Lösungen zur Identifizierung von schwarzem Kunststoff

NIR ist eine weit verbreitete Technologie im Recycling zur Identifizierung von Kunststoffen. Da sie schwarzen Kunststoff nicht erkennen kann, werden in diesem Artikel alternative Geräte und Technologien vorgestellt, um diese Aufgabe zu lösen.

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Die NIR-Spektroskopie (Nahinfrarotspektroskopie – NIRS) ist eine im Kunststoffrecycling weit verbreitete Technologie zur Identifizierung, da sie zerstörungsfrei und schnell misst, einfach zu bedienen und daher weit verbreitet ist. Wir bieten NIR-basierte Lösungen an, vom tragbaren, einfach zu bedienenden trinamiX-Kunststoffscanner über unsere eigene Lösung Solid Scanner, die wie ein NIR-Minilabor funktioniert und die Möglichkeit bietet, kundenspezifische Datenbanken zu erstellen, bis hin zu sehr schnellen HSI-Kamerasystemen, die für die Inline-Prozesskontrolle in Echtzeit geeignet sind. Allen gemeinsam ist, dass NIR keine rußgefärbten Kunststoffe erkennen kann. Leider ist schwarzer Kunststoff überall zu finden, aber er ist schwer zu identifizieren und daher schwierig zu sortieren und zu recyceln. Aus diesem Grund werden rußhaltige Kunststoffe häufig thermisch recycelt, was vermieden werden sollte.

In diesem Artikel werden daher einige alternative Technologien zum Identifizieren und Sortieren von schwarzen Kunststoffen vorgestellt, die alle über ihre eigenen Vor- und Nachteile verfügen.

Warum ist schwarzer Kunststoff so schwer zu sortieren?

NIR wird als Sortierverfahren in praktisch allen großen Sortieranlagen eingesetzt. Die Technik ist schnell, einfach und zuverlässig. Aufgrund ihrer physikalischen Funktionsweise kann NIR jedoch keinen Ruß erkennen. Ruß absorbiert das gesamte NIR-Signal. Folglich können mit Ruß gefärbte Kunststoffe, d. h. schwarze Kunststoffe, manchmal sogar (dunkel-)graue Kunststoffe, mit Hilfe von NIR nicht erkannt und unterschieden werden.

Warum wird Ruß immer noch in Kunststoffen verwendet?

Ruß ist immer noch ein billiger und zuverlässig verfügbarer Farbstoff. In anderen Fällen ist Ruß die einzige Möglichkeit, die gewünschten mechanischen Eigenschaften zu erreichen. Selbst wenn heute eine Lösung gefunden wird, um Ruß zu ersetzen, wird es noch lange mit Ruß gefärbte Kunststoffe auf dem Markt geben (z. B. die vielen schwarzen Komponenten in der Automobilindustrie), die auch in Jahren noch recycelt werden müssen. Schwarze Kunststoffe sind und bleiben ein drängendes Problem.

Innovative Lösungen zur Identifizierung von schwarzem Kunststoff

In diesem Artikel werden technische Lösungen vorgestellt, die auf den folgenden Arbeitsprinzipien beruhen:

FTIR-Spektroskopie
MIR-Spektroskopie
Elektrostatische Aufladung
Laser-Spektroskopie
VIS Objekterkennung

Überblick über die Eigenschaften alternativer Technologien im direkten Vergleich zu NIR

FTIR

Kann schwarze Kunststoffe und viele andere Materialien messen und die Zusammensetzung direkt quantifizieren
Auch tragbar, deutlich größer als tragbare NIR-Geräte
Teurer in der Anschaffung
Messzeit ca. 20-30 Sekunden
Nur Punktmessungen möglich
Technologie wird hauptsächlich in Laborgeräten verwendet

MIR

Kann schwarze Kunststoffe erkennen
Beleuchtung im MIR-Bereich erfordert erhebliche Leistung, daher ist zusätzlicher Brandschutz erforderlich
Keine tragbaren Geräte verfügbar
Teuer in der Anschaffung
Kann auch zweidimensionale Oberflächen messen

