CN109415629A - 识别材料的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种通过发光识别和/或区分材料的方法，其中将至少一种发光物质掺入到材料中和/或施用到材料上，并且在激发后通过辐射分析物质的发光响应。本发明还涉及所述方法用于材料的识别和/或分选和/或再循环和/或鉴定和/或质量控制和/或组成控制的用途。

Description

识别材料的方法
本发明涉及一种通过发光识别和/或区分材料的方法。
再循环塑料材料是世界范围内的需求。为此，必须识别并分级塑料材料。用于分离塑料材料的光学方法是已知的。类似地，已知分选方法基于具有发光物质的材料的靶向标识。此处经常存在的问题是，塑料材料不仅包含通常基本上是有机的塑料材料，而且还包含可能对塑料材料的光学特性(例如吸收和荧光)产生影响的其他外来物质。这些外来物质可为例如颜料、染料或其他添加剂。术语颜料和染料在此应理解为还包括与可见光谱之外的电磁辐射相互作用的物质。使用这些材料还可引起光学性质的变化，例如，由于变脏而引起。此外，材料也可能经受例如由光、热或化学负荷导致的老化过程，这可导致变色或浑浊。其结果例如是来自相同化学类别的塑料材料(例如聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET))的着色可能不同。由于这些差异，可发生例如在限定的波长或波长带处的吸收、反射或荧光的绝对测量产生不同的结果。这使得实现这些材料的统一光学识别变得更加困难，不论何种其中包含的外来物质、变脏程度、使用或老化。
因此，本发明的一个目的是提供一种识别和/或区分材料、优选塑料材料的方法，该方法不受待识别材料特性(例如变色、浑浊或变脏)的影响。
如果要使用基于具有发光物质的材料的靶向标识的分选方法，则待分选的塑料材料的种类需要大量可区分的标记。许多标记物仅在特定的激发条件下表现出确定无疑的发射特性。因此，为了产生多种标记物，重要的是具有使用多种激发方式的可能性。
例如，存在发光标记物，其光发射是激发功率的非线性函数，而其他发光标记物的光发射与激发功率成比例。因此，识别这些非线性或线性关系需要使用许多不同的激发功率。
另外，塑料材料可以与不同浓度的一种或多种标记物混合。通过使用不同浓度的荧光标记物，可以赋予标记材料不同的发射特性。识别这些不同的发射特性在每种情况下也需要特定的激发条件，因此需要很多种不同的激发方式。
因此，具有识别和/或区分材料(优选塑料材料)的方法也是有利的，所述方法能够宽泛地调制激发条件。
为了识别不同的标记物，必须能够分析关于多种特性的发光性能。这些特性包括例如随时间的发射性能和光谱发射性能。
根据本发明，通过借助于发光识别和/或区分材料的方法解决了该问题，其中将至少一种发光物质掺入材料中和/或施用到材料上，并且利用辐射在激发之后和/或激发过程中分析物质的发光性能。
本文中优选发光性能为随时间的光发射性能。
同样优选的是将光发射进行时间解析。
还考虑在一个或多个时间间隔之后，确定一个或多个发射波长的强度，并且强度比由相同发射波长或不同发射波长的发射强度形成。
优选考虑确定一个或多个发射波长的衰变常数。
优选确定随时间的完整发射光谱的强度分布。
同样优选的是，对光发射在预定的时间内积分。
还考虑发光性能是光谱发射性能。
考虑将发射性能进行光谱解析。
优选确定特定发射波长的存在和/或不存在。
还优选确定特定发射波长的绝对强度。
进一步优选确定特定发射波长和/或波长范围之间的强度比。
考虑确定发射光谱。
同样考虑将发射性能进行光谱积分。
特别优选考虑通过时间和/或光谱和/或通过辐射强度来调制发光的激发。
优选地，在单个激发的持续时间和/或在多脉冲激发的情况下脉冲的持续时间和/或脉冲之间的间隔间距的持续时间上通过时间和/或脉冲数来调制激发。
