LLA Instruments GmbH

SCHWARZE KUNSTSTOFFE

Sortierung und Erkennung

KUSTA1.9MSI

1 m% Ruß

PP-Blend

0,25 m% Ruß

0,25 m% Ruß

ABS 1 m% Ruß

Die Optimierung des NIR-Prozessaufbaus zur ������������ �������� ��� � ������ ��������� ������ �-derem durch Kalibrierung auf einen Bereich von etwa 10 % absoluter Remission (NIR-Signalintensität) und Verwendung eines geeigneten Kalibrier- und Förderbandmaterials. Die Messungen wurden an ei-ner Technikumsanlage durchgeführt, die mit einem Förderband von 60 cm Breite ausgestattet war. Die Förderbandgeschwindigkeit betrug etwa 0,5 m/s und die Belichtungszeit weniger als 2 ms. Die Messungen er-folgten über Band, nicht im freien Fall. Die ersten Tests erfolgten an schwarzen Materialien mit bekanntem Rußgehalt. Hierfür standen etwa 5x5 cm große Platten der Kunststoffe PP und ABS mit variablem Rußgehalt (0,25 m%; 0,5 m%; 0,75 m% und 1 %) zur Verfügung. An dem Prozessaufbau wurden Bandaufzeichnungen der einzelnen Platten mit bekanntem Rußgehalt an-gefertigt. Anschließend wurden Mittelwertspektren für jede der Platten gebildet und eine objektbezogene Auswertung vorgenommen. Die Messungen zeigen deut-

lich, dass in den gebildeten Objektmittelwertspektren auch bei Rußgehalten von 1 m% deutliche Absorptionsbanden erkennbar sind, die den entsprechenden Polymeren zu-geordnet werden können (Abb. 1). Dabei stimmen die Bandenlagen in den Objektmittelwertspektren der schwar-zen Kunststoffe recht gut mit der des jeweiligen weißen Referenzmaterials überein. Die Spektren dieser wei-ßen Materialien sind zum Vergleich als blaue Linie dar-gestellt. Aufgrund der wesentlich höheren Remission der weißen Materialien wurden deren Spektren zuvor mit ei-nem Faktor von 0,05 multipliziert, um eine gemeinsame Darstellung mit den Spektren der schwarzen Kunststoffe zu ermöglichen. Für die Probenserie von PP-Blends mit unterschiedlichen Rußgehalten zeigt sich, dass auch bei 1 m% Rußgehalt noch ein NIR-Signal mit einem ausrei-chenden S/N-Verhältnis mit diesem Aufbau detektiert wer-den kann. Beim ABS mit identischem Rußgehalt ist in den NIR-Spektren die Absorptionsbande allerdings nur noch schwach erkennbar. Das S/N-Verhältnis ist mit 2:1 sehr viel schlechter als das vom PP-Blend (S/N = 5/1).

Abbildung 1: NIR-Bandaufzeichnungen mit KUSTA1.9MSI von schwarzen Kunststoffen. Links: ABS Referenzproben mit Rußgehalt von 0,25 m% und 1 m% (Bandaufzeichnung und Objektmittelwertspektren). Rechts PP-Blend mit Rußgehalt von 0,25 m% und 1 m% (Bandaufzeichnungen und Objektmittelwertspektren). Die Referenzspektren von jeweils weißem Material sind als blaue Linien dargestellt.

Applikationen

Machbarkeitsstudie mit KUSTA1.9MSI

Schwarze Kunststoffe

PP-Blend

ABS-Blend

Abbildung 3: Bandaufzeichnung von PC+ABS-Blend mit einem Rußgehalt von 1 m% und Testerkennung.

1PC+ABS

Testerkennung

Abbildung 2: Referenzproben (PP-Blend und ABS) mit bekanntem Rußgehalt. Foto mit Digitalkamera (links) und NIR-Bandaufzeichnung mit Testerkennung (rechts). Auswertung des Objektmittelwertspektrums.