Elektrostatische Aufladung

Einfache, mechanisch robuste Technik
Entwickelt für die Trennung binärer Gemische
Hoher Produktionsausstoß möglich
Keine tragbaren Geräte verfügbar

Laser-Spektroskopie

Die vergleichsweise teuerste Technologie
Keine tragbaren Geräte verfügbar
Hohe Produktionsmengen möglich

VIS-Objekterkennung

Geringere Hardwarekosten im Vergleich zu anderen Technologien aufgrund der VIS-Sensortechnologie
Erkennt nur Material, für das es trainiert ist
Erfordert regelmäßige Aktualisierung der KI-gesteuerten Datenbank

3 (mehr oder weniger) tragbare Lösungen zur Identifizierung von schwarzem Kunststoff

FTIR: Agilent 4300 Handheld & Agilent Cary 630 desktop system

Die Messzeit beträgt in der Regel zwischen einigen Sekunden und mehreren Minuten. Die Probenvorbereitung hängt von der Art der Probe und der Messmethode ab. Feste Proben können entweder als Pellets oder als dünne Schichten, die IR-Licht durchlassen können, gemessen werden. Um mit einem FTIR-Gerät arbeiten zu können, benötigt man außerdem einige Fachkenntnisse über die Grundlagen der Infrarotspektroskopie, über die Funktionsweise des Interferometers und des Detektors, über die Wahl der geeigneten Messmethode und Probenvorbereitung sowie über die Interpretation der IR-Spektren.

Das Agilent 4300 Handheld FTIR-Spektrometer vereint Benutzerfreundlichkeit, Robustheit und Flexibilität in einem System. Mit einem Gewicht von nur ~2 kg ist es ideal für mobile zerstörungsfreie Prüfungen im Feld und außerhalb von Laboren. Es kann verschiedene Proben analysieren, ohne dass Anpassungen erforderlich sind. Es wird für die Analyse von Polymeren, Beschichtungen, Verbundwerkstoffen, Schüttgut, Reinigungsüberprüfung und sogar Artefakten und Kunstwerken verwendet.

Das Agilent Cary 630 FTIR-Spektrometer ist ein Desktop-System mit einem Gewicht von ca. 4 kg.

Gleitfunken-Spektrometer: mIRoSpark

Die Gleitfunken-Spektroskopie ist eine Technik, bei der Hochspannungsfunken verwendet werden, um eine kleine Menge der Kunststoffoberfläche zu verdampfen und zu ionisieren. Die emittierte Strahlung wird dann analysiert, um die verschiedenen im Material vorhandenen Atome zu identifizieren. Die wichtigsten Vorteile dieser Methode sind:

Es kann Zusatzstoffe wie Flammschutzmittel und Schwermetalle erkennen, die mit der Nahinfrarotspektroskopie nicht sichtbar sind.
Es kann Kunststoffe jeder Farbe, Größe und Struktur identifizieren, einschließlich schwarzer Kunststoffe, Filme, Folien, Granulate, Feststoffe, Schaumstoffe, Teppiche und Textilien.
Es ist schnell, tragbar und einfach zu bedienen, mit einer Messzeit von einer Sekunde und einem einfachen pistolenartigen Gerät, das auf die Probe gedrückt werden kann.

Einige der wichtigsten Nachteile dieser Methode sind:

Es erfordert einen Kontakt zwischen dem Messkopf und der Probenoberfläche, wodurch die Probe beschädigt oder verunreinigt werden kann.
Es erfordert eine Probenvorbereitung, um Staub, Schmutz oder Farbe von der Probenoberfläche zu entfernen.
Es ist möglicherweise nicht in der Lage, zwischen ähnlichen Polymertypen zu unterscheiden, die dieselbe atomare Zusammensetzung, aber unterschiedliche Molekularstrukturen haben.

Die Gleitfunkenspektroskopie kann auch für die Analyse von Metallen, Legierungen, Keramiken und anderen anorganischen Materialien verwendet werden.

