaare (Wellenzahl/Absorption) der Kalibrierungsspektren. Das Ziel der Kalibrierung besteht darin, den Vektor b zu bestimmen, um somit eine Berechnung eines unbekannten Wertes yn mit Hilfe eines Spektrums Xn vornehmen zu können.The vector y contains the component values determined by measurement analysis and the matrix [X] the row vectors of the value pairs (wavenumber / absorption) of the calibration spectra. The aim of the calibration is to determine the vector b so that an unknown value y n can be calculated using a spectrum X n .
Bei der mit dem erfindungsgemäßen Verfahren kontrollierten Polymerisationsreaktion kann es sich insbesondere um eine Polyaddition oder um eine Polykondensation handeln. Durch das Verfahren werden dabei sowohl die Änderung der Eduktbanden (Abnahme) als auch die Änderung der Produktbanden (Zunahme) gemessen.In the polymerization reaction controlled by the process according to the invention it can in particular be a polyaddition or a polycondensation. Through the process, both the change in the educt bands (decrease) and also the change in product bands (increase) measured.
Bei dem Polymer kann es sich insbesondere um ein Polyurethan handeln, wobei die NCO- und/oder NH- und/oder Urethan-Gruppen gemessen werden. Versuche haben gezeigt, daß das erfindungsgemäße Verfahren bei der Polymerisation von Polyurethanen besonders gute Ergebnisse zeigt.The polymer can in particular be a polyurethane, the NCO- and / or NH and / or urethane groups are measured. Experiments have shown that the inventive method in the polymerization of polyurethanes in particular shows good results.
Darüber hinaus kann das Polymer ein Polyepoxid sein, wobei Epoxid- und/oder OH- und/oder NH-Gruppen gemessen werden.In addition, the polymer can be a polyepoxide, with epoxy and / or OH and / or NH groups are measured.
Wenn eine Polykondensation kontrolliert wird, kann es sich bei dem Polykondensat um ein Polyester, ein Polyamid, ein Polyetheracrylat und/oder ein Polyesteracrylat handelt.If polycondensation is controlled, the polycondensate may be a polyester, a polyamide, a polyether acrylate and / or a polyester acrylate.
Die Erfindung betrifft weiterhin eine Vorrichtung zur Durchführung eines Verfahrens der oben geschilderten Art, welche eine Transmissions-Infrarot-Sonde aus Keramik oder Quarz enthält, die in einem Polymerisationsreaktor angeordnet werden kann, sowie ein Fourier-Transformations-Spektrometer, welches über Glasfaserkabel mit der NIR-Sonde verbunden ist und ein Interferometer (z. B. Michelson-Interferometer oder Prismeninterferometer) oder ein Diodenarray enthält. Mit einer derartigen Vorrichtung können die oben geschilderten Vorteile des Verfahrens erzielt werden. Insbesondere ist vorteilhaft, daß Messsonde und Spektrometer mit Hilfe der Glasfaserkabel getrennt voneinander aufgestellt werden können, so daß das Spektrometer außerhalb des explosionsgefährdeten Bereiches untergebracht werden kann.The invention further relates to an apparatus for performing a method of Above described type, which is a transmission infrared probe made of ceramic or Contains quartz, which can be arranged in a polymerization reactor, and a Fourier transform spectrometer, which is connected to the NIR probe via fiber optic cable connected and an interferometer (e.g. Michelson interferometer or Prism interferometer) or a diode array. With such a device the advantages of the method described above can be achieved. In particular is It is advantageous that the measuring probe and spectrometer are separated using the glass fiber cable can be set up so that the spectrometer outside the hazardous area can be accommodated.
Erfindungsgemäß ist es von Vorteil, wenn die NIR-Sonde mit einem Schutzmantel aus Metall, beispielsweise Edelstahl, umgeben ist, um sie vor mechanischer Beschädigung zu schützen. Um die Bildung von Belägen auf der NIR-Sonde bei der Harzsynthese zu verhindern, ist bei einer vorteilhaften Konfiguration des Schutzmantels noch eine auf das Saphir- oder Quarzfenster der NIR-Sonde gerichtete Spüldüse vorhanden. Diese wird während der Harzsynthese mit einem leichten Stickstoffstrom durchströmt, um das Zusetzen der Düse zu verhindern. Unmittelbar nach dem Ablassen des Harzes aus dem Reaktor wird aus einem außerhalb des Reaktors befindlichen Vorratsbehälter heißes oder warmes Lösemittel gepumpt und durch die Düse direkt auf das Sondenfenster gesprüht, wodurch gegebenenfalls vorhandener Belag weggespült wird. Vorrichtungen dieser Art sind üblich und bekannt und werden beispielsweise von der Firma O.K.Tec Optik + Keramik + Technologie vertrieben.According to the invention, it is advantageous if the NIR probe is covered with a protective jacket Metal, such as stainless steel, is surrounded to protect it from mechanical damage protect. To prevent the formation of deposits on the NIR probe during resin synthesis prevent, with an advantageous configuration of the protective jacket is still one on Sapphire or quartz window of the NIR probe directed rinsing nozzle available. This will flowed through with a gentle stream of nitrogen during the resin synthesis to the Prevent clogging of the nozzle. Immediately after draining the resin from the The reactor becomes hot or hot from a storage container located outside the reactor pumped warm solvent and sprayed through the nozzle directly onto the probe window, whereby any existing topping is washed away. Devices of this type are common and known and are for example from the company O.K.Tec Optik + Ceramics + technology sold.
Die NIR-Spektroskopie erlaubt nicht nur die Messung des Reaktionsfortschrittes durch Bestimmung der entsprechenden funktionellen Gruppen nach einer Kalibrierung, sondern es können auch über spezielle Programme Vergleiche zwischen einer laufenden Charge eines Produktes und den Vorgängerchargen des Produktes erfolgen. Dabei findet eine chemische Identifizierung nach Art eines Fingerabdruckes der Reaktionsmasse statt. Dies ist nur im NIR-Bereich möglich, da hier nicht die direkten Schwingungen von CO, CH, CN, NH, etc. Banden gemessen werden, sondern die entsprechenden Oberschwingungen. Mittels der Fourier-Transformation erhält man so einen kompletten spektralen Überblick über die Reaktionsmasse und kann durch Vergleich mit Vergangenheitsdaten Abweichungen, zum Beispiel durch fehlerhafte Rohstoffe oder Fehleinwaagen, sofort feststellen und notwendige Korrekturmaßnahmen einleiten.NIR spectroscopy not only allows the progress of the reaction to be measured Determination of the appropriate functional groups after calibration, but Special programs can also make comparisons between a running batch of a product and the previous batches of the product. One finds chemical identification instead of a fingerprint of the reaction mass instead. This is only possible in the NIR range, since the direct vibrations of CO, CH, CN, NH, etc. bands are measured, but the corresponding harmonics. With the Fourier transformation, a complete spectral overview is obtained about the reaction mass and can by comparing with historical data Deviations, for example due to faulty raw materials or incorrect weights, immediately determine and take necessary corrective measures.
Die folgenden Untersuchungen sollten die Anwendbarkeit der NIR-In-line-Spektroskopie für die Reaktionsverfolgung von Harzsynthesen klären. Da die Veränderungen im NIR- Spektrum auf die unterschiedlichen chemischen Veränderungen bei den verschiedenen Harzbildungsreaktionen zurückzuführen sind, ist es notwendig, aus verschiedenen Produktklassen Synthesen auszuwählen und die zu kontrollierenden Kennzahlen mit den aus den NIR-Spektren erhaltenen Veränderungen zu korrelieren. In Vorversuchen im Laborbereich hat sich gezeigt, daß mit NIR-Spektroskopie für Polyurethansynthesen gute Ergebnisse zu erwarten sind. Daher wurde der Schwerpunkt der Experimente im Technikumsmaßstab auch auf diese Reaktionsklasse gelegt.The following studies should assess the applicability of NIR in-line spectroscopy for the reaction tracking of resin synthesis. Since the changes in the NIR Spectrum on the different chemical changes in the different Resin formation reactions are due, it is necessary to different from Select product classes syntheses and the key figures to be checked with the to correlate changes obtained from the NIR spectra. In preliminary experiments in Laboratory has shown that good NIR spectroscopy for polyurethane synthesis Results are expected. Therefore, the focus of the experiments in The pilot plant scale also applies to this reaction class.