Im zweiten Schritt wurde eine Testerkennung speziell für Messungen schwarzer Kunststoffe mittels KUSTA1.9MSI entwickelt. Wie zuvor beschrieben wurden NIR-Bandaufzeichnungen von insgesamt 64 schwarzen Proben (PC, Polymere auf Styrolbasis wie ABS und PS, PP) er-stellt. Aus den daraus erhaltenen Objektmittelwertspektren wurden die Lernsets für eine Testerkennung erstellt. Diese Erkennung arbeitet ebenfalls auf der Basis der Bildung von Objektmittelwert–spekt-ren und unterscheidet zwischen drei Fraktionen:

PC-haltige Polymerblends (blaue Färbung), styrolhalti-ge Polymerblends (ABS, PS u.a.; grüne Färbung) sowie PP/PE-Polymerblends (gelbe Färbung).Die erstellte Testerkennung wurde zunächst an den schwarzen Referenzproben (s.o.) getestet (Abbildung 2). Die Erkennung konnte alle Proben der richtigen Fraktion zuordnen. Mit derselben Erkennung wurde ein PC+ABS-Blend mit einem Rußgehalt von 1 m% getestet (Abb.3). Auch hier konnte die Probe der richtigen Fraktion zuge-ordnet werden.

PP

PS

SB

SB

SB

PP

ABS

ABS

ABS

ABS

LLA Instruments GmbH

PP

-MM

-Sch

war

ze-K

unst

stof

fe-1

304

Justus-von-Liebig-Str. 9 12489 Berlin Tel.: +49 30 6290790-0www.lla-instruments.com mail@lla.de Fax: +49 30 6290790-10

Kein auswertbares NIR-SignalErkennung als PP/PEErkennung als styrolbasiertes Polymer

Elektronikkunststoffe

Fazit

Abbildung 4: Testerkennung an schwarzen Kunststoffen aus Elektronik. Links: Digitalbild, rechts: NIR-Bandaufzeichnung.

Insgesamt konnte beobachtet werden, dass fast alle Proben, die am Laborspektrometer in den NIR-Spektren ein detektierbares NIR-Signal aufweisen, auch am KUSTA1.9MSI ein auswertbares Signal zeigen. Für den untersuchten Probensatz Altelektonik weisen etwa 60 % der Proben ein detektierbares NIR-Signal auf („Erkennungsrate“ von 60%).

Mit dem hier vorgestellten, optmimierten Aufbau, beste-hend aus einer KUSA1.9MSI und einem nicht schwarzen ����������� � �� ��������� ���������������������������von schwarzen Kunststoffen („Erkennungsrate“ von 60 %) aus Altelektronik und eine Zuordnung in die drei Fraktionen PC-basierte Polymere, styrolbasierte Polymere sowie PP/PE möglich. Die angegebene „Erkennungsrate“ be-zieht sich auf den LLA-eigenen Referenzmaterial-Satz an schwarzen Elektronikkunststoffen. Die „Erkennungsrate“ an anderen schwarzen Elektronikkunststoff-Proben kann aufgrund einer anderen Materialzusammensetzung ab-weichen.

KUSTA1.9MSI NIR-Spektrometer zur Erkennung schwarzer Kunststoffe

Im Anschluss daran wurde die entwickelte Testerkennung an einem Probensatz schwarzer Kunststoffe aus Altelektronik überprüft. Der Rußgehalt und die genaue Zusammensetzung dieser Proben waren weitestgehend unbekannt. An dem Laborspektrometer uniSPEC2.2S werden etwa für 60 % der 50 schwarzen Proben NIR-Signale erhalten. Auch diejenigen schwarzen Proben, die am Laborspektrometer in den NIR-Spektren nur ein schlechtes S/N von 2/1 aufwiesen, wurden mittels KUSTA1.9MSI noch erfasst und von der Testerkennung

der richtigen Fraktion zugeordnet. Abbildung 4 zeigt ein digitales Farbfoto der Proben im Vergleich zu der NIR-Bandaufzeichnung in Kombination mit der entwickelten Erkennung. Die Beschriftung innerhalb der Objekte gibt die Probenbezeichnung (z.B. Herstellerangaben) wieder, der Farbcode gibt die Ergebnisse der Testerkennung an. ���������������������������������� �����!���� �������im Objektmittelwertspektrum kein auswertbares Signal auf. Diese Proben können auch am Laborspektrometer nicht NIR-spektroskopisch erfasst werden.