Bislang konnten schwarze Kunststoffe im industriellen Maßstab nur schwer sortiert werden. Das ändert sich jetzt mit der hyperspektralen ­Bildgebung im mittleren Infrarotbereich (MWIR). Diese Technologie lässt die Beschränkungen durch herkömmliche Sortierverfahren hinter sich und ermöglicht ein effizientes Recycling auch schwarzer Kunststoffe.

Kunststoffe sind aus unserem Leben nicht mehr wegzudenken, jährlich werden rund 380 Millionen Tonnen davon produziert. Schwarze Kunststoffe haben einen bedeutenden Anteil daran. Aufgrund ihrer Langlebigkeit und Ästhetik werden sie in vielen Branchen eingesetzt, im Automobilbau, in der Elektronik oder der Lebensmittelindustrie. Hier bieten Kunststoffverpackungen strukturelle Integrität, Schutz und Konservierung.

Trotz ihrer weiten Verbreitung gestaltet es sich nach wie vor schwierig, schwarze Kunststoffe zu recyceln. Studien zufolge machen sie etwa 15 Prozent des Kunststoffabfalls aus. Doch die Recyclingquote bleibt niedrig. Optische Sortiersysteme, die sich meist auf die bildgebende Spektroskopie im Nahinfrarotbereich (NIR) stützen, können schwarze Kunststoffe aufgrund ihrer Rußpigmentierung nicht unterscheiden. Infolgedessen werden diese Materialien falsch klassifiziert und entsorgt. So landen sie doch wieder auf Mülldeponien oder in Verbrennungsanlagen.

Der Recyclingprozess

Das Recycling von Kunststoffen umfasst mehrere Schritte. Der Prozess beginnt mit dem Sammeln und Trennen. Hier werden Kunststoffe aus Abfallströmen gesammelt und von anderen Materialien getrennt. Anschließend werden sie in kleine Flocken zerkleinert, um die Verarbeitung zu erleichtern. Der nächste Schritt ist das Waschen, bei dem Verunreinigungen wie Schmutz und Etiketten entfernt werden. Optische Sortiersysteme kategorisieren Kunststoffe nach Polymertyp, um die Konsistenz der recycelten Materialien zu gewährleisten, und übergeben Klassifizierungsinformationen an den mechanischen Separator.

Die bisherigen Sortierverfahren

Herkömmliche optische Sortiersysteme verwenden in der Regel Nahinfrarot-Hyperspektralbilder (NIR), um zwischen Kunststoffarten auf der Grundlage ihrer einzigartigen Spektralsignatur zu unterscheiden. Jeder Kunststofftyp hat unterschiedliche molekulare Bindungen, die auf elektromagnetische Strahlung individuell reagieren. Diese Wechselwirkungen führen zu spezifischen Absorptions- und Reflexionsmustern, die es Hyperspektralsensoren ermöglichen, Materialien sehr präzise zu klassifizieren. Insbesondere im Nahinfrarotbereich ermöglicht die hyperspektrale Bildgebung eine präzise Unterscheidung von Materialien, die mit bloßem Auge ähnlich erscheinen. Sie ist zwar eine wirksame und weit verbreitete Lösung für das Sortieren von Kunststoffen, hat aber bei schwarzen Kunststoffen aufgrund ihrer hohen Lichtabsorption, die sie für NIR-Sensoren unsichtbar macht, Schwierigkeiten.

Eine Alternative für das Sortieren schwarzer Kunststoffe ist die Schwerkrafttrennung, bei der die Materialien anhand ihrer Dichte getrennt werden. Diese Methode ist jedoch ressourcenintensiv, da sie eine beträchtliche Menge an Wasser und Chemikalien erfordert. Zudem ist sie im Vergleich zur optischen Sortierung weniger präzise.

