回收塑料或损坏注塑机及挤出机， NIR在线检测技术巧化解

全球塑料加工行业正在越来越多地利用回收材料。在欧洲，这一趋势受到更严格的回收材料使用法规等因素的推动。此外，塑料加工商正努力让公众将其视作从事可持续商业实践的公司。消费者对可持续产品的需求日益提高，但并不愿意接受劣质产品。然而，回收材料用户需要意识到，回收塑料不能与原生材料进行一对一比较。这与纸张回收有某些相似之处：如果要达到一定的质量标准，就必须使用一部分新原料。

标题图：Spectro-T-3-60-NIR/NIR-D20 NIR在线传感器被安装在计量系统和筒仓的视镜上 © Sensor Instruments

正确的质量控制方式必不可少。现在，可以感知颜色并监测回收物水分含量的系统通常位于注塑机和螺杆挤出机的上游，但它们无法提供有关回收物中所含塑料成分的信息。这是一个难题，因为回收塑料并非总是单树脂产品。回收材料在出售前通常只会进行比色检验。

这种情况最终可能会在未来给螺杆挤出机和注塑机带来越来越多的问题。例如，注塑模具的磨损可能会增加，而且污染物也会导致产品本身出现问题。解决方案之一是在生产车间安装近红外（NIR）在线传感器。相关的传感器技术由Sensor Instruments公司开发。该技术将三波段法应用于NIR范围，更准确地说是在1300-1700nm的波长范围内。在这个范围内，绝大多数塑料都能可靠地被区分。

图1：NIR三波段法类似于可见光谱所用的程序（来源：Sensor Instruments；图：© Hanser）

NIR三波段法的原理借鉴于可见光谱，并被应用于传感器技术。与光谱评估不同，NIR波长范围被分为三个区域（图1），每个区域由一组特定波长（1350、1550和1650nm（NIR-L、NIR-C和NIR-R））的近红外发光二极管（NIR LED）覆盖并按顺序打开。这种排序允许使用近红外敏感型光电二极管形成的宽带接收器，并且使其垂直于待测料粒的表面。与使用近红外光谱仪相比，这样做的优势在于可提供更多的光进行评估，因为接收器上的检测面积约为4mm x 1mm，大于光谱仪 < 0.1mm输入孔径的直径。因此，测量噪音更小，速度更快。此外，这种传感器技术的成本仅为光谱解决方案的一小部分。

定向光的抑制

接收器的高灵敏度还使其能够与发射端的磨砂玻璃扩散器搭配使用，用于将光扩散到几乎所有的半空间中。因此，只有一小部分的近红外光真正抵达接收器。结果，定向光（直接反射至接收器）几乎完全被抑制，这反过来又有利于测量结果。而且，传感器技术既紧凑又坚固。

与可见波长范围内的三波段颜色评估类似，本文的颜色值也根据原始颜色数据NIR-L、NIR-C和NIR-R计算得出：N*i*r*类似于L*a*b*。N*提供了被检测料粒的灰度值信息。i*提供了中心（NIR-C）和短（NIR-L）NIR波长范围之间的反射行为信息，而r*表明了介于中、长（NIR-R）NIR波长范围之间的反射行为。

NIR的L*a*b*算法

最初，选择使用L*a*b*算法只是一个想法，但事后证明它极具优势且高效。N*i*r*名称是随意选取的，因为三波段法在这个波长范围内没有已确定的参数。所进行的研究表明，与可见光范围的情况一样，物体在NIR范围内的反射行为也可以用这三个参数来描述。

图2：种类繁多的回收材料样品被用于研究（结果见表格） © Sensor Instruments

图3：回收材料试样的i*r*图：从中可以清楚地看到团簇的形成（来源：Sensor Instruments；图：© Hanser）

首先，对原生材料的料粒进行研究。由此获得关于各个料粒来源和成分的精确信息。然后，根据漫射0°法进行测量。这与比色法中使用的漫射8°法类似。将NIR传感器和料粒隔开的唯一物品是视镜。后者可以轻松集成到筒仓以及计量生产线中（标题图）。光的漫射在很大程度上抑制了干扰性直接反射，因此到达接收器的主要为漫反射。但是，通过对移动的料粒流进行测量可以提高测量精度。20个不同的原生材料样品和70个回收材料样品被用于测试（图2）。在实际测试之前还对各个样品进行了下沉试验，然后根据相对密度小于1、等于1和大于1进行分类。

对回收材料的测试证实了其适用性

对原生材料的测试揭示了i*r*图中的各个域。此外，每个域内都可以重现可靠的区分。随后，对可用的回收材料样品进行了测试。

结果表明，它们具有非常相似的行为。本例中，相对密度<1的回收材料在一侧积聚，相对密度>1的则在另一侧的两个显著区域积聚（图3）。其中之一具有极高的正i*值，而另一个则具有较高的正r*值。遗憾的是，一些回收材料试样的确切成分尚不可知，因此这些样品仅标有数字和颜色。针对用炭黑着色的回收材料，尚无法获得可评估的测量结果，因为炭黑吸收了几乎所有近红外光。相比之下，灰色和深色回收材料都产生了可用的信号强度（表1）。     

表1： 回收材料试样和N*i*r*测量结果（来源：Sensor Instruments）

通过回收材料比色法测定得到的经验表明，除了在线传感器之外，用户在实验室中配备测量系统大有裨益。因此，为了使测量结果更具可比性，相同的传感器技术已集成到现有的实验室系统中。Spectro-T-3-DIF/0°-Lab-CMU实验室测量系统可用于校准在线传感器，而Spectro-T-3-DIF/0°-Mobile-P实验室系统则适用于在实验室中测量11l以及更多的回收材料（图4）。测量在料粒移动的同时进行，可为随机排列的料粒提供最佳补偿。测量结果用电脑进行评估。各个NIR传感器可以用Spectro3-MSM-Docal Scope V1.4软件校准，该软件也在交付范围内。针对特定的样品，dN*di*dr*随时间的变化也会显示出来。

图4：两台实验室仪器Spectro-T-3-DIF/0°-Lab-CMU和Spectro-T-3-DIF/0°-Mobile-P基于相同的技术，并且都适用于校准在线传感器 ©Sensor Instruments

展望

使用该技术所获得的经验有望在将来直接应用于生产，从而对技术进行修正。Sensor Instruments公司目前正在与一家机器制造商合作开发一种用于计量回收材料和原生材料的计量装置。然后根据回收材料的成分添加或多或少的原生材料以确保成品的质量符合规格。

本文翻译自Plastics Insights杂志
作者：Walter Braumandl

来源：荣格-《国际塑料商情》

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