考虑在激发波长最大值的位置和/或激发波长的宽度和/或激发波长的数量上对激发进行光谱调制。
同样考虑通过辐射源的功率和/或通过使用滤光器来调制辐射强度。
优选地，将所测量的发光性能与激发特性相关联并且归属于材料。
优选地，将所测量的发光性能与激发特性相关联，以形成数学评估标准。
同样优选地，将建立的数学评估标准与存储在数据库中的数学评估标准进行比较。
根据本发明，优选使用对材料进行识别和/或分选和/或再循环和/或鉴定和/或进行质量检验和/或组成检验的方法。
还优选一种方法，其中所述发光物质选自荧光材料和/或磷光材料和/或上变频材料(up-converter)和/或下变频材料(down-converter)和/或在激发后重新发射激发波长的材料。
还优选一种方法，其中确定发光特性的步骤在UV和/或VIS和/或IR中进行。
在另一个实施方案中，可考虑当材料运动时，进行识别和/或区分材料的方法。例如，可考虑将待识别和/或区分的材料放置在导管中，导管保持在基本直立的位置，并且在材料落下时通过设置在导管中的检测器分析材料。也可通过将材料放置在传送带等上引起待检查材料的移动。如果使用移动材料进行本发明的方法，则可在材料移动的同时进行发光物质的辐射激发和该物质的发光性能的分析。
在另一个实施方案中，优选考虑停止待检测材料的运动以进行分析步骤，即进行激发和/或检测。这种待检测材料运动的短暂中断可以通过例如停止传送带——优选地短暂地——来实现。与绝对测量相反，令人惊讶地发现光学特性的相对测量，例如对光发射的时间特性的分析对干扰参数如添加剂或污物沉积物不敏感。因此，通过利用相对发光特性来识别材料不受待识别材料的固有的基本光学特性的影响。
发光特性或发光性能可以基于来自荧光材料和/或磷光材料和/或上变频材料和/或下变频材料的发光物质和/或在激发后重新发射激发波长的材料。发光被理解为意味着在能量输入之后发射电磁辐射。优选通过光子实现能量输入，使得观察到的发光是光致发光。光致发光可以发生在UV和/或VIS和/或IR中。上变频材料是在激发后发射光子的发光物质，所述光子的波长短于激发光子的波长。下变频材料是在激发后发射光子的发光物质，所述光子的波长长于激发光子的波长。
在具有掺杂有两种不同类型离子的无机主晶格的发光物质的情况下，光发射强度可以是激发功率的非线性函数。另一方面，具有仅掺杂一种离子的无机主晶格的发光物质的光发射强度可以与激发功率成比例。
例如，专利申请DE102014105846A1的材料可用作上变频材料或下变频材料。
一个实施方案的特征在于，为了识别材料，确定随时间的光发射性能。
这意味着在激发结束之后或过程中，在预定时间段内利用测量技术检测光的发射。利用测量技术的检测可以在触发发光激发之后的时间间隔内连续进行一次或多次。在这种情况下，可考虑在激发结束和第一次测量开始之间指定固定的死区时间。各个测量的持续时间以及由此绝对发光强度的积分时间可以相同或不同。单独测量的持续时间为1μs-10ms，优选10μs-1ms，甚至更优选50μs-500μs。此方法开辟了许多选项。
在激发之后，可以预定的时间间隔针对一个发射波长或波长范围确定发光强度若干次。可从获得的绝对强度形成强度比。这也可针对多个发射波长或波长范围进行，由此可对多个发射波长或波长范围形成这些强度比。类似的强度比可基于不同波长或波长范围的发射强度形成。
还优选的是，确定一个或多个发射波长或波长范围的衰变常数。衰变常数应理解为表示发射的初始强度下降到1/e的时间段。
还优选确定随时间的完整发射光谱的强度分布。在不同时间之后获得的发射光谱可相对地相互划分开来。
