Recyclingfähigkeit Kunststoffe: Sortierbarkeit prüfen

Alle wesentlichen Anbieter von Sortiertechnik im Kunststoffrecycling arbeiten mit NIR Sensoren. Was liegt näher als bereits bei der Entwicklung und Auswahl der Kunststoffe diese auf Sortierbarkeit zu prüfen? Vor allem Carbon Black free Kunststoffe sind gefragt.

Dieser Artikel zeigt die Möglichkeiten von NIR auf und stellt ein faustgroßes NIR Spektrometer vor.

Rohstoffe im Kreislauf zu führen ist nicht erst seit Kurzem in der Gesellschaft ein heiß diskutiertes Thema. Doch steht und fällt der Wunsch einer möglichst hohen Recyclingquote mit der Recyclingfähigkeit des Materials. Da nur sortenreine Materialien gut recycelt werden können, ist die Sortierbarkeit ein entscheidender Aspekt bei der Entwicklung und Auswahl geeigneter Kunststoffe.

Was liegt da näher als bereits bei der Entwicklung der Materialen darauf ein Augenmerk zu legen?

Alle wesentlichen Anbieter von Sortiertechnik im Bereich Kunststoffrecycling arbeiten mit NIR Sensoren. Nahinfrarottechnik ist ein optisches Messverfahren, ausgereift, schnell und für die allermeisten Kunststoffe gut geeignet. Wer Kunststoffe herstellt oder verarbeitet, der kann sich sicher sein, dass sein Material früher oder später mittels NIR Sensoren sortiert wird.

Totale Reflexion und totale Absorption: Optisches PTFE und Schwarz

Dieser Beitrag zeigt, welche Kunststoffe gut mit NIR erkannt werden können und welche nicht. Der Nahinfrarotsensor misst dabei das vom Material reflektierte Licht. Für jeden Kunststoff ist das zurückgeworfene Signal eindeutig: Das ist die Basis für die Kunststofferkennung.

Daraus ergeben sich die beiden Extreme:

• totale Absorption des NIR Signals und
• totale Reflexion des NIR Signals.

Rußgefärbte Kunststoffe absorbieren das NIR Signal nahezu vollständig; Reflexionsstandards aus optischem PTFE hingegen reflektieren nahezu 100% des Signals. Beide Extreme eignen sich damit nicht für die Identifikation von Kunststoffen mittels NIR. Insbesondere bei schwarzen Kunststoffen ist das ein großes Manko und industrieweit bekannt.

Helle Kunststoffe: Wo liegen die Grenzen?

Alle wesentlichen Substanzklassen eignen sich für die Sortierung mittels NIR, so lange sie hell sind. Die Ausnahmen hiervon:

• Verschiedene Additive verändern das NIR Signal einzelnen Wellenlängen oder dämpfen das NIR Signal gar über das ganze Spektrum hinweg, wie zum Beispiel TiO2. Beides kann dazu führen, dass die Substanzklasse nicht mehr richtig erkannt werden.
• Dünne Kunststoffe werden von NIR durchleuchtet und der Hintergrund mitgemessen. Das gilt insbesondere für dünne, klare Folien. Hier ist es wesentlich zu verstehen wie wichtig es ist die Messbedingungen gleich zu halten, sprich den Hintergrund festzusetzen.

1 Reflexionsstandard / 2 Schwarzer Kunststoff / 3 PE Referenz (= gutes Signal) / 4 PE schlechtes Signal / 5 PE ganz schlechtes Signal (da es einem PP Signal stark ähnelt)

Natürlich gibt es neben der qualitativen Bewertung die Möglichkeit der quantitativen Bewertung mit der dedizierten Anwendung NIR Detektierbarkeit:

In diesem Beispiel ist die Übereinstimmung mit der Referenz niedrig. Hier handelt es sich um eine individuelle Anpassung der Standardanwendung.

Solid Scanner: Die Qualität eines NIR Signals sehr einfach überprüfen

Um die Sortiereignung als Verkäufer oder Einkäufer nachweisen bzw. prüfen zu können braucht es ein einfaches Tool, das leicht verständliche NIR Spektren erzeugt.

Der Solid Scanner ist ein faustgroßes NIR Spektrometer, in dem ein Nahinfrarotsensor der neuesten Generation verbaut ist – mehr nicht. So kommt der Solid Scanner zu seiner geringen Größe.

