Патент на изобретение №2300101

(54) АНАЛИЗАТОР ДЛЯ АВТОМАТИЧЕСКОГО ЭКСПРЕСС-АНАЛИЗА СОДЕРЖАНИЯ АЦЕТАЛЬДЕГИДА В ИЗДЕЛИЯХ ИЗ ПОЛИЭТИЛЕНТЕРЕФТАЛАТА, В ЧАСТНОСТИ В ПРЕССОВАННЫХ ЗАГОТОВКАХ, И СПОСОБ РАБОТЫ

(57) Реферат:

Анализатор для экстрагирования ацетальдегида и автоматического определения его содержания в пробах в виде заготовок из полиэтилентерефталата содержит десорбционную ячейку, систему анализа с разделительной колонкой для выделения ацетальдегида, систему клапанных средств для управления потоками текучих сред в анализаторе, средство нагрева десорбционной ячейки. Десорбционная ячейка выполнена с возможностью продувки ее воздухом, размещения в ней упомянутой пробы и повышения давления. Десорбционная ячейка соединена с трубкой для ввода газовых проб, обеспечивающей прием газообразной пробы ацетальдегида, которая затем передается в разделительную колонку. 2 н. и 7 з.п. ф-лы, 3 ил.

Область техники

Настоящее изобретение относится к анализатору для автоматического экспресс-анализа содержания ацетальдегида в изделиях из полиэтилентерефталата (PET), в частности, в сформованных заготовках, и к способу работы анализатора.

Предшествующий уровень техники

Определение содержания ацетальдегида (АА) в сформованных заготовках из полиэтилентерефталата (PET) как показателя разложения PET является в настоящее время общеизвестным тестом, используемым в качестве параметра для подтверждения высокого качества продукции. Современный аналитический способ заключается в том, что приготавливают пробу криогенным измельчением сформованной заготовки и выполняют газохроматографический анализ по технологии определения состава летучих веществ в свободном пространстве над продуктом. Чтобы получить значимые данные, измерительные приборы должны быть откалиброваны с использованием надежного точного стандартного раствора. Для этого требуется выполнить перегонку стандартного раствора ацетальдегида, титровать дистиллят и приготовить серию контрольных проб разной концентрации для использования при построении диаграммы внешней калибровки. В этом способе данные, демонстрирующие высокую повторяемость в одной лаборатории, часто не удается воспроизвести в другой лаборатории. Процедуры обработки (манипулирования, разрезания и т.д.) анализируемой пробы в виде сформованной заготовки, которые обеспечивают возможность выполнения анализа в существующих лабораторных системах, играют важную роль в отношении точности и воспроизводимости результатов.

Кроме того, уровень технических затрат и затрат времени на проведение теста позволяет выполнять только единичные технологические проверки, учитывая количество сформованных заготовок, сформированных на обычном производстве. Обычно в сутки выполняют от 1 до 5 измерений для проверки продукции одного пресса для литья под давлением производительностью в среднем около 15000 сформованных заготовок в час.

В соответствии с известным уровнем техники содержание ацетальдегида определяют в химической лаборатории с использованием аналитического комплекса, в общем случае состоящего из статического пробоотборника летучих веществ в свободном пространстве над продуктом в комбинации с газовым хроматографом. Пробу следует предварительно подвергнуть криогенному измельчению, просеять и взвесить, а, кроме того, приготовление стандартного раствора ацетальдегида требует участия обученного лабораторного персонала для проведения лабораторных способов (титрование, приготовление стандартных растворов и т.д.). Сформованные заготовки отбирают на производстве и передают в лабораторию. Результаты анализа получают через какое-то время, не соизмеримое с темпами производства. Отсутствие результатов экспресс-анализа часто приводит к выбраковке больших объемов продукции.