根据本发明，还建议使用多个激发，然后用不同长度的积分时间进行测量，以确定荧光强度。可从获得的发射强度确定强度比。这可针对光谱解析或光谱积分中的一个或多个发射波长或波长范围来完成。
在触发激发之后或之时，也可仅检测一次绝对发光强度。这可以针对光谱解析中的一个或多个定义的波长或波长范围来完成。
在这种情况下，建议应根据不同波长或波长范围的绝对发射强度确定强度比。
为了识别材料，任选地可省去确定相对发光特性的步骤。如果材料的光学特性确定和均匀，如果材料的光学特性与发光材料标记物的激发和发射波长不相互干扰，或者如果可排除通过老化、使用或变脏导致的发光特性损害，则这是可以考虑的。
还优选确定特定发射波长或波长范围的存在和/或不存在。
进一步优选确定特定发射波长或波长范围的绝对强度。
另一个实施方案的特征在于光发射的强度对整个光谱积分。如果不必基于标记物的不同发射特性来区分不同的标记物和/或如果必须评估极弱的发射信号，则这是有利的。
为了检测发光特性，可以单独或组合使用各种检测器，例如黑白照相机、彩色照相机、光电倍增管、光谱仪、光电池、光电二极管、光电晶体管。在检测装置中，可使用诸如长通/短通/带通滤波器的滤光器。
一种方法是特别有利的，其中发光的激发通过时间和/或光谱和/或辐射强度来调制。
一个优选实施方案的特征在于，通过改变单次激发的持续时间和/或在多次激发的情况下改变激发脉冲的持续时间和/或在多次激发的情况下改变激发脉冲之间间隔的持续时间和/或在多次激发的情况下通过改变脉冲数来随时间进行激发的调制。
在多次激发的情况下，脉冲数有利地为2-10个，优选为2-5个。激发持续时间为1μs-100ms，1μs-5ms，10μs-1ms，甚至更优选20μs-500μs。当使用飞秒激光器时，激发的持续时间也可位于飞秒范围内。
脉冲激发还可采取在一个或多个连续光源下移动待识别材料的形式，例如通过利用传送带传送待识别材料。通过改变传送速度可实现辐照持续时间的变化。
还可考虑调节激发区的大小。如果待识别的材料以固定的速度连续地传送通过激发区，例如激光线，则可通过改变激光线的宽度，改变激发区中材料的停留时间，从而改变辐照的持续时间。
另一个优选实施方案的特征在于，通过改变一个或多个激发波长最大值的位置和/或通过改变一个或多个激发波长的宽度和/或通过改变激发波长的数量对所述激发进行光谱调制。
在用确定的激发波长激发的情况下，半宽度优选为20nm，优选为10nm，甚至更优选为5nm。在用波长范围激发的情况下，半宽度可为200nm，优选100nm，甚至更优选50nm。激发波长和波长范围的数量可为10个，优选5个，甚至更优选2个。
另一个实施方案的特征在于，通过改变辐射源的功率和/或通过改变激发源和材料之间的滤光器来调制激发强度。激发强度可为0.01-1W/mm2，优选0.1W/mm2-0.5W/mm2，还优选0.0001-1W/mm2。
宽带和/或窄带光源可单独使用或组合使用以激发发光，例如激光器、激光二极管、发光二极管(LED)、氙气灯、卤素灯。激发源可以单独或同时或以不同组合相继激活。在激发装置中，可以使用诸如长通/短通/带通滤波器的滤光器。另外，可考虑改变激发源的孔径，以便调制激发区的尺寸，通过该激发区传输待识别的材料。激发区也可通过一个接一个地相继排列多个激发源并在该排列中改变激活的激发源的数量来调制。
为了根据所呈现的方法识别材料，必须指定所使用的激发方式或测量的发射特性与标记材料之间的联系。
在该联系中，优选的是，激发方式和/或发射特性相关联以形成数学评估标准。通过实验测定，可为包含特定标记的每种材料确定数学目标评估标准并将其存储在数据库中。当进行识别方法时，将获得的评估标准与先前存储在数据库中的评估标准进行比较，从而能进行识别。
本发明的方法可用于材料的识别和/或分选和/或再循环和/或认证和/或进行质量检验和/或组成检验。