Mit Hilfe eines schwarzen Kunststoffes, einem Reflexionsstandards und verschiedenen anderen Proben kann das obige Bild schnell nachgestellt und die Funktionsweise von NIR auch Unbeteiligten erklärt werden. Zu bewertende Kunststoffe lassen sich leicht einsortieren und auf ihre Eignung prüfen.

Folgende Fragen sind damit rasch beantwortet:

• Ist mein Kunststoff grundsätzlich für NIR geeignet? / Kann NIR den Kunststoff erkennen?
• Wie weit stimmt mein Kunststoff mit typischen Referenzen überein? / Wird mein Kunststoff der richtigen Substanzklasse zugeordnet?
• Welche Zusatzstoffe beeinflussen die Kunststofferkennung mit Hilfe von Nahinfrarotsensoren negativ?

NIR Referenzspektren von allen gängigen Kunststoffklassen sind verfügbar.

Recyclingfähigkeit: Konkrete Kundenprojekte

Ziel: Welche Effektpigmente (A & B) ergeben in welcher Kombination mit Kunststoffvarianten (X & Y) welche NIR Signale?

• Das Grundmaterial Y eignet sich nicht.
• Pigmente B in Grundmaterial X ergeben immer ein gutes Signal.
• Pigmente A in Grundmaterial X ergeben immer ein sehr gutes NIR Signal. Insbesondere diese Variation zeigt kaum Unterschiede zur Referenz, dem Grundmaterial HDPE in natur.

Anwendung: NIR Detektierbarkeit

Unsere Softwaresuite bietet die Möglichkeit unterschiedliche Aufgaben abarbeiten zu lassen, wir nennen das „Anwendungen“. Im obigen Text wurden die grundsätzlichen Möglichkeiten von NIR vorgestellt und wie man die Qualität von NIR Spektren qualitativ bewertet. Oftmals reicht das jedoch nicht aus, vor allem bei der Entwicklung neuer Kunststoffe:

Welches Additiv wirkt sich wie stark auf die Qualität des NIR Signals meines Kunststoffes aus?

Das ist eine Frage, die sich nicht immer einfach beantworten lässt, vor allem wenn man bei der Entwicklung nur kleine Variationen bei den Zusätzen vornimmt. Eine zahlenbasierte Methode muss her!

Genau an dieser Stelle spielt unsere Softwaresuite ihren Vorteil aus: Sie kann verschiedene Anwendungen „abspielen“. Die Anwendung NIR Detektierbarkeit hat nur ein Ziel: Wie gut ist ein NIR Signal im direkten Vergleich zu einer gegebenen Referenz?

Was sie damit erreichen können

• Sie erhalten einen konkreten Zahlenwert für die Übereinstimmung ihres NIR Signals mit einer Referenz und damit eine konkrete Aussage darüber, wie „gut“ ihr Kunststoff von einem NIR Sensor erkannt werden kann
• Sie können mit diesen Ergebnissen ihre Kunststoffe klar nach der NIR Sortiereignung sortieren, eine wesentliche Voraussetzung für Recyclingfähigkeit

Was sie damit nicht erreichen können

• Die Anwendung kann ihnen nicht sagen, wie der Kunststoff von den verschiedenen Sortieranlagen erkannt wird. Wobei natürlich gilt: Je höher die Übereinstimmung ihres Kunststoffes mit einer perfekten Referenz ist, desto wahrscheinlicher ist die korrekte Zuordnung durch die Sortiermaschine.

Wer sich tiefer mit NIR Technik beschäftigt, stellt schnell fest, dass es viele entscheidende Parameter bei der korrekten Bestimmung von Kunstsoffen gibt: Die Leistung der Sensorik und die Verarbeitung der erzeugten Daten. In der Praxis kommt dann natürlich noch die tatsächliche Verschmutzung der Kunststoffe, die Wartung der Anlage und die Parametrierung der Anlage mit ins Spiel. Viele unbekannte Faktoren, doch mit der hier vorgestellten Methodik können sie schnell, einfach und vor allem selbst die NIR Detektierfähigkeit ihrer Materialien abschätzen. Ein konkreter Zeit- und Kostenvorteil!

Voraussetzung: Softwaremodul „Player“

Vorgestellte Hard- und Software

• Solid Scanner
• Softwaresuite mit Anwendung Analyse und Anwendung NIR Detektierbarkeit
• NIR Referenzdatenbank Einsteiger
• NIR Referenzdatenbank Basis