Brimrose AOTF-NIR光谱仪在聚合物行业的应用-测量低密度聚乙烯的密度和熔体指数

目的
这项研究的目的是测试AOTF-NIR光谱法作为测量聚乙烯密度和熔体指数的方法的可行性，计算两种组分的预测标准误差（SEP），并评估这是否是一种 在线分析聚烯烃化学和物理性质的可行方法。

介绍
声光可调滤波器（AOTF）的原理是基于各向异性介质中光的声衍射。 该设备包括一个与双折射晶体结合的压电换能器。 当换能器被施加的RF信号激励时，晶体中会产生声波。 传播的声波产生折射率的周期性调制。 这提供了一个移动相位光栅，该光栅在适当条件下将使入射光束的一部分衍射。 对于固定的声频，光学频率的窄带满足相位匹配条件并被累积衍射。 随着RF频率的改变，光带通的中心也相应地改变，从而保持了相位匹配条件。

光谱的近红外区域从800nm扩展到2500nm。在该区域中最突出的吸收带是由于泛音和中红外区域中活跃的基本振动的组合所致。能量跃迁在基态与第二或第三激发振动态之间。因为较高的能量跃迁相继发生的可能性较小，所以每个泛音的强度都相继较弱。由于达到第二或第三激发态所需的能量大约是一阶跃迁所需能量的两倍或三倍，并且吸收的波长与能量成反比，因此吸收带出现在大约一半和三分之一处基波的波长。除了简单的泛音外，还会出现组合音带。这些通常涉及拉伸以及摇摆模式的一个或多个弯曲。可能有许多不同的组合，因此NIR区域很复杂，许多频带分配尚未解决。
近红外光谱法目前被用作定量工具，其依靠化学计量学来开发将成分的参考分析与近红外光谱的参考分析联系起来的校准方法。 NIR数据的数学处理包括多元线性回归（MLR），主成分分析（PCA），主成分回归（PCR），偏最小二乘（PLS）和判别分析。 所有这些算法都可以单独使用或组合使用，以产生目标成分的定量预测和定性描述的最终目标。

方法
本研究使用121份具有已知熔体指数和密度值的低密度聚乙烯样品。 使用具有旋转杯附件的Brimrose Free Space光谱仪收集光谱。 旋转样品以平均出样品中的各种影响，例如均匀性和粒度差异。 在1100nm和2300nm之间以2nm的分辨率收集光谱。 每个样品收集100次扫描，并将这些扫描平均为一个光谱。 每次读数的数据采集时间约为3秒。 光谱以吸收模式收集，然后处理为一阶导数。 然后将一阶导数数据导入化学计量软件包中。对该数据进行Unscrambler和PLS 1分析。

结果

1，光谱

一些聚乙烯样品的吸收光谱

一些聚乙烯样品的一阶导数光谱

2，回归和建模

聚乙烯样品密度的PLS 1回归模型

聚乙烯样品中密度的PLS 1回归图显示了测量值和预测值之间的极好的相关性。 此图中的两个不同数据集是由于两种不同等级的材料引起的。 样本048和060是两个过渡样本。 数据点创建了一条最佳拟合线，相关系数值0.985非常高。 SEP等于0.54，这证明该回归模型将能够根据光谱数据准确预测聚乙烯的密度。 SEP完全在6％的标准偏差目标值之内。

用于聚乙烯样品中密度的PLS 1分析的回归系数

用于密度的PLS 1回归的回归系数图显示，大多数回归信息来自1680nm至1740nm的波长区域。 该区域对应于C-H拉伸的第一个泛音，是人们期望看到与密度变化相对应的光谱变化的区域。 聚合物中的密度对应于结晶的变化，这就是引起光谱数据变化的原因。 一阶导数数据显示从1680nm到1740nm的波长范围内最大的变化量这一事实证实，可以使用来自这些波长范围的光谱数据和校准模型来量化密度的变化。

由于熔体指数的值范围很广，因此决定将熔体指数的校准分为低熔体指数校准和高熔体指数校准。

低熔体指数的值范围是0.7到2.0，低熔体指数的范围是2.0到95。

聚乙烯样品中低熔体指数的PLS 1回归模型。 SEP等于0.16，相关系数等于0.957。

、聚乙烯样品中高熔体指数的PLS 1回归模型。 SEP等于3.14，相关系数等于0.978。

用于聚乙烯样品中高熔体流动指数的PLS 1分析的回归系数

与密度一样，回归系数表明，高熔体流动指数回归的大部分信息都来自1680nm至1740nm波长范围，这是C-H拉伸的第一个泛音。 回归系数中的少量噪声表明没有数据的过拟合。

聚乙烯样品中密度，低熔体指数和高熔体指数的PLS 1回归的SEP和相关系数的摘要。

结论与建议

这项可行性研究表明，Brimrose Free Space光谱仪可用于测量低密度聚乙烯中的密度和熔体指数。 SEP的低值和相关系数的高值都在6％的标准偏差之内。以前的经验表明，在熔融指数的情况下使用局部模型会进一步降低SEP。这些样品在实验室中使用旋转杯组件进行了测量，在线测量应显示出更好的结果。 Brimrose开发的光谱抑制软件在该应用中将具有无可估量的价值。该软件仅在窗前有足够的材料时对光谱进行平均，而在材料量不足时将拒绝光谱。自清洁窗口将确保可以拍摄到足够好的光谱。建议Brimrose安装一台光谱仪进行低密度聚乙烯的在线测试，该测试仪可用于创建一个模型，以便对聚乙烯的密度和熔体流动指数进行连续在线测试。

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