В статье К.С.Khemani “A novel approach for studying the thermal degradation and for estimating the rate of acetaldehyde generation by the chain scission mechanism in ethylene glycol based polyesters and co-polyesters” (Новый подход к изучению термического разложения и оценки степени формирования ацетальдегида при разрыве цепи этиленгликоля на основе полиэфиров и сополиэфиров), опубликованной в журнале Polymer Degradation and Stability за январь 2000 г., приведено описание системы для анализа механизма разложения PET методом газохроматографического анализа при 280°С. Комплекс содержит алюминиевую лодочку для отбора проб и загрузки заготовок для термической обработки в печи, газовый хроматограф, охлаждаемую ловушку и детектор.

Краткое изложение существа изобретения

Задачей настоящего изобретения является совершенствование контроля технологического процесса производства сформованных заготовок из PET посредством сокращения времени и стоимости анализа.

Другой задачей изобретения является создание системы, обеспечивающей быстрое выполнение анализов АА, например быстрее чем за тридцать минут, и, в частности, выполнять анализ в непосредственной близости или на промышленном предприятии без использования специализированных лабораторий и способов.

Еще одной задачей настоящего изобретения является устранение указанных недостатков.

Еще одной задачей настоящего изобретения является создание анализатора для автоматического экспресс-анализа содержания ацетальдегида в изделиях из полиэтилентерефталата для использования непосредственно на производстве изделий из PET, который позволяет работать даже с гранулами упомянутого материала.

Поставленная задача согласно изобретению решена путем создания способа и анализатора для автоматического экспресс-анализа содержания ацетальдегида в сформованных заготовках или гранулах PET, признаки которых сформулированы в прилагаемой формуле изобретения.

Способ экстрагирования ацетальдегида и определения его содержания в пробах PET в форме либо целых заготовок, либо в виде кусков или гранул полиэтилентерефталата (PET) согласно изобретению заключается в том, что помещают пробу PET в десорбционную ячейку, продувают десорбционную ячейку воздухом, выдерживают и нагревают пробу PET, помещенную в ячейку, повышают давление в ячейке, загружают трубку для ввода газовых проб и передают содержимое трубки для ввода газовых проб в газохроматографическую колонку и из колонки в детектирующую систему.

Целесообразно, чтобы содержимое трубки для ввода газовых проб передавали посредством транспортирующего газа, например водорода.

Полезно, чтобы газохроматографическую колонку оптимизировали для выделения ацетальдегида.

Предпочтительно, чтобы продувку ячейки воздухом начинали автоматически после удаления пробы PET.

Анализатор для экстрагирования ацетальдегида и автоматического определения его содержания в пробах PET согласно изобретению содержит:

десорбционную ячейку, выполненную с возможностью размещения в ней упомянутой пробы,

средство для продувки десорбционной ячейки воздухом,

электрически управляемое средство нагрева для выдерживания и нагревания пробы PET, помещенной в ячейку,

средство для повышения давления в ячейке,

систему анализа, содержащую разделительную колонку, для выделения ацетальдегида,

трубку для ввода газовых проб, соединенную с ячейкой для приема газообразной пробы ацетальдегида, которая затем передается в разделительную колонку, а затем в детектирующую систему, при этом анализатор содержит систему управляемых клапанных средств для управления потоками текучих сред в анализаторе.

Целесообразно, чтобы управление системой клапанных средств осуществлялось в соответствии с программой системы управления и обработки данных.

Полезно, чтобы анализатор содержал устройство для измерения парциального давления при десорбции.

Предпочтительно, чтобы ячейка была снабжена перфорируемой заслонкой для впрыскивания в ячейку смеси известной концентрации ацетальдегида для калибровки.

Полезно, чтобы для калибровки ячейка была соединена с баллоном через вентиль или аналогичным источником смеси азота с ацетальдегидом известной концентрации ацетальдегида.

Целесообразно, чтобы ячейка была снабжена электрически управляемым средством нагрева.

