Online TD-NMR polyolefiinituotannossa:Polypropeenin ksyleeniliukoisen osuuden mallintaminen
Takila, Miika (2024)
2024
Materiaalitekniikan DI-ohjelma - Master's Programme in Materials Engineering
Tekniikan ja luonnontieteiden tiedekunta - Faculty of Engineering and Natural Sciences
This publication is copyrighted. You may download, display and print it for Your own personal use. Commercial use is prohibited.
Hyväksymispäivämäärä
2024-05-21
Julkaisun pysyvä osoite on
https://urn.fi/URN:NBN:fi:tuni-202404294828
https://urn.fi/URN:NBN:fi:tuni-202404294828
Tiivistelmä
Muoviteollisuudessa tuotantomäärät ovat suuria ja yhä useammin asiakkaalle tai käyttötarkoitukseen räätälöityjä, jonka takia on äärimäisen tärkeää saada reaaliaikaisia mittaustuloksia tuotantoprosessista. Sen lisäksi yrityksen on hyvä pyrkiä hyödyntämään uusia tekniikoita ja automaatiota, jotta tarvittava työ voidaan hoitaa turvallisesti ja tehokkaasti. Tämän diplomityön tavoitteena oli parantaa Borealis Polymers Oy:n polypropeenituotantolaitoksen laatua ja tehostaa laadunvalvontalaboratorion työajan käyttöä. Tarkoituksena työssä oli hyödyntää jatkuvatoimista online 1H-TD-NMR-spektrometria ksyleeniin liukenevan osuuden mallintamiseen. Käyttöönottamalla NMR-tekniikka voidaan laadunvalvontalaboratoriossa pienentää työlään manuaalisen menetelmän analyysifrekvenssiä. Ksyleeniin liuottamalla määritettävän kumimaisen eteeni-propeenifaasin määrällä on suuri merkitys polypropeenin mekaanisiin ominaisuuksiin, jonka takia ksyleeniliukoinen osuus on tärkeä tietää. Polypropeenin faasirakenne muodostuu jatkuvassa polymerointiprosessissa, minkä takia mahdollisimman reaaliaikainen tieto tuotteen ominaisuuksista on hyvä saada mahdollisimman aikaisessa vaiheessa tuotantolaitoksen operaattoreiden tietoon, jotta prosessia pystytään säätämään.
1H-TD-NMR-mittausten analysoinnissa hyödynnettiin polypropeenin eri faasialueiden molekyylien liikkumista, joka saatiin esiin matemaattisin funktioin mittaamalla vapaan induktion vaimenemista (FID). Säännöllisen kiderakenteen vuoksi kiteisessä faasissa molekyylien liikkuminen on rajallisempaa ja vapaan induktion vaimeneminen kiteisen faasialueen osalta on nopeaa. Amorfisessa faasissa molekyylien liikkuminen on vapaampaa ja sen vuoksi vapaa induktio vaimenee hitaammin. Kolmas työssä käsiteltävä faasialue on jotain näiden väliltä kuten myös sen vaimenemisnopeus. Nämä yhdessä muodostavat T2* FID-spektrin.
Matemaattiset funktiot, jolla FID purettiin osakomponentteihin, kuvastavat eri faasialueita. Kullakin näitä faasialueita kuvaavilla vaimenevilla funktioilla on omat aika ja amplitudi terminsä. Näiden termien suhteellisen osuuden tiedetään korreloivan ksyleeniin liukenevan osuuden kanssa. Työssä korrelaatiota etsittiin osittaisella pienimmän neliön regressiolla, joka on yksi monimuuttuja-analyyseistä. Työn lopputuloksena on malli, tai tarkemmin sen kertoimet, jotka kertomalla mittauksen FID:n osakomponenttien aika ja amplitudi termeillä saadaan mallinnettua ksyleeniin liukenevaa osuutta, eli kumimaista eteeni-propeenifaasia.
