SKZ: Chemometrie als Werkzeug der Polymeranalytik - Methode zur Qualitätssicherung von Kunststoffen

Scores-Plot aus Forschungsvorhaben RecyQuant - (Bild: Cosima Güttler, SKZ).

Die Chemometrie ist ein Verfahren, das mathematisch-statistische Methoden mit chemischen Kenntnissen verbindet und eine Charakterisierung auch von Kunststoffen und Rezyklaten hinsichtlich Qualität und Einzelkomponenten ermöglicht. Am Kunststoff-Zentrum SKZ wird diese Methodik eingesetzt und weiterentwickelt.

Die zunehmende Relevanz der Chemometrie in der Kunststoffindustrie ergibt sich aus der steigenden Komplexität polymerer Werkstoffe und den wachsenden Anforderungen an Nachhaltigkeit und Recycling. Durch die Kombination statistisch-mathematischer Methoden mit chemischem Fachwissen ermöglicht die Chemometrie nicht nur eine präzise, schnelle und kostengünstige Analyse, sondern auch die Charakterisierung hinsichtlich Alterungszustand und Materialzusammensetzung sowie die Identifizierung und Quantifizierung von Additiven, Füllstoffen und Pigmenten.

Darüber hinaus ermöglicht die Chemometrie auch die Sortierung gängiger Kunststoffarten wie PE, PP, PVC, PET, ABS und PA mit Hilfe der (Nahinfrarot-)Spektroskopie, die für die Erhöhung der Recyclingquoten und die Verbesserung der Wiederverwertbarkeit von Kunststoffen notwendig ist, sowie die Qualitätskontrolle zur Bestimmung kritischer Materialeigenschaften von Endprodukten.

Multivariate Datenanalyse
Grundsätzlich handelt es sich bei der Chemometrie um eine multivariate Datenanalyse, bei der anstelle einzelner Banden das gesamte Spektrum zur Auswertung herangezogen wird. Zur Datenreduktion und Extraktion der relevanten Spektralinformation sind daher multivariate Datenanalyseverfahren notwendig.

Qualitative Analyse
Eine qualitative Analyse kann mit Hilfe der Principal Component Analysis (PCA) durchgeführt werden. Hierbei wird auf Basis der größten Varianzen ein orthogonales Koordinatensystem konstruiert, in dem einzelne Objekte durch ihre Abbildung beschrieben werden können. Ähnliche Spektren können verschiedenen Gruppen zugeordnet werden, indem sie in dasselbe Hauptkomponenten-Koordinatensystem transformiert werden.

Quantitative Analyse
Für quantitative Analysen eignen sich dagegen multivariate Regressionsmodelle wie die Partial Least Squares Regression (PLS). Aus den Varianzen der Spektren und einer abhängigen Größe kann eine lineare Regression durchgeführt werden, die Vorhersagen über die entsprechende Größe für weitere Versuchspunkte erlaubt.

Vielfältige Einsatzgebiete
Am SKZ wird die Chemometrie in vielfältigen Anwendungsbereichen sowohl im Rahmen von Forschungs- als auch Industrieprojekten eingesetzt. Als Beispiel für eine erfolgreiche Umsetzung kann das Forschungsprojekt RecyQuant (ZIM mit Fa. ColVisTec AG, Laufzeit 2022-2024) genannt werden. Ziel war die Inline-Überwachung und Einhaltung tolerierbarer Anteile von Fremdpolymeren im Rezyklat. Dazu wurde ein chemometrisches Modell im NIR-Bereich zur Vorhersage des Fremdpolymeranteils (PE-Anteil zwischen 0 und 10 Gew.-%) im Basispolymer (PP) für Neuware und Rezyklat entwickelt (siehe Bild).

„Effizienz des Verfahrens erweitern“
„Durch die Ergebnisse des Projektes konnten wir nachweisen, dass sich die Chemometrie eignet, Rezyklatqualität zu prüfen und sicherzustellen. Wir freuen uns darauf, künftig in weiteren Projekten die Einsatzgebiete und die Effizienz des Verfahrens zu erweitern“, erklärt Cosima Güttler, Scientist Spektroskopie am SKZ.

Weitere Informationen:
www.skz.de/forschung/messtechnik/zerstoerungsfreie-pruefung

SKZ - Das Kunststoff-Zentrum, Würzburg

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