Das mIRoSpark-Gerät identifiziert Kunststoffe in verschiedenen Materialien wie Hausmüll, Elektronikschrott, Teppichen und Textilien. Es wiegt 14 kg und verfügt über einen zerstörungsfreien mIRo-Teil für Messungen. Mit seinem SSS2-Teil kann es auch schwarze Kunststoffe identifizieren. Die Messzeit beträgt weniger als 1 Sekunde, und es kann Folien und Granulate messen. Das Gerät kann auch signifikante halogenierte Flammschutzmittel und Schwermetalladditive nachweisen.

4 industrielle (inline) Lösungen zur Identifizierung von schwarzem Kunststoff

MIR: Steinert UniSort black

Die MIR-Spektroskopie ist eine Technik, bei der mit Hilfe von Strahlung im mittleren Infrarotbereich die molekulare Struktur und Zusammensetzung von Kunststoffen analysiert wird. Einige der Hauptvorteile der MIR-Spektroskopie sind:

Die Kunststoffanalysemethode ist schnell, genau und zerstörungsfrei. Sie ist in der Lage, verschiedene Arten von Kunststoffen zu identifizieren, einschließlich Additiven, Füllstoffen und Verunreinigungen, die die Eigenschaften und die Leistung des Kunststoffs beeinflussen können. Darüber hinaus kann es quantitative Daten über die Konzentration und Verteilung der Komponenten in der Kunststoffprobe liefern.

Einige der Hauptnachteile der MIR-Spektroskopie sind:

Zur Durchführung dieser Aufgabe sind teure und fortschrittliche Geräte und Software sowie qualifizierte Bediener und Analytiker erforderlich. Außerdem kann es schwierig sein, zwischen bestimmten Kunststoffen mit vergleichbaren Infrarotspektren zu unterscheiden, z. B. PET und PBT.

Das Steinert UniSort Black sortiert verschiedene Materialien, auch schwarze, und reduziert so effektiv Sortierrückstände und erhöht die Kunststoffausbeute. Es nutzt die NIR- und MIR-HSI-Kameratechnologie, um alle Materialien genau zu identifizieren. Das Klassifizierungssystem ist so konzipiert, dass es auch dunkle oder schwarze Objekte erkennt, die von herkömmlichen NIR-Sortierern übersehen werden können, und gewährleistet so eine zuverlässige Erkennung.

Elektrostatische Kunststoffsortierung: Hamos EKS

Die elektrostatische Kunststoffsortierung ist ein Verfahren, das sich den Effekt zunutze macht, dass sich verschiedene Kunststoffe unterschiedlich positiv oder negativ aufladen lassen. Die geladenen Kunststoffe werden dann durch ein elektrisches Feld getrennt. Dieses Verfahren hat einige Vor- und Nachteile.

Vorteile:

Es kann auch schwarze Kunststoffe abtrennen, die für optische Sortiergeräte nicht sichtbar sind.
Es können hohe Reinheiten der einzelnen Kunststofffraktionen erreicht werden.
Es kann verschiedene Kunststoffe trennen, die sich nicht in Dichte oder Form unterscheiden.

Nachteile:

Es können nur bestimmte Kunststoffe getrennt werden, die sich in ihrer elektrischen Leitfähigkeit unterscheiden.
Es kann keine stark verschmutzte, lackierte oder feuchte Kunststoffe verarbeiten.

Die elektrostatischen Separatoren EKS von Hamos können gemischte Kunststoffe trennen. Dadurch wird eine gereinigte Kunststofffraktion im Trockenverfahren bei geringen Aufbereitungskosten erreicht. Die Systeme können Materialgemische verschiedener Kunststoffe unabhängig von deren Farbe, auch schwarze Kunststoffe, effizient trennen. Die zu trennenden Polymergemische müssen trocken und staubfrei sein und eine Partikelgröße von 2 mm bis 10 mm.

Laser-Spektroskopie: UniSensor Powersort 200

Sortiermaschinen mit Laserspektroskopie im Kunststoffrecycling sind Geräte, die verschiedene Kunststoffarten anhand ihrer optischen Eigenschaften identifizieren und trennen können. Sie messen mit Laserstrahlen das Spektrum des von den Kunststoffflocken oder -granulaten reflektierten oder durchgelassenen Lichts und vergleichen es mit einer Datenbank bekannter Spektren für verschiedene Polymere. Auf diese Weise können sie Kunststoffe nach Typ (wie PET, HDPE, PVC), Farbe oder Qualität sortieren.

