Bei RTV-Silikonreaktoren, MS-Polymer-Dichtstoffen und reaktiven Konstruktionsklebstoffen entscheidet nicht die Frage, ob eine einzelne Charge innerhalb der Spezifikation liegt, sondern wie eng dieser Parameter über die gesamten 24 Produktionsmonate eingehalten wird. Die Chargenstabilität wirkt sich direkt auf die Haftung und die Trocknungszeit beim Endkunden aus – und ein klassisches QC-Labor kann diese Entwicklung im Reaktortempo nicht verfolgen. Dies ist genau eine der Chemien, für die wir Sonden und chemometrische Modelle direkt auf die jeweilige Rezeptur abstimmen.
In diesem Artikel beschreiben wir, warum die Inline-Messung mittels Raman-Spektroskopie in der Silikon-, Klebstoff- und Dichtstofflinie die höchste Rendite aller PAT-Techniken erzielt – und wie man sie praktisch umsetzt, ohne den Reaktor umzubauen.
Warum Batch-to-Batch in der Produktion von Silikonen, Klebstoffen und Dichtstoffen schmerzt
In RTV- und HTV-Silikonreaktoren entscheiden zwei Variablen, die das Labor nicht zeitnah verfolgen kann: der endgültige Umsetzungsgrad (restliches Vinyl- oder Wasserstoffmonomer bei der Hydrosilylierung) sowie die Zwischenviskosität während der Polykondensation. Ein kleiner Unterschied in der Temperaturhaltezeit – fünf, zehn Minuten – verschiebt die Kettenlängenverteilung und ergibt eine Charge, die formal im COA liegt, sich aber in der Anwendung beim Kunden anders verhält.
Bei Acryl- und Epoxidklebstoffen ist ein analoges Problem die unvollständige Monomerumsetzung: Restliches Methacrylat verringert die Festigkeit der Klebeverbindung und führt zu Migration, während nicht umgesetzte Epoxidgruppen das Aushärtungsprofil in der Anwendung verändern. Bei Silan- und MS-Polymer-Dichtstoffen sind die Feuchtigkeit des Ansatzes und der Hydrolysegrad des Vorläufers kritisch – Parameter, die im klassischen Workflow erst nach einer Probe aus dem FT-IR-Labor sichtbar werden, also mit einer Verzögerung von 2–4 Stunden.
Der Effekt? Die Linie arbeitet in einem sicheren, aber breiten Prozessfenster. Nacharbeit, Reblends und herabgestufte Produktqualität kosten auf Jahressicht mehr als der CAPEX für einen Inline-Analysator.
Was Raman in Silikonen, Klebstoffen und Dichtstoffen sieht
Die Raman-Spektroskopie liest Schwingungen kovalenter Bindungen – und das macht sie zum idealen Werkzeug für drei Materialfamilien, deren Chemismus sich grundlegend unterscheidet:
Silikone (PDMS, RTV-1, RTV-2, HTV). Die symmetrische Streckung des Si–O–Si-Gerüsts ergibt eine deutliche Bande bei etwa 490 cm⁻¹, die Si–CH₃-Deformation erstreckt sich bei ~700 cm⁻¹, und die symmetrische Schwingung der Si–CH₃-Gruppe liegt bei ~1260 cm⁻¹. Dies sind Banden mit starkem Signal und geringer Fluoreszenz – Silikon ist geradezu ein „idealer Analyt” für 785 nm.
Acrylklebstoffe und -komposite. Das Methacrylat-Monomer hat ein deutliches C=C-Schwingungssignal bei etwa 1640 cm⁻¹, dessen Abnahme direkt den Umsetzungsgrad anzeigt. Ein quantitatives PLS-Modell auf dieser Merkmalsbasis ermöglicht die Echtzeitverfolgung des Reaktionsendpunkts.
Epoxidklebstoffe. Der Oxiranring zeigt eine Atmungsschwingung bei etwa 1250 cm⁻¹, und die Etherbrücke des Epoxidgerüsts erscheint bei ~915 cm⁻¹. Der Intensitätsabfall dieser Banden während der Aushärtung ermöglicht die Berechnung der Konversion.
Silan- und MS-Polymer-Dichtstoffe. Polyethergerüstschwingungen, Alkoxysilanvernetzung und restliches Alkoxy sind parallel sichtbar – Raman erfasst all diese Strukturen in einem einzigen Spektrum, ohne Phasentrennung oder Probenahme.
In unserem Spectrally X1 INLINE Standardbereich 300–1650 cm⁻¹ sind praktisch alle diagnostischen Banden dieser Materialgruppe enthalten. Eine Auflösung von 8 cm⁻¹ ermöglicht die sichere Trennung überlappender Si–CH₃- und Gerüstdeformationssignale – ohne Risiko eines Aliasing im chemometrischen Modell.