下面将参考具体的说明性实施方案进一步解释和描述本发明。
说明性实施方案1
将已用两种不同的发光物质标记的两种类型的PVC材料用于模拟再循环过程的测试设施中。发光标记物为Gd1.798Yb0.2Ho0.002O3和Y1.8992Yb0.1Ho0.0008O3。发光标记物之间的发光衰变常数不同。首先通过锤磨机将整个材料粗粉碎，以获得约0.2至2.0cm的粒度。
粉碎后，将经研磨的材料穿过分选机中的激光线输送，从而激发掺入的发光标记物。激发在980nm处进行。辐照时间为1ms。光学检测系统分析并识别每种材料颗粒的发光衰变常数。基于作为分选标准的衰变常数，触发排出喷嘴，并根据归属于它们的衰变常数将材料颗粒分选到不同的容器中。通过已存在于常规分选线中的排出喷嘴对材料颗粒进行分选。
说明性实施方案2
已用两种不同的发光物质标记的两种类型的物体(在本实施方案中是两种不同类型的塑料容器)被用于模拟再循环过程的测试设备中。发光标记物为Gd1.82Yb0.18O3(M1)和Gd1.51Yb0.49O3(M2)。发光标记物之间的发光衰变常数不同。
物体穿过分选机中的激光线输送，从而激发了掺入的发光标记物。激发在980nm处进行。辐照时间为500μs。光学检测系统分析并识别每个物体的发光的衰变常数。基于作为分选标准的衰变常数，根据归属于它们的衰变常数将物体分选到不同的容器中。通过已存在于常规分选线中的设备对物体进行分选。
说明性实施方案3
将已用两种不同的发光物质标记的两种类型的PVC材料用于模拟再循环过程的测试设施中。发光标记物为Gd1.82Yb0.18O3(M1)和Gd1.51Yb0.49O3(M2)。标记物M2的发光比标记物M1的发光更快地衰变。
粉碎后，将经研磨的材料穿过分选机中的激光线输送，从而激发掺入的发光标记物。激发在980nm处进行。辐照时间为500μs。光学检测系统在两个连续时间t1和t2下检测相同发射波长的每个材料颗粒的光发射的强度I，并确定强度比I t1/I t2。由于M2比M1衰变得更快，因此M2的强度比大于M1的强度比。基于作为分选标准的强度比，触发排出喷嘴，并根据归属于它们的强度比将材料颗粒分选到不同的容器中。通过已存在于常规分选线中的排出喷嘴对材料颗粒进行分选。
说明性实施方案4
将掺杂有铒和镱的基于硫氧化钆的发光材料(M3)在约1650℃下热处理约60分钟。这产生了改性的发光材料M4。由于热处理，红色光谱范围内的发光强度与绿色光谱范围内的发光强度之间的关系改变(Iλ红/Iλ绿)。M4的Iλ红/Iλ绿大于M3的Iλ红/Iλ绿。
两种类型的PVC材料中的一种已用M3标记，另一种用M4标记，将这两种PVC材料用于模拟再循环过程的测试设备中。粉碎后，将经研磨的材料穿过分选机中的激光线输送，从而激发掺入的荧光标记物。光学检测系统检测红色和绿色光谱范围内的每个材料颗粒的光发射强度I，并确定强度比Iλ红/Iλ绿。基于作为分选标准的强度比，触发排出喷嘴，并根据归属于它们的强度比将材料颗粒分选到不同的容器中。通过已存在于常规分选线中的排出喷嘴对材料颗粒进行分选。
说明性实施方案5
三种类型的PVC材料中的两种已用不同的发光物质标记，一种未标记，将这三种PVC材料用于模拟再循环过程的测试设备中。发光标记物为Gd1.82Yb0.18O3(M1)和Gd1.51Yb0.49O3(M2)。
粉碎后，将经研磨的材料穿过分选机中的激光线输送，从而激发掺入的发光标记物。激发在980nm处进行。光学检测系统检测每种材料颗粒的发光强度。基于作为分选标准的光发射强度，触发排出喷嘴，并根据归属于材料颗粒的阈值强度将它们分选到不同的容器中。通过已存在于常规分选线中的排出喷嘴对材料的颗粒进行分选。辐照时间为350μs的情况下，仅M1的发光强度高于作为分选标准的阈值强度。因此，所有被分选出都是M1标记的类型。在辐照时间为500μs的情况下，仅M1和M2的发光强度高于作为分选标准的阈值强度。因此，用M1标记的类型和用M2标记的类型都被分选出。如果在多步分选过程中相继使用350和500μs的辐照时间，则可在第一步中分选出用M1标记的类型，并且可在第二步中分选出用M2标记的类型。