Краткое описание чертежей

Далее настоящее изобретение поясняется описанием предпочтительного примера реализации со ссылками на прилагаемые чертежи, на которых:

фиг.1 изображает общий вид анализатора согласно изобретению;

фиг.2 – блок-схему анализатора согласно изобретению;

фиг.3 – один из вариантов десорбционной ячейки (продольный разрез), пригодной для использования с пробами в виде сформованных заготовок и с пробами PET в других состояниях согласно изобретению.

Подробное описание предпочтительных вариантов осуществления изобретения

В качестве проб использованы сформованные заготовки из PET, но это не является ограничением, поскольку можно также использовать для анализа сырье (гранулы) или изделия (бутыли), изготавливаемые из сформованных заготовок.

В соответствии со способом вначале выполняют калибровку анализатора с использованием баллона с сертифицированным газом (смесью азота с ацетальдегидом известной концентрации) и/или водного раствора ацетальдегида, подлежащего впрыскиванию в измерительную ячейку (описана ниже), а затем по окончании калибровки анализатора выполняют анализ без специальной подготовки сформованной заготовки. В случае производства сформованных заготовок из PET способ в соответствии с настоящим изобретением можно применить в цехе благодаря компактной конструкции анализатора и отсутствию потребности в квалифицированном обученном персонале, поскольку достаточно квалификации обычного персонала производственной установки. Указанное преимущество позволяет осуществлять оперативный контроль выпускаемой продукции.

Вышеизложенное означает возможность выполнения, по меньшей мере, одного анализа содержания АА на контейнер, содержащий 7500-15000 кусков, поставляемых производителем изготовителю бутылок из сформованных заготовок. Поэтому, учитывая, что среднее время загрузки составляет около 30-60 минут, удается обеспечить большой запас по времени работы пресса для литья под давлением и, следовательно, можно управлять процессом при необходимости с принятием мер сразу же после того, как полученные данные сигнализируют о повышении степени разложения материала. Следует также учитывать, что установки работают в режиме непрерывного производства. Поэтому желательно увеличить число проверок, что позволит повысить качество процесса за счет снижения стоимости анализа.

Способ экспресс-анализа в соответствии с настоящим изобретением в предпочтительном варианте реализации осуществляется в одном устройстве, смонтированном в контейнере 50, содержащем термостатированную камеру 70 для анализа с клапанами, разделительную колонку 16, детектирующую систему 17, трубку 9 для ввода газовых проб и экстракционную или десорбционную ячейку 1. Монитор или графический дисплей 52 смонтирован на передней панели. К устройству подключены клавиатура 51 для ввода команд и данных и принтер (не показан) для распечатки бумажных копий результатов анализа. Контейнер 50 содержит также систему обработки данных.

На фиг.2 более подробно показаны элементы системы и порядок работы. Система содержит ячейку для десорбции или экстрагирования ацетальдегида, в которую помещают сформованную заготовку. Ячейку можно подсоединить к известной газохроматографической колонке 16, способной выделять ацетальдегид, присутствующий в анализируемой пробе (сформованной заготовке). Колонка 16 соединена с известной детектирующей системой (пламенно-ионизационного типа) и с известной трубкой для ввода газовых проб, которая действует таким образом, чтобы в ней содержался постоянный объем газообразной пробы.

Способ осуществляется следующим образом

На этапе 1 продувают десорбционную ячейку 1 воздухом, при этом клапаны 32 и 36 закрыты, клапаны 30 и 31 открыты, чтобы воздух мог подаваться под постоянным давлением, например 1,5 бар или ниже, из баллона через входной вентиль 21, протекать в ячейку 1 и затем выходить через выпускной вентиль 20. Пробу (например, сформованную заготовку) предварительно помещают в ячейку.

На этапе 2 выдерживают и нагревают пробу, при этом клапаны 30, 31, 32 и 36 закрыты, пробу выдерживают в замкнутом объеме воздуха заданное время, которое определяют экспериментально, при высокой температуре, например около 140°С, в течение 30 минут, если применяется ячейка объемом 150 мл.