Inline vs. At-Line – wo die Messung den größten Effekt auf den CPK hat
Die Entscheidung, ob in einen Inline-Analysator im Reaktor oder eine At-Line-Station neben der Linie investiert wird, hängt davon ab, wie schnell der Prozess driftet. Bei RTV-Silikonen läuft die Reaktion in Minuten ab, daher stoppt eine stündliche Probenahme die Abweichung nicht – hier ist Inline die einzig sinnvolle Wahl. Bei Dichtungsmassen, bei denen die Vernetzungsreaktion langsam ist und der Mischer selbst in 2–4-Stunden-Zyklen arbeitet, bietet At-Line mit einer Messung alle 15 Minuten einen vergleichbaren operativen Effekt und ist kostengünstiger in der Implementierung.
In der Praxis kombinieren wir beide Ebenen: Spectrally X1 INLINE überwacht den kritischen Reaktor, während Spectrally X1 LAB Proben aus Mischern, dem Rohstofflager und der Ausgangskontrolle bedient. Die chemometrischen Modelle teilen sich dieselbe Bibliothek in der Plattform Spectrally OS, sodass der Arbeitspunkt aus dem Inline-System eins zu eins gegen ein Laborspektrum validiert werden kann – ohne doppelte Kalibrierung.
In unseren Implementierungen in der Reaktivchemie führt die Reduzierung der Chargenvariabilität (CPK) typischerweise zu 8–12% weniger Nacharbeiten und einer um etwa 10% kürzeren Reaktorzykluszeit – ohne Rezepturänderungen, allein durch präzisere Endpunkterkennung.
Implementierung: Sonde, Fluoreszenz, Kalibrierung
Drei Elemente, die über den Erfolg der Implementierung in Silikonen und Klebstoffen entscheiden:
1. Sondenauswahl. Silikonreaktoren enthalten oft viskose und suspensivhaltige Medien mit Tendenz zur Produktablagerung auf dem optischen Fenster. Für solche Prozesse konfigurieren wir im Spectrally X1 INLINE ein selbstreinigendes Retractex-Modul – die Sonde fährt zyklisch in eine Spülposition zurück, reinigt das Fenster mit Inertgas oder Spülmedium und kehrt in den Prozess zurück. Dies gewährleistet Signalsstabilität über tausende Betriebsstunden ohne manuellen Eingriff.
2. Fluoreszenz. Entgegen der landläufigen Meinung haben reine Silikone und die meisten Acrylklebstoffe bei einer Anregung von 785 nm eine geringe Fluoreszenz. Probleme treten bei Compounds mit Farbstoffen, Ruß oder Stabilisatoren auf – dann verwenden wir Unterdrückungstechniken, die in unserem Leitfaden zur Fluoreszenzunterdrückung. detailliert beschrieben sind. Meistens reichen eine Optimierung der Akquisitionszeit und eine Baseline-Korrektur aus; in extremen Fällen schlagen wir eine Konfiguration mit erweitertem Spektralbereich vor, bei der das Signal unter dem Fluoreszenzschwanz hervortritt.
3. Chemometrische Kalibrierung. PLS-Modelle für Restmonomer, Umsetzungsgrad oder Mischungszusammensetzung erstellen wir anhand von Kundenproben – in einem Feasibility-Zyklus, bevor die Ausrüstung zum Standort geht. Der RMSECV liegt bei typischen Silikonrezepturen in der Größenordnung von 0,1–0,3 Gew.-% Monomer im Kalibrierbereich von 0,5–8%; für Restepoxid typischerweise unter 0,5 Gew.-%. Das Modell lebt in Spectrally OS, welches den Drift des Referenzspektrums überwacht und die Notwendigkeit einer Rekalibrierung signalisiert, bevor diese das Ergebnis auf der Linie beeinflusst.
Die Integration mit DCS, MES und Historian beschreiben wir in einem separaten Artikel – Muster und IT/OT-Checkliste betreffen auch diese Anlagen direkt.
Gekko Photonics Lösungen für Silikone, Klebstoffe und Dichtstoffe
In der Familie analizatorów Spectrally X1 haben wir vier komplementäre Schichten, die wir in der Produktion von Silikonen, Reaktivklebstoffen und Dichtungsmassen einsetzen:
- Spectrally X1 INLINE – Prozessanalysator mit Tauchsonde, Laser 785 nm 600 mW (30 mW in der ATEX-Version), TE-gekühlter Back-Thinned-CCD, Kommunikation PROFIBUS / PROFINET / GSM, Lichtwellenleiter bis 100 m. Konfigurierbar mit Retractex-Modul für viskose Medien.
- Spectrally X1 LAB – Laboranalysator mit Karussell für bis zu 25 Probenpositionen, Durch-Packungs-Analyse durch Glasvials und Quarzküvetten. Für die Eingangskontrolle von Silikonrohstoffen, Acrylmonomeren, Epoxid-Prepolymeren und Härtern.