Ein weiterer wichtiger Aspekt für die Güte der Kalibration ist die Anzahl der Messwerte, die der Kalibration zugrunde liegt. Bedingt durch die Probenahme und die zeitaufwendige Durchführung der nasschemischen Analytik sind Messintervalle unter 15 bis 30 min nicht realisierbar. Zur Bereitstellung einer ausreichend großen Anzahl maßanalytisch ermittelter Kalibrierwerte wurden daher Reaktionen mit einem möglichst langsamen Reaktionsverlauf ausgewählt.Another important aspect for the quality of the calibration is the number of measured values, on which the calibration is based. Due to the sampling and the time consuming Measurement intervals of less than 15 to 30 minutes are not carried out for wet chemical analysis realizable. To provide a sufficiently large number of measurements determined by measurement Calibration values were therefore reactions with the slowest possible course of the reaction selected.
Anhand der oben dargestellten Kriterien wurde u. a. der in Tabelle 1 wiedergegebene Versuchsplan, der vier Produkte aus dem Bereich Polyurethane (PUR) enthält, zusammengestellt:Based on the criteria outlined above, a. the one shown in Table 1 Test plan, which contains four products from the field of polyurethanes (PUR), compiled:
Sollbereich = Zielbereich für den Messwert. Bei den PUR-Synthesen gibt es zwei Zielbereiche: Die erste Vorgabe ist der Sollbereich vor Trimethylolpropan (TMP) Zugabe und die zweite ist der Sollbereich nach Umsetzung mit TMP. Jeder Versuch wurde viermal durchgeführt (drei Reproduktionen).Target range = target range for the measured value. There are two for PUR syntheses Target areas: The first specification is the target area before adding trimethylolpropane (TMP) and the second is the target range after implementation with TMP. Each attempt was made four times carried out (three reproductions).
Im folgenden werden die Reaktionsbedingungen grundlegend skizziert. Bei den Polyurethan-(PUR-)Synthesen wird in einer Additionsreaktion ein Diisocyanat (z. B. Isophorondiisocyanat) mit verschiedenen mehrwertigen Alkoholen (z. B. Neopentylglykol, Trimethylolpropan), einer Dihydroxicarbonsäure und einem Polyesterharz bei einer Temperatur von 80°C bis 90°C umgesetzt. Die Reaktion erfolgt in zwei Stufen, wobei in der zweiten Stufe eine vollständige Umsetzung der verbliebenen freien Isocyanatgruppen angestrebt wird.The reaction conditions are outlined in the following. Both In an addition reaction, polyurethane (PUR) syntheses become a diisocyanate (e.g. Isophorone diisocyanate) with various polyhydric alcohols (e.g. neopentyl glycol, Trimethylolpropane), a dihydroxy carboxylic acid and a polyester resin in one Temperature from 80 ° C to 90 ° C implemented. The reaction takes place in two stages, whereby in the second stage a complete implementation of the remaining free isocyanate groups is sought.
Die jeweils vorgewählten Temperaturen wurden während der Messphase auf ±0,5°C genau eingehalten. Zur Verminderung der Reaktionsgeschwindigkeit wurde die 1. Reproduktion der Synthese 1 abweichend von der Standardtemperatur 90°C mit 80°C durchgeführt. Dieser Temperaturunterschied hatte einen großen Einfluß auf die NIR-spektroskopische Messung, so daß diese Synthese nicht gemeinsam mit den anderen Reproduktionssynthesen kalibriert werden konnte. Die Temperatur der Synthese muss für einen Kalibrationsdatensatz konstant gehalten werden, da ansonsten die spektroskopisch ermittelten Konzentrationen und deren Referenzwerte nicht mehr vergleichbar sind.The preselected temperatures were accurate to ± 0.5 ° C during the measurement phase adhered to. To reduce the reaction rate, the 1st reproduction Synthesis 1 deviated from the standard temperature 90 ° C with 80 ° C. This temperature difference had a great influence on the NIR spectroscopic Measurement so that this synthesis is not shared with the others Reproduction syntheses could be calibrated. The temperature of the synthesis must be for a calibration data set can be kept constant, otherwise the spectroscopic determined concentrations and their reference values are no longer comparable.
Bei allen durchgeführten PUR-Synthesen zeigte sich ein Viskositätsverlauf auf hohem Niveau mit Werten (original Platte-Kegel Viskosimeter bei 23°C) von weit über 100 dPas. Die Viskositäten in angelöster Form (50%ig in N-Methylpyrrolidon) erreichten Werte bis 20 dPas.All of the PU syntheses carried out showed a high viscosity curve Level with values (original plate-cone viscometer at 23 ° C) of well over 100 dPas. The viscosities in dissolved form (50% in N-methylpyrrolidone) reached values up to 20 dPas.
Die folgende Tabelle enthält die detaillierten Reaktionsbedingungen:The following table contains the detailed reaction conditions:
Fig. 1 zeigt die Reaktorstraße 430 in schematischer Form. Im oberen Teil der Figur sind die drei Vorlagebehälter (R 431, R 432 und R 433) dargestellt. Der Vorlagebehälter R 431 hat einen Nenninhalt von 400 l, der R 432 von 40 l und der R 433 von 250 l. Die Vorlagen R 431 und R 433 werden zum Einwiegen von Monomeren bzw. Lösemitteln genutzt, während der R 432 zur Vorlage von Initiatoren verwendet wird. Die Vorlagen R 431 und R 433 sind kühlbar, die Vorlage R 433 ist zusätzlich beheizbar. Der Druck und die Temperatur werden in den Monomeren-Vorlagebehältern (R 431, R 433) durch das Prozessleitsystem (PLS) überwacht. Somit ist sichergestellt, daß eine Autopolymerisation in den Vorlagen frühzeitig angezeigt wird (Alarm bei Druck- bzw. Temperaturerhöhung). Fig. 1 shows the reactor line 430 in schematic form. In the upper part of the figure, the three storage containers (R 431, R 432 and R 433) are shown. The storage container R 431 has a nominal capacity of 400 l, the R 432 of 40 l and the R 433 of 250 l. The templates R 431 and R 433 are used to weigh in monomers or solvents, while the R 432 is used to introduce initiators. The templates R 431 and R 433 can be cooled, the template R 433 can also be heated. The pressure and temperature in the monomer storage tanks (R 431, R 433) are monitored by the process control system (PLS). This ensures that autopolymerization is displayed in the templates at an early stage (alarm when the pressure or temperature increases).
Die Massen aller drei Vorlagen werden über Masseaufnehmer erfaßt. Die Massenströme, die aus den Vorlagen in den Reaktor R 430 dosiert werden, können mit Hilfe des PLS und ansteuerbarer Ventile geregelt werden.The masses of all three templates are recorded using mass sensors. The mass flows which are dosed from the templates into the R 430 reactor can be created with the help of the PLS and controllable valves are regulated.