Monimuuttujamalli ennusti kohtuullisen tarkasti laboratorioanalyysin antamaa ksyleeniliukoisen osuuden massapitoisuutta. Mallia ei tämän diplomityön aikana päästy ottamaan käyttöön tuotannossa, jonka takia jäi epäselväksi, oliko mallinnuksessa riittävästi prosessivaihtelua tulevaisuuden mittauksille. Työssä käytettyjä mittauksia oli kerätty jo kesästä 2017 jonka takia mallin datapisteet sisältävät todennäköisesti riittävästi vaihtelua, tämä tulee kuitenkin varmistaa. Laatuun metodiikalla on suuri vaikutus, sillä uudella toimintatavalla analyysifrekvenssiä saadaan kasvatettua merkittävästi. Tämä tarjoaa oivan työkalun prosessin tarkempaan tutkimiseen sekä tukea ja työkalun ongelmien selvittämiseen. Myös laboratoriotyöaikaan uudella toimintatavalla on merkitystä, sillä suhteellinen aikasäästö voi olla merkittävä. Lisähyötynä saadaan myös vähennettyä liuottimien kulutusta, joka edesauttaa kestävämmän analytiikan rakentamista ja edistää turvallisempaa työskentelyä.
1H-TD-NMR-mittausten analysoinnissa hyödynnettiin polypropeenin eri faasialueiden molekyylien liikkumista, joka saatiin esiin matemaattisin funktioin mittaamalla vapaan induktion vaimenemista (FID). Säännöllisen kiderakenteen vuoksi kiteisessä faasissa molekyylien liikkuminen on rajallisempaa ja vapaan induktion vaimeneminen kiteisen faasialueen osalta on nopeaa. Amorfisessa faasissa molekyylien liikkuminen on vapaampaa ja sen vuoksi vapaa induktio vaimenee hitaammin. Kolmas työssä käsiteltävä faasialue on jotain näiden väliltä kuten myös sen vaimenemisnopeus. Nämä yhdessä muodostavat T2* FID-spektrin.
Matemaattiset funktiot, jolla FID purettiin osakomponentteihin, kuvastavat eri faasialueita. Kullakin näitä faasialueita kuvaavilla vaimenevilla funktioilla on omat aika ja amplitudi terminsä. Näiden termien suhteellisen osuuden tiedetään korreloivan ksyleeniin liukenevan osuuden kanssa. Työssä korrelaatiota etsittiin osittaisella pienimmän neliön regressiolla, joka on yksi monimuuttuja-analyyseistä. Työn lopputuloksena on malli, tai tarkemmin sen kertoimet, jotka kertomalla mittauksen FID:n osakomponenttien aika ja amplitudi termeillä saadaan mallinnettua ksyleeniin liukenevaa osuutta, eli kumimaista eteeni-propeenifaasia.
Monimuuttujamalli ennusti kohtuullisen tarkasti laboratorioanalyysin antamaa ksyleeniliukoisen osuuden massapitoisuutta. Mallia ei tämän diplomityön aikana päästy ottamaan käyttöön tuotannossa, jonka takia jäi epäselväksi, oliko mallinnuksessa riittävästi prosessivaihtelua tulevaisuuden mittauksille. Työssä käytettyjä mittauksia oli kerätty jo kesästä 2017 jonka takia mallin datapisteet sisältävät todennäköisesti riittävästi vaihtelua, tämä tulee kuitenkin varmistaa. Laatuun metodiikalla on suuri vaikutus, sillä uudella toimintatavalla analyysifrekvenssiä saadaan kasvatettua merkittävästi. Tämä tarjoaa oivan työkalun prosessin tarkempaan tutkimiseen sekä tukea ja työkalun ongelmien selvittämiseen. Myös laboratoriotyöaikaan uudella toimintatavalla on merkitystä, sillä suhteellinen aikasäästö voi olla merkittävä. Lisähyötynä saadaan myös vähennettyä liuottimien kulutusta, joka edesauttaa kestävämmän analytiikan rakentamista ja edistää turvallisempaa työskentelyä.