- Spectrally X1 PORTABLE – Tragbarer Analysator für das Lagertor und die mobile Rohstoffverifizierung bei Lieferanten. Touchscreen, IP54, Spektrenbibliotheken kompatibel mit Spectrally OS.
- Spectrally OS – Gemeinsame Software-Schicht: PLS-, PCA- und CNN-Modelle, Bibliothek mit ~28.000 Referenzspektren, RBAC, Audit Trail, CSV/PDF/RAW-Export, Integration mit DCS und MES.
Für Anlagen, die Silikon- und Klebstofflinien in explosionsgefährdeten Bereichen betreiben, konfigurieren wir Versionen mit reduzierter Laserleistung; Details zu den Auswahlkriterien haben wir im ATEX / IECEx-Leitfaden. beschrieben. Implementierungen werden als vollständiger Stack realisiert: Wir wählen die Sonde aus, kalibrieren das Modell an Ihren Proben, integrieren in das DCS und übernehmen die Wartung. Die durchschnittliche Zeit von der Werkstatt bis zum laufenden Inline-System beträgt 3–5,5 Monate.
FAQ – Häufig gestellte Fragen
Wird Raman unser FT-IR in der Silikon-QC ersetzen?
Bei der quantitativen Kontrolle des Umsetzungsgrads und dem Inline-Monitoring – ja, Raman hat eine höhere Empfindlichkeit für Si–O–Si- und C=C-Gerüstschwingungen und benötigt kein ATR-Fenster. FT-IR bleibt ergänzend für die Analyse von Feuchtigkeit und Hydroxylgruppen, die Raman schwächer sieht. In den meisten unserer Implementierungen in Silikonen wird FT-IR auf seltenere Laborkontrollen verschoben, während Raman die tägliche Linienüberwachung übernimmt.
Müssen wir den Reaktor für die Inline-Sonde umbauen?
Meistens nicht. Die Tauchsonde wird in einen standardmäßigen NPT-Stutzen oder DN-Flansch installiert, der in typischen Silikonreaktoren verfügbar ist. Bei Modernisierungen stimmen wir die Montage während eines geplanten Service-Stillstands ab – die vollständige Sondeninstallation dauert typischerweise einige Stunden Arbeit.
Was ist mit Fluoreszenz von Farbstoffen und Füllstoffen in Klebstoffen?
In den meisten Formulierungen lässt sie sich ohne Wellenlängenänderung unterdrücken. Wir verwenden Baseline-Korrektur, Modulation der Akquisitionszeit oder einen erweiterten Spektralbereich – wir haben fünf Methoden in einem separaten Leitfaden beschrieben. Wenn das Compound stark fluoreszierende Farbstoffe enthält, überprüfen wir im Feasibility, ob eine Konfiguration mit einem 1064 nm Laser für Ihr Portfolio sinnvoller ist.
Haben Sie Implementierungen in der Silikon- und Klebstoffproduktion?
Die meisten Implementierungen haben wir in der Prozesschemie – Phenol- und Harnstoffharze, und eben Düngemitteln. Im AdBlue-Bereich arbeiten wir sowohl mit Rohstoffherstellern als auch mit Abfüllanlagen, die die 32,5 %-Lösung für den Einzelhandel konfektionieren., Düngemitteln,, Klebstoffe, Kohlenwasserstoffe. Silikone und Konstruktionsklebstoffe sind ein Bereich, in dem wir unser Portfolio aktiv ausbauen; jedes Projekt beginnen wir mit einem Feasibility an Kundenproben, bei dem wir die spezifische Rezepturchemie überprüfen, bevor der Kunde CAPEX bindet.
Wie schnell vom ersten Kontakt bis zur Inbetriebnahme des Inline-Systems auf der Linie?
Typischerweise 3–5,5 Monate vom Ingenieur-Workshop bis zum laufenden System. Die ersten 4–6 Wochen sind das Feasibility an Proben, die nächsten 6–10 Wochen die Gerätekonfiguration und Modellkalibrierung, die letzten Wochen die Installation vor Ort, Validierung und Abnahme.
Lassen Sie uns über Ihren Prozess sprechen
Wenn Sie eine RTV/HTV-Silikonlinie, MS-Polymer-Dichtstoff- oder Konstruktionsklebstofflinie betreiben und einen Bereich sehen, in dem das Fehlen einer kontinuierlichen Messung Sie Nacharbeit oder eine Unterschätzung des Reaktorzyklus kostet – sprechen wir. Bei uns, bei Gekko Photonics, wählen wir die Sondenkonfiguration und das chemometrische Modell in einem 30-minütigen Gespräch mit einem Applikationsingenieur aus, und eine Testmessung an Ihren Proben realisieren wir in der Regel innerhalb von 2 Wochen nach Erhalt des Materials. Schreiben Sie uns mit einer kurzen Prozessbeschreibung – wir antworten mit einem Feasibility-Vorschlag innerhalb weniger Werktage.