Einige Vorteile von Sortiermaschinen mit Laserspektroskopie im Kunststoffrecycling sind:

Sie können Verunreinigungen wie Metalle, Gummi oder andere Fremdstoffe, die die Qualität des recycelten Kunststoffs beeinträchtigen könnten, erkennen und entfernen.
Sie können Kunststoffe sortieren, die mit herkömmlichen Methoden nur schwer zu unterscheiden sind, z. B. dunkle oder schwarze Kunststoffe oder gleichfarbige Polymere (wie PVC, PP und PE).

Einige Nachteile von Sortiermaschinen mit Laserspektroskopie im Kunststoffrecycling sind:

Sie können hohe Anfangsinvestitionen und Wartungskosten erfordern, da sie mit komplexer und anspruchsvoller Technik arbeiten.
Sie sind möglicherweise nicht in der Lage, Kunststoffe zu sortieren, die ähnliche Spektren aufweisen, wie z. B. einige Biokunststoffe oder Mischungen.
Sie können Abfälle oder Emissionen aus dem Laserprozess erzeugen, z. B. Wärme, Staub oder Ozon.

Der UniSensor Powersort 200 kann bis zu 3 Tonnen pro Stunde nach der Dichte sortieren. Mit einem leistungsstarken Signalprozessor und einer hochauflösenden Optik erzeugt und bewertet er bis zu 1 Million Spektren pro Sekunde. Er kann sogar Partikel bis zu einer Größe von 2 Quadratmillimetern sortieren.

VIS-Objekterkennung: AMP Robotics & Max-AI

Die VIS-Objekterkennung erfordert den Einsatz von künstlicher Intelligenz (KI) und Robotersystemen, um Kunststoffabfälle zu sortieren und zu recyceln. Die Technologie nutzt Computer Vision und Deep Learning, um verschiedene Arten von Kunststoffen anhand ihrer Form, Farbe, Textur und Beschriftung zu erkennen. Jedes System ist nur in der Lage, Kunststoffe zu erkennen, die zuvor trainiert wurden. Die Kosten für den VIS-Sensor und die Lichtquelle sind viel niedriger als die Hardwarekosten anderer Sensortechnologien. Diese Lösung eignet sich am besten für große Kunststoffteile, d. h. die Lösung kann nur verwendet werden, bevor die Verpackung zerkleinert wurde.

Das System von AMP Robotic besteht aus einem Bildverarbeitungssystem, das die Materialzusammensetzung, die Farbe, die Klarheit, die Opazität und den Formfaktor von Kunststoffen analysiert, und einem deltaförmigen Roboter, der die Kunststoffe aufnimmt und in die dafür vorgesehenen Behälter legt. Seine Objekterkennungsdatenbank muss regelmäßig aktualisiert werden. Die Datenbank umfasst derzeit Wasserflaschen, Milchkannen, Deckel, Becher, Tassen, Kartons, Clamshells, Kaffeepads und dünne Folien sowie Materialien wie PET, HDPE, LDPE, PP und PS.

Max-AI ist ein weiterer Anbieter dieser Technologie.

Welche Entwicklungen gibt es in der Sensortechnologie, die schwarze Kunststoffe erkennen kann?

Vor ein paar Jahren hat das Fraunhofer Projekt BlackValue viel Aufmerksamkeit erregt. Ziel war es, eine automatisierte Lösung für den industriellen Einsatz zu entwickeln. Der Schwerpunkt lag dabei auf der Terahertz-Sensorik. Industriell verwertbare Ergebnisse gab es bisher jedoch nicht.

Ein neues Projekt am SKZ ist derzeit in Planung und zielt auf eine portable Lösung auf Basis von KI ab.

Welche alternativen Methoden gibt es, um schwarze Kunststoffe zu erkennen?