In der Mitte der Figur ist der eigentliche Reaktor nebst den Eingängen für die In-line-NIR- Sonde zu sehen. Er ist mit einem Brüdenrohr und einem liegendem Kondensator sowie mit einer Trennvorlage und dem zugehörigen Auffangbehälter versehen. Mit dieser Anordnung können destillativ entfernte, mehrphasige Gemische getrennt und zurückgeführt bzw. ausgeschleust werden (z. B. bei Schleppmittelrektifikationen). Der Reaktor verfügt über einen Nenninhalt von 400 l und kann mit Stickstoff inertisiert werden. Er ist mit einem zweistufigen INTERMIG® Rührwerk ausgerüstet. Um zusätzliche Turbulenzen im Reaktor zu erzeugen und so eine bessere Durchmischung und einen verbesserten Wärmeübergang zu gewährleisten, sind an der Reaktorwand vier Strömungsbrecher angebracht. Die Drehzahl des Rührwerks ist von 21-126 min-1 stufenlos einstellbar. Bei der maximalen Drehzahl von n = 126 min-1 beträgt die Umfangsgeschwindigkeit 5,2 m/s. Der Reaktor R 430 kann beheizt (max. Produkttemperatur ca. 240°C) und gekühlt werden. Die Wärmeübertragung erfolgt durch Warmeträgeröl, welches in einer Wärmetauscheranlage temperiert wird.In the middle of the figure, the actual reactor can be seen along with the inputs for the in-line NIR probe. It is equipped with a vapor tube and a horizontal condenser, as well as with a separation template and the associated collecting container. With this arrangement, multi-phase mixtures that have been removed by distillation can be separated and recycled or discharged (e.g. in the case of rectifier rectifications). The reactor has a nominal volume of 400 l and can be inertized with nitrogen. It is equipped with a two-stage INTERMIG® agitator. In order to generate additional turbulence in the reactor and thus to ensure better mixing and an improved heat transfer, four flow breakers are attached to the reactor wall. The speed of the agitator is continuously adjustable from 21-126 min -1 . At the maximum speed of n = 126 min -1 , the peripheral speed is 5.2 m / s. The R 430 reactor can be heated (max. Product temperature approx. 240 ° C) and cooled. The heat is transferred using thermal oil, which is tempered in a heat exchanger system.
Rechts unterhalb des R430 ist der Lösekessel R434 angeordnet, der seinerseits über ein Brädenrohr und einen Kondensator verfügt. Die Temperatur im Lösekessel wird mittels eines Bayermischers durch Mischen von Wasser und Dampf geregelt.To the right below the R430 is the release boiler R434, which in turn has a Burner tube and a condenser. The temperature in the dissolving kettle is determined by a Bavarian mixer regulated by mixing water and steam.
Der apparative Aufbau zur Durchführung der spektroskopischen Untersuchungen bestand aus dem NIR-Spektrometer, der angeschlossenen Sonde und einem Personalcomputer. Neben den hohen Anforderungen an die optischen Eigenschaften der Messapparatur kommt der Güte der zur Datenverarbeitung eingesetzten Hard- und Software eine große Bedeutung zu. Zur Bereitstellung der benötigten Rechenleistung wurde daher ein Personalcomputer (486 DX 2) mit einer Taktfrequenz von 66 MHz und 8 MB RAM verwendet.The equipment for carrying out the spectroscopic investigations consisted of the NIR spectrometer, the connected probe and a personal computer. In addition to the high demands on the optical properties of the measuring equipment, the quality of the hardware and software used for data processing is of great importance. A personal computer (486 DX 2 ) with a clock frequency of 66 MHz and 8 MB RAM was therefore used to provide the required computing power.
Die als Sensor für die In-line-Analytik dienende NIR-Sonde der Firma O.K.Tec (Typ TS- EK1) wurde in den Boden des Reaktors eingebaut und über ein Glasfaserkabel (Fa. Bruker, Länge: 50 m) mit einem außerhalb des explosionsgefährdeten Bereichs aufgestellten FT-NIR-Spektrometer IFS 28 N der Firma Bruker verbunden. Die für die Sonde verwendeten Materialien sind Aluminiumoxid für den Schaft der Sonde und Saphir für die Fenster. Die Sonde ist für einen Wellenlängenbereich von 400-2400 nm verwendbar. Sie ist für Temperaturen bis 350°C und für Drucke bis 20 bar ausgelegt.The NIR probe from O.K.Tec (type TS- EK1) was installed in the bottom of the reactor and via a glass fiber cable (Fa. Bruker, length: 50 m) with an outside of the hazardous area connected FT-NIR spectrometer IFS 28 N from Bruker. The for the Materials used in the probe are aluminum oxide for the stem of the probe and sapphire for the windows. The probe is for a wavelength range of 400-2400 nm usable. It is designed for temperatures up to 350 ° C and for pressures up to 20 bar.
Mit dem Spektrometer werden jeweils Einkanalspektren aufgenommen, so daß der Vergleich mit einem vor jeder Messung registrierten Background-Spektrum notwendig ist. Dieses dient als Bezugsgröße, so daß langfristig auftretende Veränderungen wie beispielsweise eine Intensitätsänderung der Strahlungsquelle oder eine dauerhafte Veränderung der Saphirfenster der Sonde (Verschmutzung oder Beschädigung) berücksichtigt werden.Single-channel spectra are recorded with the spectrometer, so that the Comparison with a background spectrum registered before each measurement is necessary. This serves as a reference, so that long-term changes such as for example a change in intensity of the radiation source or a permanent one Change in the sapphire window of the probe (dirt or damage) be taken into account.
Nach Aufnahme des Background-Spektrums und der Probeneinkanalspektren bleibt das Background-Spektrum bis zum Programmende im Arbeitsspeicher erhalten. Die Division von Probeneinkanal- durch Background-Einkanalspektrum erzeugt ein Transmissionsspektrum, welches wiederum in ein Absorptionsspektrum umgerechnet werden kann.After recording the background spectrum and the sample single-channel spectra, that remains Preserved the background spectrum in the working memory until the end of the program. The division of sample single-channel generated by background single-channel spectrum Transmission spectrum, which in turn is converted into an absorption spectrum can be.
Eine Speicherung der so gewonnenen Daten sowie des Interferogrammes kann optional vorgenommen werden. Da für die späteren Auswertungen lediglich die Absorptionsspektren und deren Background-Spektren benötigt wurden, wurden nur diese Daten gespeichert.Storage of the data obtained in this way and the interferogram can be optional be made. Because for the later evaluations only the Absorption spectra and their background spectra were only needed Data saved.
Bei der Betrachtung der Spektren fällt auf, daß die Grundlinie (Basislinie) nicht bei Null
liegt, sondern um einen Offset in den negativen Bereich verschoben ist. Eine negative
Absorption ist jedoch nicht möglich. Dieser Parallelversatz der Spektren beruht auf den
unterschiedlichen Medien, in denen Background- und Probenspektrum gemessen werden.
So wird das Background-Spektrum in einem Gas (Stickstoff oder Luft) und das
Probeneinkanalspektrum in einer Flüssigkeit aufgenommen. Der Brechungsindex von
Flüssigkeiten beträgt ein Vielfaches des Brechungsindexes von Gasen und liegt um ein
Vielfaches niedriger als bei Feststoffen. Der NIR-Lichtstrahl durchläuft die folgenden
Medien in der Messanordnung:
When looking at the spectra, it is noticeable that the baseline is not zero, but is shifted by an offset into the negative range. However, negative absorption is not possible. This parallel offset of the spectra is due to the different media in which the background and sample spectrum are measured. The background spectrum is recorded in a gas (nitrogen or air) and the sample single-channel spectrum in a liquid. The refractive index of liquids is a multiple of the refractive index of gases and is many times lower than that of solids. The NIR light beam passes through the following media in the measuring arrangement:
-
1. bei der Background-Messung:
Saphirfenster (fest) - Stickstoff (gasförmig) - Saphirfenster (fest)1. in the background measurement:
Sapphire Window (Solid) - Nitrogen (Gaseous) - Sapphire Window (Solid) -
2. bei der Probenmessung:
Saphirfenster (fest) - Probe (flüssig) - Saphirfenster (fest)2. during sample measurement:
Sapphire Window (Solid) - Sample (Liquid) - Sapphire Window (Solid)
Die Differenz der Brechungsindices ist bei der Background-Messung größer als bei der Probenmessung, so daß bei der Aufnahme des Background-Spektrums das Licht stärker gebrochen wird als bei der Probenmessung. Diese stärkere Brechung ist mit einem höheren Lichtverlust gleichzusetzen und die vom Detektor aufgenommene Intensität nimmt ab, so daß bei der Erzeugung des Absorptionsspektrums (Messung der Harzproben) im Vergleich eine "scheinbar negative" Absorption auftritt.The difference in the refractive indices is larger in the background measurement than in the Sample measurement so that when recording the background spectrum the light is stronger is broken than in the sample measurement. This stronger refraction is with a higher one Equal loss of light and the intensity recorded by the detector decreases, so that in the generation of the absorption spectrum (measurement of the resin samples) in comparison an "apparently negative" absorption occurs.
