Development of an in-line colorymeter to monitor polymer extrusion

Abstract

This work shows the development, construction, validation and application of an in-line colorimeter used for real time color quantification of the melted flow during polymer processing in the extruder. The device uses a set of four colored LED’s, red (R), green (G), blue (B) and white (W), that intermittently and sequentially illuminate the melt flow with its intensity transmitted through the flow and quantified by a single photocell. At first the device was validated in bench using aqueous colored solutions and later in the extruder during processing, using known concentrations of the acid dye diluted in polymer. The device was able to quantify with precision and in real time the attenuation of the different wavelengths emitted by each LED, caused by the presence of chromophore groups in the melted flow. It was successful to use to monitor in real time the degradation of polypropylene submitted to multiple extrusions. Degradation was proven through off-line analyses of multiprocessed polypropylene via rheometry and spectroscopy absorption on UV-visible. It was also used to quantify color in the melted mixture of polypropylene/montmorillonite (PP/MMT) to obtain nanocomposites. Using hue and luminosity parameters of the color it was possible to follow oxidation of iron ions present as impurity in the clay structure, determining which clays were better suited to these nanocomposite production.Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior (CAPES)Este trabalho mostra o desenvolvimento, construção, validação e aplicação de um Colorímetro in-line para a quantificação em tempo real da cor do fluxo fundido durante o processamento do polímero na extrusora. Ele é constituído por um conjunto de quatro LEDs (Light Emitting Diode) nas cores vermelho (R), verde (G), azul (B) e branco (W) que iluminam de forma intermitente e sequencial o fluxo fundido sendo a intensidade da luz transmitida através do fundido quantificada por uma única fotocélula. Inicialmente o dispositivo foi validado em bancada, com o uso de fluxo de soluções aquosas coloridas e a seguir diretamente no processo de extrusão, com o uso de formulações de polímero tingido com corante ácido em concentrações conhecidas. O dispositivo mostrou-se capaz de quantificar com precisão e em tempo real a atenuação dos diferentes comprimentos de onda da luz emitida pelos diferentes LEDs, causada pela presença de grupos cromóforos presentes no fluxo fundido. Ele foi utilizado com sucesso no monitoramento em tempo real da degradação do polipropileno submetido a múltiplas extrusões. Esta foi comprovada através de medidas off-line das características reológicas e de absorção no espectro UV-visível do polipropileno multiprocessado. Também foi usado para a quantificação da cor formada durante a mistura no estado fundido para a formação de nanocompósitos de polipropileno/montmorilonita (PP/MMT). Através da análise dos parâmetros de tonalidade e luminosidade da cor foi possível acompanhar a oxidação dos íons de ferro presentes como impureza na estrutura da argila e assim determinar as melhores argilas na produção destes nanocompósitos