Eine weitere Möglichkeit ist der Einsatz von speziellen Markern oder Tracern, die den schwarzen Kunststoffen zugesetzt werden und unter bestimmten Bedingungen leuchten oder fluoreszieren. Diese können dann von optischen Sensoren erkannt werden. Polysecure hat zum Beispiel eine Technologie entwickelt, mit der Materialien und Produkte unsichtbar markiert und verfolgt werden können. Außerdem hat das Unternehmen die TBS-Technologie (Tracer-Based Sorting) entwickelt, mit der viele Material- und Abfallströme effizient und zuverlässig in jede gewünschte Fraktion sortiert werden können. Diese Marker müssen jedoch für jeden Polymertyp maßgeschneidert werden und erfordern eine enge Zusammenarbeit zwischen Herstellern, Verwertern und Behörden.

Es gibt auch Ideen, Markierungen anzubringen, die die Art des Kunststoffs angeben, z. B. Strichcodes oder RFID-Tags. Diese Kennzeichnungen müssen jedoch genormt und lesbar sein und dürfen den Recyclingprozess nicht beeinträchtigen.

Grundsätzlich gibt es auch viele Ideen, Ruß zu ersetzen oder die NIR-Reflexion mit geeigneten Additiven und anderen Farbstoffen, wie z.B. Farbpigmenten, zu erhöhen. Wir bieten entsprechende Lösungen an, um die NIR-Detektierbarkeit von Kunststoffen bereits in der Entwicklungsphase überprüfen zu können.

Aus diesen Gründen (fehlende Standardisierung, Störung des Recyclingprozesses und Kosten) haben sich diese Lösungen noch nicht durchgesetzt.

Fazit

Schwarze Kunststoffe stellen nach wie vor eine große Herausforderung für das Recycling dar. NIR ermöglicht tragbare und einfach zu bedienende Geräte. Allerdings können NIR-basierte Geräte schwarze Kunststoffe nicht erkennen, geschweige denn sortieren. Alternative Technologien sind verfügbar. Technische Lösungen für schwarze Kunststoffe, die auf Technologien wie FTIR, MIR, visuellem Erkennen, Laserspektroskopie oder Gleitfunkenspektroskopie basieren, sind jedoch in der Anschaffung wesentlich teurer, in der Regel nicht tragbar, komplexer in der Bedienung oder können nur zwei Kunststoffe pro Schritt trennen. Dieser Artikel zeigt einige kommerziell verfügbare technische Lösungen für die Erkennung von schwarzen Kunststoffen und gibt einen Einblick in vergangene und aktuelle Forschungsprojekte zu diesem Thema.

Die Erkennung schwarzer Kunststoffe ist ein anspruchsvolles, aber lohnendes Unterfangen für Unternehmen, die ihre Effizienz und Nachhaltigkeit verbessern wollen. Die technischen Probleme, die Kostenfolgen und die Schwierigkeit, Gewohnheiten zu ändern, sind zwar allesamt Hindernisse, die es zu beachten gilt, doch können sie mit dem richtigen Ansatz überwunden werden. Wenn alle diese Faktoren berücksichtigt werden, können Unternehmen schwarze Kunststoffe erfolgreich identifizieren und die damit verbundenen Vorteile nutzen.

Über uns – Solid Scanner

Übernehmen wir Verantwortung und recyceln wir mehr Kunststoffe – fragen Sie uns nach geeigneten Lösungen. Unser Portfolio umfasst Lösungen von kleinen, tragbaren Lösungen bis hin zu individuellen Lösungen auf Basis von hyperspektralen Kamerasystemen zur einfachen, automatisierten Identifikation von Kunststoffen im Sortierprozess und zur Inline-Prozesskontrolle, z.B. auf Homogenität.

Über trinamiX – das Sensorik-Unternehmen

Die trinamiX GmbH mit Sitz in Ludwigshafen wurde 2015 als hundertprozentige Tochter der BASF SE gegründet. Als Startup innerhalb des Unternehmens ist sie nicht nur operativ unabhängig, sondern hat auch einen einzigartigen Zugang zu der Expertise und Erfahrung der gesamten BASF-Gruppe.

Seine zum Patent angemeldeten Technologien ermöglichen es Menschen und Maschinen, die verborgene und unsichtbare Welt um sie herum zu erfassen, um bessere Entscheidungen zu treffen und die Sicherheit zu erhöhen.

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