Die Hauptaufgabe des Personalcomputers ist die Berechnung einer quantitativen
Beziehung zwischen Spektren und Stoffkonzentrationen mit Hilfe eines mathematischen
Modells. Zur quantitativen Analyse werden chemometrische Verfahren eingesetzt. Der
große Vorteil der Chemometrie liegt in der Unabhängigkeit von der Matrix, in der sich die
zu bestimmende Komponente befindet. Die erstellten Kalibrationen wurden mit einem
Verfahren auf Basis der Faktoranalyse von Vollspektren durchgeführt. Die Berechnung
erfolgte mittels der Methode der kleinsten Fehlerquadrate (Partial Least Square). Das dazu
verwendete Programm Opus hat die folgenden Eigenschaften:
The main task of the personal computer is to calculate a quantitative relationship between spectra and substance concentrations using a mathematical model. Chemometric methods are used for quantitative analysis. The great advantage of chemometry is that it is independent of the matrix in which the component to be determined is located. The calibrations created were carried out using a method based on factor analysis of full spectra. The calculation was carried out using the method of least squares (partial least square). The Opus program used for this has the following properties:
- 1. Es handelt sich um ein sog. inverses Verfahren, bei dem die Konzentrationen der einzelnen Komponenten entkoppelt sind, d. h. die für die Analytik interessanten Komponenten lassen sich ohne Kenntnis der restlichen Zusammensetzung kalibrieren.1. It is a so-called inverse method, in which the concentrations of individual components are decoupled, d. H. those of interest for analytics Components can be made without knowing the remaining composition calibrate.
- 2. Die Auswahl der Wellenlängen oder Faktoren, die die optimale Kalibration ergeben, erfolgt automatisch (Methode der kleinsten Fehlerquadrate).2. The selection of wavelengths or factors that provide the optimal calibration result is done automatically (method of least squares).
- 3. Es werden statistische Größen berechnet, die es erlauben, die Qualität einer Kalibration zu beurteilen.3. Statistical quantities are calculated that allow the quality of a To assess calibration.
- 4. Das chemometrische Auswerteverfahren erfolgt bei unterschiedlichen Problemstellungen immer in gleicher Weise, so daß das Kalibrationsverfahren nicht immer wieder neu entwickelt werden muss.4. The chemometric evaluation process is carried out with different ones Problems always in the same way, so that the calibration procedure does not always has to be redeveloped.
Zur quantitative Analyse wird eine Kalibration mit den folgenden fünf Schritten durchgeführt: For quantitative analysis, a calibration is carried out with the following five steps carried out:
Eine Kalibrationsliste wird erstellt, die aus den in zeitlicher Folge aufgenommenen Absorptionsspektren und den dazugehörigen Referenzwerten (maßanalytisch ermittelt) besteht. Zudem besteht die Möglichkeit, die Kalibrierstandards in einen Satz von Kalibrations- und in einen Satz .von Testspektren zu unterteilen. So kann die Güte der Kalibrierung mit Hilfe des Testdatensatzes kontrolliert werden.A calibration list is created, which from the recorded in time sequence Absorption spectra and the associated reference values (determined by measurement analysis) consists. There is also the option of converting the calibration standards into a set of Calibration and to divide into a set of test spectra. So the goodness of the Calibration can be checked using the test data set.
Unter diesem Menüpunkt kann ein für die Kalibrierung relevanter Spektralbereich selektiert oder ein mit Rauschen überlagerter Bereich eliminiert werden.Under this menu item a spectral range relevant for calibration can be found selected or an area overlaid with noise can be eliminated.
Data Preprocessing ermöglicht eine mathematische Vorbehandlung der Kalibrationsspektren. So können z. B. unterschiedliche Offsets mit einer Differenzierung beseitigt werden.Data preprocessing enables a mathematical pretreatment of the Calibration spectra. So z. B. different offsets with differentiation be eliminated.
Die PRESS-Methode dient als Hilfsmittel für die Ermittlung der optimalen Kalibrationsparameter, d. h. hier ist die Möglichkeit gegeben, die Qualität der beim PRESS durchgeführten Kalibrationen zu bestimmen. Bei den Berechnung des PRESS kann zwischen zwei Arten der Validierungen des Quant-Modells gewählt werden. Dies ist zum einen die Cross-Validierung (interne Validierung) und zum anderen die Überprüfung der Kalibration mit Hilfe eines Kontrolldatensatzes mit der sogenannten externen Validierung. Nach jeder PRESS-Berechnung wird ein PRESS-Report ausgegeben.The PRESS method serves as an aid for determining the optimal one Calibration parameters, d. H. Here is the possibility of the quality of the PRESS to determine the calibrations performed. When calculating the PRESS can choose between two types of validation of the quant model. This is for one is cross-validation (internal validation) and the other is the verification of Calibration with the help of a control data record with the so-called external validation. After each PRESS calculation, a PRESS report is issued.
Mit den bei der Validierung optimierten Parametern wird die "endgültige" Kalibrierung durchgeführt. Die für die Analyse zukünftiger Proben wichtigen Daten (Kalibrierspektren mit den jeweiligen Messwerten, der/die Frequenzbereich(e) und die gewählte Datenvorbehandlung) werden im Quant-II-Methodenfile abgelegt.With the parameters optimized during validation, the "final" calibration carried out. The data important for the analysis of future samples (calibration spectra with the respective measured values, the frequency range (s) and the selected Data preparation) are stored in the Quant II method file.
Gemäß dem oben in Tabelle 1 dargestellten Versuchsplan wurden vier verschiedene Polyurethane (Produkt Nr. 1, 2, 3 und 4) synthetisiert. In den Fig. 2-5 sind zu diesen 4 Produkten jeweils 4 Spektren dargestellt, die das Erscheinungsbild der Banden über den gesamten Reaktionszeitraum wiedergeben.Four different polyurethanes (Product Nos. 1, 2, 3, and 4) were synthesized according to the experimental plan shown in Table 1 above. FIGS. 2-5 each show 4 spectra for these 4 products, which reflect the appearance of the bands over the entire reaction period.
Generell ist bei allen Polyurethanen eine signifikante Änderung einer Bande bei 6750 cm-1 zu erkennen, die auf die N-H-Valenzschwingung (sek. Amin: Grundschwingung bei 3300 cm-1 bis 3500 cm-1) des synthetisierten Urethans zurückzuführen ist. Die Bandengröße nimmt im Verlauf der Synthese zu. Weitere, visuell nur schwer erkennbare Änderungen treten im Bereich von 5000 cm-1 bis 6000 cm-1 auf. Hier sind Banden vertreten, deren Intensität im Syntheseverlauf sowohl zu- als auch abnimmt. Es kann keine genaue Zuordnung erfolgen, jedoch sind diese Banden für die Kalibration von großer Bedeutung.In general, a significant change in a band at 6750 cm -1 can be seen in all polyurethanes, which is attributable to the NH valence vibration (sec. Amine: fundamental vibration at 3300 cm -1 to 3500 cm -1 ) of the synthesized urethane. The band size increases in the course of the synthesis. Other changes that are difficult to see visually occur in the range from 5000 cm -1 to 6000 cm -1 . Gangs are represented here, the intensity of which increases and decreases as the synthesis progresses. No exact assignment can be made, but these bands are of great importance for the calibration.
