Controllo in linea del contenuto di umidità di polveri ceramiche tramite spettroscopia infrarossa

I materiali ceramici sono una classe di prodotti realizzati a partire da materie prime inorganiche e non metalliche. Questi sono caratterizzati da elevata fragilità, durezza, resistenza alla compressione e debolezza al taglio e alla tensione, caratteristiche che li rendono adatti alla fabbricazione di diversi materiali edili, quali piastrelle, mattoni, lastre, ecc. Ad oggi gli standard qualitativi richiesti sono estremamente elevati, e sono raggiungibili solo attraverso un attento monitoraggio del processo produttivo. Uno dei parametri che incide maggiormente sulla qualità del prodotto è il contenuto di umidità: solo mantenendolo nell'intervallo del 5%-7% è possibile ridurre al minimo la presenza di deformazioni e crepe. Attualmente il controllo viene prevalentemente eseguito mediante misurazioni off-line di natura termogravimetrica che, seppur garantiscano risultati estremamente accurati, non sono adatte all'applicazione in-line, e non permettono quindi un completo controllo del processo produttivo. È stato dimostrato come la spettroscopia di assorbimento infrarosso (Near Infrared Spectroscopy, NIRS) risulti uno strumento efficace per l’analisi quantitativa del contenuto di umidità. La tecnica è rapida, non invasiva e non distruttiva, tutti vantaggi che la rendono un’ottima candidata per questo tipo di applicazioni industriali. Indagini simili sono oggi largamente impiegate non solo nell'industria ceramica, ma anche nei campi agroalimentare, farmaceutico e chimico. Grazie a questa tecnica eventuali difetti di produzione possono essere rilevati in tempo reale, in modo da minimizzare gli scarti di produzione. L’assegnazione delle bande nel vicino infrarosso può risultare un processo complesso: queste sono ampie e spesso sovrapposte. Tuttavia l’estrema sensibilità della tecnica nel rilevamento dei legami OH, che permettono di valutare il contenuto di umidità, la rende un ottimo strumento per lo scopo del lavoro. La misura NIRS richiede un processo di calibrazione, che può essere effettuato solo sfruttando le analisi termogravimetriche distruttive effettuate su campioni noti. È la correttezza di questo procedimento a garantire un’elevata accuratezza sulla misura dell’umidità. Va sottolineato come non secondario è il controllo della composizione di fase, la cui variabilità può influenzare il contenuto di umidità. Il lavoro, interamente svolto in SEA Vision, è stato incentrato sullo sviluppo di un software Python progettato per l’automatizzazione dell’intera misura, accompagnato da prove di laboratorio e prove in linea. Sono state altresi effettuate alcune misure di controllo della composizione delle polveri presso il laboratorio di Fisica dell’Università di Pavia. L'otimizzazione e l’adattamento di quest’ultimo è stata possibile a seguito dell’installazione del sensore lungo la linea di produzione per la fabbricazione di materiali ceramici. Seguendo le necessità del cliente, rivolta alla soddisfazione delle stringenti richieste del ciclo produttivo, il sensore è stato progettato per acquisire in modo continuo e effettuare una valutazione del contenuto di umidità ogni 30 minuti, tempo confrontabile con quello richiesto per una singola misurazione off-line. L’alta frequenza di acquisizione del sistema da noi assemblato consente di fornire un valore rappresentativo dell’umidità sull'intero lotto, non più limitato a una minima frazione di esso, con un miglioramento consistente dell’intero processo produttivo.