На этапе 3 повышают давление, при этом клапаны 30, 32 и 36 закрыты, клапан 31 открыт для повышения давления внутри ячейки 1, например около 1,5 бар, давление измеряют устройством 15 (датчик давления).

На этапе 4 загружают трубку для ввода газовых проб, при этом клапаны 30, 31, 34а, 35а и 36 закрыты, клапаны 32 и 33 открыты для сброса давления в ячейке 1 с одновременной загрузкой трубки 9 для ввода газовых проб.

На этапе 5 выполняют анализ, при этом клапаны 32 и 33 закрыты, клапаны 34а и 35а открыты, чтобы транспортный газ 23 (водород, подаваемый под давлением из баллона) мог протекать через клапан 34а и транспортировать содержимое трубки 9 через клапан 35а, чтобы содержимое трубки 9 достигало колонки 16, а затем попадало в детектирующую систему 17.

Управление различными этапами процесса анализа, т.е. переключениями клапанов и другими операциями, например интегрированием, отображением хроматограмм, запоминанием данных и т.д., осуществляет система 19 управления и обработки данных, представляющая собой персональный компьютер.

Клапаны 32, 33, 34а и 35а представляют собой известные «клапаны для автоматического отбора проб малого объема», которые способны отбирать пробы объемом несколько микролитров непосредственно в газохроматографическую колонку без использования специальных методов разделения проб, что позволяет исключать ошибки лаборантов, присущие этому способу.

Десорбционная ячейка 1 (фиг.3) образована областью 41, например, цилиндрической формы, окруженной электрически подогреваемой и соответствующим образом изолированной втулкой 42, и съемной герметично уплотняющей кольцевой гайкой 43, которая в снятом положении позволяет вставить сформованную заготовку Р. Трубка 35, соединенная с клапаном 30 продувочного соединителя 20, открывается в переднюю часть ячейки, а трубка 34 установлена с внутреннего торца ячейки. Ячейка 1 позволяет вставлять в нее пробы в виде сформованных заготовок разной длины и ширины. После установки сформованной пробы в ячейку 1 накладная кольцевая гайка обеспечивает герметичное уплотнение экстракционной системы.

Кольцевая гайка 43, образованная из нескольких элементов, содержит седло 62 для установки в него и удерживания перфорируемой заслонки 60, через которую в ячейку можно впрыскивать водный раствор ацетальдегида. В кольцевой гайке предусмотрено отверстие 64 для впрыскивающей иглы.

Анализ в соответствии с настоящим изобретением выполняют следующим образом. Периодически осуществляют калибровочный цикл, в ходе которого водный раствор с известной концентрацией ацетальдегида впрыскивают шприцом в десорбционную ячейку 1 через перфорируемую заслонку 60. Калибровку можно также выполнять с использованием стандартного контрольного газа, для чего соединитель 24 подсоединяют к баллону, содержащему азот с известной концентрацией ацетальдегида. Оператор вставляет пробу в ячейку 1 и запускает систему, которая последовательно выполняет вышеописанные этапы (воздушную продувку, выдержки с нагреванием, повышение давления, загрузку трубки для ввода газовых проб, анализ). В течение цикла парциальное давление контролируется устройством 15. Парциальное давление пропорционально количеству десорбированной воды и ацетальдегида. Контроль парциального давления позволяет впоследствии подтвердить результаты анализа проверкой того, что парциальное давление всегда сохраняется ниже уровня давления, установленного для цикла повышения давления в объеме пробы. Если указанный уровень превышается, то выдается предупредительный сигнал или предупредительное сообщение. По окончании цикла анализа получают разделение компонентов, распечатывается график и выдается режим анализа. График состоит из хроматограммы, на которой области пиков пропорциональны концентрациям экстрагированных компонентов, в том числе концентрации ацетальдегида. Окончательный результат вычисляют на основании калибровки и корректируют с учетом коэффициента (умножением на коэффициент), который представляет собой отношение объема пустой ячейки к ее свободному объему после размещения в ячейке сформованной заготовки. По окончании цикла анализа система возвращается в режим ожидания.