Die Spektren in den Figuren lassen einen Offset der Basislinie erkennen. Dieser ist auf die Änderung der Trübung des Reaktionsgemisches im Verlauf der Synthesen zurückzuführen. Zu Anfang wird bei vorliegender Trübung mehr NIR-Strahlung absorbiert als zum Ende der Reaktion, wenn die Trübung nicht mehr vorhanden ist. Daraus folgt, daß die Basislinie der Absorptionsspektren im Verlauf der Synthese zu geringeren Absorptionswerten "wandert". Zwischen diesem Offset der Spektren und den NCO-Wenen läßt sich ein mathematischer Zusammenhang herstellen. Der auf Trübungsänderung basierende Offset tritt aber nicht bei jeder Synthese mit gleicher Intensität auf. Daher ist eine Kalibration, die diesen Parallelversatz der Spektren ausnutzt, nicht sinnvoll.The spectra in the figures show an offset of the baseline. This is on the Change in the turbidity of the reaction mixture in the course of the syntheses. At the beginning, when the turbidity is present, more NIR radiation is absorbed than at the end the reaction when the turbidity is no longer present. It follows that the baseline the absorption spectra in the course of the synthesis to lower absorption values "wanders". One can distinguish between this offset of the spectra and the NCO values establish a mathematical connection. The offset based on turbidity change does not occur with the same intensity in every synthesis. Therefore a calibration is the exploiting this parallel offset of the spectra does not make sense.
In den folgenden Darstellungen der Spektren sind die Zeiten, zu denen die Spektren ermittelt wurden, der jeweiligen Figur zu entnehmen. Dabei sind die Angaben der Zeiten in Stunden (h) in Bezug auf die erste Probennahme zu interpretieren. Eine Beschriftung ohne Einheit gibt die Reihenfolge der Spektrenaufnahme an.In the following plots of the spectra are the times when the spectra were determined from the respective figure. The times are given here to be interpreted in hours (h) in relation to the first sampling. A label without unit specifies the order of the spectra acquisition.
Die Spektren der Fig. 2 (Produkt Nr. 2) zeigen bei 6750 cm-1 eine geringere Absorptionsbande als die übrigen Polyurethane bei gleicher Konzentration. Ein Grund hierfür könnte die unterschiedliche chemische Zusammensetzung dieser Polyurethane sein. Infolge dieses Unterschiedes ist eine gemeinsame Kalibration des Produktes Nr. 2 mit den anderen Polyurethanen nicht möglich. The spectra of FIG. 2 (product No. 2) show a lower absorption band at 6750 cm -1 than the other polyurethanes at the same concentration. One reason for this could be the different chemical composition of these polyurethanes. As a result of this difference, a joint calibration of product No. 2 with the other polyurethanes is not possible.
Während beim direkten Vergleich der Spektren in den Fig. 3-5 die große Ähnlichkeit der Banden im Bereich von 5000 cm-1 bis 5500 cm-1, und von 6100 cm-1 und 7000 cm-1 auffällt, sind im Bereich von 8000 cm-1 bis 9000 cm-1 unterschiedliche Bandenformen zu erkennen. So zeigen die Banden des Produktes Nr. 4 in diesem Bereich einen abgerundeten Verlauf, während bei den Banden der Polyurethane Nr. 1 und Nr. 3 schärfere Konturen zu erkennen sind. Diese Konturen sind bei dem Polyurethan Nr. 1 (Fig. 5) am stärksten ausgeprägt. Annähernd gleiche Absorption bei gleichen Isocyanatgehalten zeigen die in den Fig. 3 und 4 dargestellten Spektren der unterschiedlicher Polyurethane bei 6750 cm-1, so daß die Grundvoraussetzung für die gemeinsame Kalibration gegeben ist.While the direct comparison of the spectra in FIGS. 3-5 shows the great similarity of the bands in the range from 5000 cm -1 to 5500 cm -1 , and from 6100 cm -1 and 7000 cm -1 , are in the range of 8000 cm -1 to 9000 cm -1 different band shapes can be seen. The bands of product No. 4 show a rounded course in this area, while the bands of polyurethanes No. 1 and No. 3 show sharper contours. These contours are most pronounced in the No. 1 polyurethane ( FIG. 5). The spectra of the different polyurethanes at 6750 cm -1 shown in FIGS. 3 and 4 show approximately the same absorption at the same isocyanate contents , so that the basic prerequisite for the common calibration is given.
Im folgenden sind spezielle Veränderungen in den Spektren im Verlauf der Polyurethansynthesen beispielhaft für das Produkt Nr. 1 an 6 Spektren in den Fig. 5 und 6 dargestellt. Die Fig. 5 zeigt vier Spektren während der Umsetzung des Diisocyanates mit dem ersten Polyol. Bei einer Wellenzahl von ca. 7000 cm-1 ist eine Abnahme der Intensität zu beobachten, welche auf die Konzentrationsabnahme des Alkohols (1. Oberschwingung der OH-Funktionalität) zurückzuführen ist. Diese Änderung bei 7000 cm-1 wird zur Erstellung von Kalibrationsalgorithmen für die Bestimmung des NCO-Gehaltes ausgenutzt.In the following, special changes in the spectra during the course of the polyurethane syntheses are exemplified for the product No. 1 on 6 spectra in FIGS. 5 and 6. FIG. 5 shows four spectra during the reaction of the diisocyanate with the first polyol. With a wave number of approx. 7000 cm -1 , a decrease in the intensity can be observed, which is due to the decrease in the concentration of the alcohol (1st harmonic of the OH functionality). This change at 7000 cm -1 is used to create calibration algorithms for determining the NCO content.
Da bei Erreichen eines bestimmten Polymerisationsgrades TMP zur Bindung des restlichen freien Isocyanats zugegeben wird, besteht eine Korrelation zwischen der OH- Bande (bei ca. 7000 cm-1) und dem NCO-Wert nur bis zur Zugabe von TMP. Nach der Zugabe ist diese Korrelation nicht mehr gegeben, was durch die zwei in Fig. 6 gezeigten Spektren verdeutlicht wird. Die Alkoholbande nimmt zu und zugleich nimmt der NCO- Wen ab. Der Effekt, daß sich die Kalibration auf solche gegenläufigen bzw. mehr oder weniger "zufälligen" oder nicht reproduzierbaren Zusammenhänge stützt, muss durch die Wahl eines geeigneten Kalibrationsdatensatzes eliminiert werden. In diesem Fall muss der Kalibrationsdatensatz Spektren vor und nach TMP-Zugabe enthalten, damit bei späteren Messungen die gesamte PUR-Synthese mit einer Kalibrationsfunktion überwacht werden kann.Since TMP is added to bind the remaining free isocyanate when a certain degree of polymerization is reached, there is a correlation between the OH band (at approx. 7000 cm -1 ) and the NCO value only up to the addition of TMP. After the addition, this correlation no longer exists, which is illustrated by the two spectra shown in FIG. 6. The alcohol gang increases and at the same time the NCO-Wen decreases. The effect that the calibration is based on such opposing or more or less "accidental" or non-reproducible relationships has to be eliminated by choosing a suitable calibration data set. In this case, the calibration data set must contain spectra before and after TMP addition, so that the entire PUR synthesis can be monitored with a calibration function in later measurements.