Die Genauigkeit der kommerziellen Kunststoffsortierung ist allerdings entscheidend, da sie sich direkt auf den Wert und die Verwendbarkeit der recycelten Materialien auswirkt. Recycelte Kunststoffe mit geringem Reinheitsgrad werden häufig zu minderwertigen Produkten weiterverarbeitet oder in alternative Materialien wie Öl umgewandelt, wodurch ihr Marktwert insgesamt sinkt. Recycelte Kunststoffe mit hohem Reinheitsgrad können dagegen für die Herstellung neuer, hochwertiger Produkte wiederverwendet werden, was den Recyclern höhere Gewinnspannen beschert.

Die Lösung: ein anderer Spektralbereich

Die hyperspektrale Bildgebung im mittleren Infrarotbereich (MWIR) bietet eine Lösung für die Sortierung von schwarzen Kunststoffen. Sie funktioniert nach einem ähnlichen Prinzip wie das NIR-Imaging, arbeitet jedoch in einem anderen Spektralbereich. Während die NIR-Bildgebung den Bereich von etwa 900 bis 2.500 nm abdeckt, funktioniert die MWIR-Bildgebung im mittelwelligen Infrarotbereich, von 3.000 bis 5.000 nm.

Schwarze Kunststoffe sind für NIR-Sensoren nahezu unsichtbar. Sie können die Reflexionsspektren dieser Materialien nicht erfassen, da sie das Licht eher absorbieren als reflektieren. Im Gegensatz dazu weisen die verschiedenen Kunststoffarten im MWIR-Bereich je nach ihrer molekularen Zusammensetzung unterschiedliche spektrale Merkmale auf. Diese Eigenschaft ermöglicht die genaue Identifizierung und Klassifizierung von Kunststoffen, unabhängig von ihrer Pigmentierung.

Die MWIR-Hyperspektralbildgebung scannt die Materialien auf Förderbändern bei hohen Geschwindigkeiten. Das System analysiert die Spektraldaten in Echtzeit, klassifiziert die Kunststoffe anhand ihrer chemischen Eigenschaften und leitet sie automatisiert mithilfe mechanischer Komponenten wie Luftdüsen in die entsprechenden Recyclingströme. Die Verarbeitung der Bilddaten in Hochgeschwindigkeit ermöglichen ein Klassifizieren und Sortieren in Echtzeit.

Anwendungen in der Industrie

Schwarzer Kunststoff findet sich in Autoinnenräumen, Stoßfängern und Verkleidungsteilen. Die MWIR-Bildgebung kann die Automobil-Hersteller unterstützen, ihre Recyclinganforderungen zu erfüllen und die Umweltbelastung zu verringern.

In der Unterhaltungselektronik, beispielsweise in Smartphones und Haushaltsgeräten, werden häufig schwarze Kunststoffgehäuse verwendet. Die effiziente Sortierung von ausrangierter Elektronik mit MWIR-Imaging unterstützt die Einhaltung strenger Elektromüll-Vorschriften und fördert nachhaltige Herstellungspraktiken.

Schwarze Kunststoffschalen werden auch für Fertiggerichte verwendet. Hier erleichtert die neue Technologie die effektive Sortierung, reduziert unnötigen Abfall und unterstützt nachhaltige Verpackungslösungen.

Die Verbesserung des Recyclings von schwarzen Kunststoffen durch die MWIR-Hyperspektralbildgebung bietet ökologische und wirtschaftliche Vorteile: Recycling reduziert die Umweltverschmutzung, schont Ressourcen und unterstützt die Kreislaufwirtschaft, indem es sicherstellt, dass Kunststoffe wiederverwendet und nicht weggeworfen werden. Aus wirtschaftlicher Sicht senkt das Recycling von schwarzem Kunststoff die Produktionskosten für Hersteller, da sie weniger neue Materialien benötigen. Darüber hinaus vermeiden Unternehmen, die sich an die Recycling-Vorschriften halten, finanzielle Strafen und stärken ihre Marktposition in einer zunehmend nachhaltigkeitsbewussten Welt. 

Autor
Dr. Minna Törmälä, Head of Global Marketing bei Specim