Выше описаны предпочтительные варианты осуществления настоящего изобретения, но специалистам в данной области техники очевидна возможность модификации способа, что не выходит за пределы заявленного изобретения.

Промышленная применимость

К преимуществам заявленного изобретения относится отсутствие потребности в квалифицированном персонале. Кроме того, не расходуется время на приготовление анализируемых проб. Кроме того, настоящее изобретение позволяет получать результаты, которые сравнимы с результатами, получаемыми в лаборатории с использованием известных способов, при этом результаты получают за существенно сокращенное время с большей степенью достоверности, поскольку результаты не зависят от субъективных ошибок оператора.

Сигналы детектора 17 обрабатывают известным способом для получения хроматограммы и сравнения измеренного содержания ацетальдегида с заданным значением, в случае превышения которого система выдает для обслуживающего персонала визуальное и/или звуковое предупреждения о непригодности партии прессованных заготовок.

Термин «проба PET», используемый в нижеследующей формуле изобретения, относится не только к сформованной заготовке в целом, но также к гранулам или кускам PET.

Формула изобретения

1. Способ экстрагирования ацетальдегида и определения его содержания в пробах полиэтилентерефталата (PET) в форме либо целых заготовок, либо в виде кусков или гранул PET, заключающийся в том, что

помещают пробу PET в десорбционную ячейку (1), продувают десорбционную ячейку (1) воздухом, выдерживают и нагревают пробу PET, помещенную в ячейку (1), повышают давление в ячейке (1), загружают трубку (9) для ввода газовых проб и передают содержимое трубки (9) для ввода газовых проб в газохроматографическую колонку (16) и из колонки в детектирующую систему (17).

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что содержимое трубки (9) для ввода газовых проб передают посредством транспортирующего газа, например водорода.

3. Способ по п.1, отличающийся тем, что газохроматографическую колонку (16) оптимизируют для выделения ацетальдегида.

4. Способ по п.1, отличающийся тем, что осуществляют удаление пробы PET, после чего продувку десорбционной ячейки воздухом начинают автоматически.

5. Анализатор для экстрагирования ацетальдегида и автоматического определения его содержания в пробах PET, содержащий

десорбционную ячейку (1), выполненную с возможностью продувки ее воздухом, размещения в ней упомянутой пробы и повышения в ней давления,

электрически управляемое средство нагрева десорбционной ячейки (1) для выдерживания и нагревания пробы PET,

систему анализа, содержащую разделительную колонку (16), для выделения ацетальдегида,

трубку (9) для ввода газовых проб, соединенную с десорбционной ячейкой (1) для приема газообразной пробы ацетальдегида, которая затем передается в разделительную колонку (16), а затем в детектирующую систему (17), при этом анализатор содержит систему управляемых клапанных средств для управления потоками текучих сред в анализаторе.

6. Анализатор по п.5, отличающийся тем, что управление системой клапанных средств осуществляется в соответствии с программой системы (19) управления и обработки данных.

7. Анализатор по п.5 или 6, отличающийся тем, что содержит устройство (15) для измерения парциального давления при десорбции.

8. Анализатор по п.7, отличающийся тем, что ячейка (1) снабжена перфорируемой заслонкой (60) для впрыскивания в ячейку смеси известной концентрации ацетальдегида для калибровки.

9. Анализатор по п.7, отличающийся тем, что для калибровки ячейка (1) соединена с баллоном через вентиль (24) или аналогичным источником смеси азота с ацетальдегидом известной концентрации ацетальдегида.

РИСУНКИ