Zur Ermittlung der Kalibrationsfunktion wurden verschiedene Datenvorbehandlungen getestet. Für die Kalibrationen im Rahmen der PUR-Synthesen ergab die 1. Ableitung als Datenvorbehandlung die besten Ergebnisse, so daß alle Kalibrationsfunktionen für diese Harzklasse mit diesem Verfahren erstellt wurden. Es wurden so bereits Korrelationskoeffzienten von 98 und mehr erzielt, was mit einem maximalen, absoluten Fehler der NCO-Werte in einer Größenordnung von ±0,1% NCO gleichzusetzen ist.Various data pretreatments were used to determine the calibration function tested. For the calibrations in the context of the PUR syntheses, the 1st derivative resulted as Data pretreatment gives the best results, so all calibration functions for this Resin class were created using this procedure. It has already been so Correlation coefficients of 98 and more achieved, which with a maximum, absolute Error of the NCO values in the order of magnitude of ± 0.1% NCO is equivalent.
Eine zusätzliche Verbesserung der Kalibration konnte durch eine Einschränkung des Frequenzbereiches um 0,5% erzielt werden. Dabei wurde die Standardabweichung in gleicher Größenordnung (um 0,5% relativ) reduziert. Eine weitere Möglichkeit, einen Einfluß auf die Kalibration auszuüben, ist durch die Auswahl der Anzahl der PLS- Vektoren (Ranganzahl) gegeben. Bei einer Veränderung der genannten Variationsmöglichkeiten ist zu beachten, daß bei der Modifikation eines Parameters (z. B. der Datenvorbehandlung) die Einstellungen der anderen Parameter (beispielsweise des Frequenzbereiches) neu zu optimieren sind.An additional improvement in the calibration could be achieved by restricting the Frequency range around 0.5% can be achieved. The standard deviation was in same size (reduced by 0.5% relative). Another way to get one You can influence the calibration by selecting the number of PLS Vectors (number of ranks) given. If the above mentioned changes It should be noted that when modifying a parameter (e.g. the data preparation) the settings of the other parameters (e.g. the Frequency range) must be re-optimized.
Nach Auswertung unter den oben beschriebenen Variationsmöglichkeiten ergaben sich die in Fig. 7 dargestellten Werte für die untersuchten Synthesen.After evaluation using the variation options described above, the values shown in FIG. 7 were obtained for the syntheses examined.
Im folgenden wird anhand von Einzeldarstellungen die Güte der Kalibrationsfunktion für einzelne Produkte diskutiert. Die Figuren (True-Predict-Abbildung und No-Differ-Abbildung) sind direkt der OPUS-Software entnommen. Die True-Predict-Figuren zeigen eine Gegenüberstellung der maßanalytisch ermittelten Referenzwerte (True) und der bei der PRESS-Berechnung berechneten Werte (Predict). Die Diagonale in diesem Diagramm gibt die Lage der Konzentrationswerte wieder, die aus der auf Basis der maßanalytisch bestimmten Werte ermittelten Kalibrationsfunktion berechnet werden. Punkte, die oberhalb der Diagonalen liegen, stehen für maßanalytisch niedriger ermittelte Werte, Punkte unterhalb der Diagonalen ergaben bei der Maßanalyse größere Werte als bei der Berechnung.In the following, the quality of the calibration function for individual products discussed. The figures (True Predict Mapping and No Differ Mapping) are taken directly from the OPUS software. The True Predict figures show one Comparison of the measurement-analytically determined reference values (True) and those of the PRESS calculation calculated values (Predict). The diagonal in this diagram there the location of the concentration values again, which is based on the measurement analysis determined calibration function can be calculated. Points that are above the diagonals, stand for lower measured values, Points below the diagonal gave larger values in the dimension analysis than in the Calculation.
Ebenso sind die No-Differ-Figuren der OPUS-Software entnommen. Sie zeigen die Abweichungen, die zwischen den Referenzwerten und berechneten Werten vorliegen. Zu diesem Zweck wurden die einzelnen Messwerte durchnummeriert. Die Nummern (No) finden sich auf der Abszisse wieder. Auf der Ordinate sind die genannten Differenzen (Differ) aufgetragen.The no-difference figures are also taken from the OPUS software. You show that Deviations that exist between the reference values and calculated values. To For this purpose, the individual measured values were numbered. The numbers (No) can be found on the abscissa. The differences mentioned are on the ordinate (Differ) plotted.
Zur einfacheren Interpretation der True-Predict-Diagramme im Überblick auf den tatsächlichen Reaktionsverlauf ist ergänzend ein typischer Konzentrations-Zeit-Verlauf abgebildet. Dies soll neben der Veranschaulichung des Reaktionsverlaufes auch zur Abschätzung des Fehlers der Maßanalyse dienen.For an easier interpretation of the True Predict diagrams, an overview of the the actual course of the reaction is in addition a typical concentration-time course pictured. In addition to illustrating the course of the reaction, this is also intended to Estimate the error of the dimensional analysis.
Die Fig. 8 zeigt den für eine PUR-Synthese typischen zweistufigen Reaktionsverlauf. Es ist zu erkennen, daß bei großen NCO-Werten relativ große absolute Streuungen der maßanalytisch ermittelten NCO-Gehalte um die interpolierte Konzentrations-Zeit-Kurve vorliegen. Im Vergleich dazu nimmt bei kleinen NCO-Werten diese Streuung deutlich ab. Fig. 8 shows the characteristic of a two-step synthesis of PUR-reaction. It can be seen that in the case of large NCO values, there are relatively large absolute scatterings of the NCO contents determined by measurement around the interpolated concentration-time curve. In comparison, this scatter decreases significantly with small NCO values.
Der Zusammenhang zwischen den berechneten und maßanalytisch ermittelten Werten ist für die Synthese des Produktes Nr. 1 in der Fig. 9 dargestellt. In den Fig. 8 und 9 ist zu erkennen, daß zum Ende einer Reaktionsstufe die zeitliche Änderung des NCO- Gehaltes abnimmt, welches sich in Fig. 9 durch eine Verringerung des Abstandes zwischen Einzelwerten auf der Diagonalen bemerkbar macht.The relationship between the calculated and measured values for the synthesis of product No. 1 is shown in FIG. 9. In FIGS. 8 and 9 it can be seen that the end of a reaction step, the temporal change in the NCO content decreases, which makes in Fig. 9 by a reduction in the distance between individual values on the diagonal noticeable.
Zur besseren Demonstration der Abweichungen zwischen maßanalytisch ermittelten und berechneten Werten sind in Fig. 10 die Differenzen aus Referenzwerten (True) und berechneten Werten (Predict) für die einzelnen Proben aufgetragen. Aus der Figur ist zu erkennen, daß maximale Abweichungen zwischen berechnetem und maßanalytisch ermitteltem Wert von 0,108% absolut bei einem NCO-Gehalt von 1,4% nicht überschritten werden. Diese maximale Abweichung ist vermutlich auf Fehler bei der maßanalytischen Bestimmung zurückzuführen, da der maßanalytisch ermittelte Wert bei Annahme eines nahezu linearen Konzentrations-Zeit-Verlaufes zwischen 1,44% und 1,07%, also etwa bei 1,26% liegen müßte. Mit dem spektroskopischen Verfahren wurde ein NCO von 1,30% ermittelt. Mit Hilfe der Maßanalyse wurde ein Wert von 1,41 bestimmt. Das zeigt, daß bei den angegebenen Fehlern des spektroskopischen Verfahrens ein großer Einfluß der maßanalytisch verursachten Fehler eingeht.For a better demonstration of the deviations between measurement-determined and calculated values, the differences from reference values (True) and calculated values (Predict) for the individual samples are plotted in FIG. 10. From the figure it can be seen that maximum deviations between the calculated and the analytically determined value of 0.108% in absolute terms are not exceeded with an NCO content of 1.4%. This maximum deviation is presumably due to errors in the measurement analysis determination, since the measurement analysis value, assuming an almost linear concentration-time curve, should be between 1.44% and 1.07%, i.e. around 1.26%. An NCO of 1.30% was determined using the spectroscopic method. A value of 1.41 was determined using the dimensional analysis. This shows that the errors of the spectroscopic method indicated have a great influence on the errors caused by measurement analysis.
Die Fig. 10 läßt zudem noch erkennen, daß die Abweichungen der Einzelwerte statistisch nahezu normal verteilt sind. Die größte Abweichung liegt bei den Werten 4 und 17 in der Größenordnung von 0,1% NCO (absolut) vor. Die übrigen Werte zeigen eine Abweichung von 0 bis 0,05% NCO (absolut). Die Berechnungen der Einzelwerte sind bei großen und niedrigen Werten mit einer annähernd gleichen absoluten Abweichungen behaftet. Es werden Abweichungen von 3% bis 14% des NCO-Wertes im Bereich von 0,18% bis 0,68% gefunden. The Fig. 10 can also still be seen that the deviations of the individual values are statistically almost normally distributed. The greatest deviation for values 4 and 17 is of the order of 0.1% NCO (absolute). The other values show a deviation of 0 to 0.05% NCO (absolute). The calculations of the individual values are subject to approximately the same absolute deviations for large and low values. Deviations from 3% to 14% of the NCO value are found in the range from 0.18% to 0.68%.
Die Einzelkalibrationen der Reproduktionssynthesen des Produktes Nr. 1 und der beiden Polyurethane Nr. 3 und Nr. 4 ergaben vergleichbare Ergebnisse bei der Berechnung der Einzelwerte. Die Abweichungen liegen mit Werten zwischen 0,06 NCO-% und 0,10 NCO- % etwa im gleichen Bereich wie bei der oben diskutierten Synthese des Produktes Nr. 1. Es wird daher auf die graphische Gegenüberstellung von berechneten und maßanalytisch ermittelten Werten verzichtet.The individual calibrations of the reproductive syntheses of product No. 1 and the two Polyurethanes No. 3 and No. 4 gave comparable results when calculating the Individual values. The deviations are between 0.06 NCO-% and 0.10 NCO- % approximately in the same range as in the synthesis of product No. 1 discussed above. It is therefore on the graphical comparison of calculated and dimensional analysis determined values waived.
Die Einzelkalibrationen des Produktes Nr. 2 zeigten sehr unterschiedliche Abweichungen zwischen 0,036 NCO-% und 0,2 NCO-%. Ein Grund hierfür wird im Einfluß des Fehlers der maßanalytischen Bestimmung gesehen, der bei den einzelnen Synthesen in unterschiedlichem Maße auftrat. Näherungsweise wurde der Fehler des maßanalytischen Verfahrens für dieses Produkt auf 0,1% bis 0,3% des NCO-Gehaltes abgeschätzt und liegt damit merklich höher als bei den anderen Polyurethanen. Ursache für diese großen Abweichungen waren starke Ausfällungen während der Titration der Produktproben. Der Endpunkt war nicht eindeutig bzw. der Farbumschlag von blau nach gelb blieb nicht bestehen. Gemäß der Prüfanweisung für die NCO-Bestimmung ist der Endpunkt der Titration erreicht, wenn die Gelbfärbung der Lösung 30 s erhalten bleibt. Daher wurden die NCO-Werte des Produktes Nr. 2 bis zur vollständigen Umsetzung titriert (Titrationsdauer: 20 bis 30 min). Im Verlauf dieser langen Titrationszeit traten bei einem NCO-Gehalt von 0,8% Veränderungen bis zu ±0,3% auf. Eine Kalibration des spektroskopischen Verfahrens ist in diesem Fall mit Hilfe der hier eingesetzten maßanalytischen Bestimmung nicht oder nur mit großen Fehlern möglich.The individual calibrations of product No. 2 showed very different deviations between 0.036 NCO% and 0.2 NCO%. One reason for this is in the influence of the error the measurement analytical determination seen in the individual syntheses in different degrees occurred. Approximately the error of the dimensional analysis Process for this product estimated at 0.1% to 0.3% of the NCO content and is noticeably higher than that of the other polyurethanes. Cause of these great Deviations were severe precipitations during the titration of the product samples. The The end point was not clear or the color change from blue to yellow did not remain consist. According to the test instructions for the NCO determination, the end point is the Titration achieved when the solution remains yellow for 30 s. Therefore titrated the NCO values of product No. 2 until the reaction was complete (Titration time: 20 to 30 min). During this long titration period, one NCO content of 0.8% changes up to ± 0.3%. A calibration of the spectroscopic method is used in this case with the help of here measurement analytical determination not possible or only with large errors.
Ein weiterer wesentlicher Teil der Untersuchungen zu den Polyurethansynthesen ist die Prüfung der Anwendbarkeit einer Kalibrationsfunktion zur Berechnung der NCO-Gehalte einer Reproduktionssynthese. Zu diesem Zweck wurde die Kalibrationsfunktion der Synthese des Produktes Nr. 1/FN 5995112 zur Berechnung der Referenzwerte der Reproduktionssynthesen mit den Füllungsnummern (FN) 5995110 (Produkt Nr. 1) und 5995184 (Produkt Nr. 1) verwendet. Die bei der sogenannten Validierung erzielten Standardabweichungen betrugen für die Füllungsnummern 5995110 (Produkt Nr. 1) 0,055 NCO-% und für die Füllungsnummer 5995184 (Produkt Nr. 1) 0,095 NCO-%. Daher wurden die beiden Synthesen mit den Füllungsnummern 5995112 (Kalibrationssynthese Prokukt Nr. 1) und 5995184 (Reproduktionssynthese Produkt Nr. 1) im gesamten Verlauf mittels maßanalytischem und NIR-spektroskopischem Verfahren untersucht. Im Unterschied dazu wurde die Synthese mit der Füllungsnummer 5995110 (Produkt Nr. 1) nach der 1. Reaktionsstufe (vor TMP-Zugabe) abgebrochen, so daß in diesem Fall keine NCO-Werte im Bereich unter 1% vorliegen.Another essential part of the studies on polyurethane synthesis is the Testing the applicability of a calibration function for calculating the NCO content a reproduction synthesis. For this purpose the calibration function of the Synthesis of product no. 1 / FN 5995112 to calculate the reference values of the Reproduction syntheses with the fill numbers (FN) 5995110 (product no. 1) and 5995184 (Product No. 1) used. The achieved in the so-called validation Standard deviations for fill numbers 5995110 (product no. 1) were 0.055 NCO% and for the filling number 5995184 (product No. 1) 0.095 NCO%. Therefore the two syntheses with the fill numbers 5995112 (calibration synthesis Product No. 1) and 5995184 (reproduction synthesis product No. 1) in the entire course examined by means of measurement analysis and NIR spectroscopic methods. in the The difference was the synthesis with the filling number 5995110 (product no. 1) stopped after the 1st reaction stage (before TMP addition), so that in this case none NCO values in the range below 1% are available.
Die Fig. 11 und 12 zeigen die Abweichungen der maßanalytisch ermittelten von den berechneten Werten für die Synthese FN 5995110 (Produkt Nr. 1) und 5995184 (Produkt Nr. 1) auf Basis der Kalibrationsfunktion der Synthese FN 5995112 (Produkt Nr. 1). Der Wert mit der größten Abweichung wurde bei einem maßanalytisch bestimmten NCO- Gehalt von 1,41% mit einem spektroskopisch bestimmten Wert von 1,72%, d. h. einer Differenz von 0,31% ermittelt. Der Grund für diese große Differenz ist die Abweichung der Produkttemperatur zu diesem Zeitpunkt vom Sollwert von 90°C. Das Produkt wurde über Nacht abgekühlt; die exakte Temperatur (80°C-90°C) ist nicht genau quantifizierbar. Der Einfluß der Temperatur wird anhand eines Spektrums in der Aufheizphase abgeschätzt, für das sowohl der exakte Temperaturwert als auch der maßanalytisch bestimmte Referenzwert vorlagen. Die Temperatur betrug zu diesem Zeitpunkt 80°C (10°C unter Soll), der maßanalytisch bestimmte NCO-Gehalt betrug 1,44%. Mit der Kalibrationsfunktion der Synthese des Produktes Nr. 1 FN 5995112 wurde dagegen ein NCO-Gehalt von 2,14% berechnet, also eine Abweichung von 0,70%; damit ergibt sich näherungsweise ein Temperatureinfluß von ca. 0,07%/°C für diese Synthese und diesen Temperaturbereich. Dieser unerwartet große Einfluß ist wahrscheinlich nicht nur auf temperaturabhängige Änderungen in der spektralen Intensitätsverteilung, sondern evtl. auch auf Inhomogenitäten in der Reaktionsmischung während des Aufheizvorganges zurückzuführen. FIGS. 11 and 12 show the deviations of the volumetrically determined from the calculated values for the synthesis FN 5,995,110 (product no. 1) and 5,995,184 (product no. 1) based on the calibration function of the synthesis FN 5,995,112 (product no. 1). The value with the greatest deviation was determined with a measurement-analytically determined NCO content of 1.41% with a spectroscopically determined value of 1.72%, ie a difference of 0.31%. The reason for this large difference is the deviation of the product temperature at this point from the setpoint of 90 ° C. The product was cooled overnight; the exact temperature (80 ° C-90 ° C) cannot be exactly quantified. The influence of the temperature is estimated on the basis of a spectrum in the heating phase, for which both the exact temperature value and the reference value determined by measurement analysis were available. At this time the temperature was 80 ° C (10 ° C below target), the NCO content determined by measurement was 1.44%. Using the calibration function for the synthesis of product No. 1 FN 5995112, on the other hand, an NCO content of 2.14% was calculated, ie a deviation of 0.70%; this results approximately in a temperature influence of approx. 0.07% / ° C for this synthesis and this temperature range. This unexpectedly large influence is probably not only due to temperature-dependent changes in the spectral intensity distribution, but possibly also to inhomogeneities in the reaction mixture during the heating process.
Die Kalibrationsfunktion (Synthese des Produktes Nr. 1/FN 5995112) umfaßt einen Datensatz mit Werten von 0,18 bis 4,41 NCO-% und wurde bei der Synthese mit der FN 5995110 auf den Messbereich von 1,40 bis 5,65 NCO-% angewendet. Wie in Fig. 12 zu erkennen ist, ist die größte Abweichung des berechneten vom maßanalytisch ermittelten Wert im oberen NCO-Bereich festzustellen, da dieser Wert außerhalb des Kalibrationsbereiches liegt (Abweichung = 0,15 NCO-%). Die Abweichungen der berechneten Werte im Kalibrationsbereich liegen alle unter 0,1 NCO-% (max. Abweichung = 0,0996%; min. Abweichung = 0,0033 NCO-%). The calibration function (synthesis of product no. 1 / FN 5995112) comprises a data set with values from 0.18 to 4.41 NCO% and was during the synthesis with the FN 5995110 to the measuring range from 1.40 to 5.65 NCO -% applied. As can be seen in FIG. 12, the greatest deviation of the calculated value from the measurement-analytically determined value can be determined in the upper NCO range, since this value lies outside the calibration range (deviation = 0.15 NCO%). The deviations of the calculated values in the calibration range are all less than 0.1 NCO% (max. Deviation = 0.0996%; min. Deviation = 0.0033 NCO%).
Im folgenden soll geprüft werden, ob sich die NCO-Gehalte in Proben verschiedener Polyurethane mit einer gemeinsamen Kalibrationsfunktion berechnen lassen, d. h. ob auch Reaktionsgemische von Polyurethanen, die nicht von denselben Edukten abstammen, Kreuzkorrelationen besitzen. Zu diesem Zweck wurden zwei Kalibrationsdatensätze erstellt; von denen einer auf Basis der Polyurethane Nr. 1 und Nr. 2 aufgebaut ist. Diese Polyurethane weisen bei gleichen NCO-Gehalten unterschiedliche Bandenintensitäten auf. Der zweite Kalibrationsdatensatz basiert auf den Polyurethanen Nr. 1, Nr. 2 und Nr. 4. Die Spektren dieser Produkte zeigten annähernd gleiche Bandenintensitäten bei gleichen NCO- Gehalten. Für die Kalibrierung wurden jeweils die Kalibrationsdatensätze der Einzelkalibrationen (ohne Ausreißer) verwendet. Ferner wurden der gesamte Frequenzbereich und die 1. Ableitung als Datenvorbehandlung genutzt.In the following it should be checked whether the NCO contents in samples differ Let polyurethanes be calculated with a common calibration function, d. H. whether too Reaction mixtures of polyurethanes that do not derive from the same starting materials, Have cross correlations. For this purpose, two calibration data sets created; one of which is based on Polyurethane No. 1 and No. 2. This Polyurethanes have different band intensities with the same NCO contents. The second calibration data set is based on the polyurethanes No. 1, No. 2 and No. 4. The Spectra of these products showed approximately the same band intensities with the same NCO Held. The calibration data records of the Single calibrations (without outliers) are used. Furthermore, the entire Frequency range and the 1st derivative used as data pretreatment.
Bei der gemeinsamen Kalibration der Produkte Nr. 1 (Füllungsnummer 5995110, 5995112, 5995184) und Nr. 2 (Füllungsnummer 5995173) wurde ein Korrelationskoeffizient R2 von 96 erzielt. Die Ursache für diesen Korrelationskoeffizienten liegt in den bereits erwähnten Differenzen der Intensitäten der N-H-Absorptionsbande der beiden Polyurethane bei 6750 cm-1. Bei gleichen Konzentrationen in der Lösung ist die Intensität der N-H-Bande des Produktes Nr. 2 etwa ein Viertel geringer als die des Produktes Nr. 1. Dementsprechend werden die Einzelwerte des Produktes Nr. 2 tendentiell zu hoch berechnet. Die Standardabweichung ist mit 0,25% absolut angegeben. Bei der Betrachtung der berechneten Einzelwerte des Produktes Nr. 2 fällt eine höhere Abweichung vom maßanalytischen Wert auf als bei dem Produkt Nr. 1. So wird für das Produkt Nr. 2 bei einem NCO-Gehalt von 0,1% ein Wert von 0,5% berechnet.When products No. 1 (fill number 5995110, 5995112, 5995184) and No. 2 (fill number 5995173) were calibrated together, a correlation coefficient R 2 of 96 was achieved. The reason for this correlation coefficient lies in the already mentioned differences in the intensities of the NH absorption band of the two polyurethanes at 6750 cm -1 . At equal concentrations in the solution, the intensity of the NH band of product No. 2 is about a quarter lower than that of product No. 1. Accordingly, the individual values of product No. 2 tend to be calculated too high. The standard deviation is given as 0.25% absolute. When considering the calculated individual values of product No. 2, a greater deviation from the analytical value is noticeable than for product No. 1. Thus, for product No. 2 with an NCO content of 0.1%, a value of 0, 5% calculated.
Die gemeinsame Kalibration der Produkte Nr. 1, Nr. 3 und Nr. 4 ergab einen besseren Korrelationskoeffizient R2 von 99,18. Dieser liegt zwar niedriger als bei den Einzelkalibrationen, ist jedoch in einem Rahmen, der für eine Verwendung in der Praxis ausreicht (Standardabweichung = 0,15 NCO-%).The joint calibration of products No. 1, No. 3 and No. 4 resulted in a better correlation coefficient R 2 of 99.18. Although this is lower than for individual calibrations, it is within a range that is sufficient for practical use (standard deviation = 0.15 NCO%).
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Legal Events
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OP8 | Request for examination as to paragraph 44 patent law | ||
8130 | Withdrawal |