说明性实施方案6
三种类型的PVC材料中的两种已用不同的发光物质标记，一种未标记，将这三种PVC材料用于模拟再循环过程的测试设备中。发光标记物是Gd1.82Yb0.18O3(M1)和2,5-双(5-叔丁基-苯并恶唑-2-基)噻吩(M5)。通过IR光辐照激发M1发光，通过UV光激发M5发光。
粉碎后，将经研磨的材料穿过分选机中的激光线输送，从而激发掺入的发光标记物。M1的激发在980nm处进行，M5的激发在365nm处进行。光学检测系统检测每种材料颗粒的发光强度。基于作为分选标准的发光强度，触发排出喷嘴，并根据归属于材料颗粒的阈值强度将它们分选至不同的容器中。通过已存在于常规分选线中的排出喷嘴对材料颗粒进行分选。当在980nm处进行激发时，仅M1的发光强度高于设置为分选标准的阈值强度。因此，所有被分选出的都是用M1标记的类型。当在365nm处进行激发时，仅M5的发光强度高于设置为分选标准的阈值强度。因此，所有被分选出的是用M5标记的类型。如果同时使用两个激发波长，则可同时分选出用M1和M5标记的类型。如果在多步分选过程中相继使用不同的激发波长，则可在一个分选步骤中分选出用M1标记的类型，并且可在另一个分选步骤中分选出用M2标记的类型。
说明性实施方案7
三种类型的PVC材料中的两种已用不同浓度的发光物质标记，一种未标记，将这三种PVC材料用于模拟再循环过程的测试设备中。发光标记物为Gd1.82Yb0.18O3(M1)。M1的激发在980nm处进行。在相同的激发波长下，具有较高M1浓度的材料的发光激发比具有较低M1浓度的材料的发光激发需要较少的激发能量。
粉碎后，将经研磨的材料穿过分选机中的激光线输送，从而激发掺入的发光标记物。光学检测系统检测每个材料颗粒的光发射强度。基于作为分选标准的光发射强度，触发排出喷嘴，并且根据归属于材料颗粒的阈值强度将它们分选到不同的容器中。通过已经存在于常规分选线中的排出喷嘴对材料颗粒进行分选。当辐射源的功率为0.1W/mm2时，仅具有较高M1浓度的材料的发光强度高于设置为分选标准的阈值强度。因此，所有被分选出的是用较高M1浓度标记的类型。在0.5W/mm2的功率下，两种类型的标记材料的发光强度高于设置为分选标准的阈值强度。因此，分选出用高M1浓度标记的类型和用较低M1浓度标记的类型。如果在多步分选过程中相继使用0.1W/mm2和0.5W/mm2的功率，则可在第一步中分选出用高M1浓度标记的类型，并可以在第二步中分选出用较低的M1浓度标记的类型。
说明性实施方案8
识别并分选已用不同发光物质标记的三种PVC材料。发光标记物为Gd1.82Yb0.18O3(M1)、Gd1.51Yb0.49O3(M2)和2,5-双(5-叔丁基-苯并恶唑-2-基)噻吩(M5)。M1和M2的激发在980nm处进行，并且使用UV光进行M5的激发。M1的发光激发比M2的激发需要更少的激发能量。
这些类型经受不同的激发方式，其强度和激发波长不同。对于每种激发方式，测量各类型的发光性能。该分析检测发光强度和衰变常数是否达到某些目标值。通过比较以这种方式获得的激发发光值对与实验确定并存储在数据库中的激发发光值对，可识别这些类型。表1提供了获得的激发发光值对的概述。对于每个标记物，获得激发方式的特征模式和目标值的到达。该模式使得能明确识别所获得的标记物，并因此对该类型的材料进行明确的识别和分选。
表1：
说明性实施方案9
三种类型的PVC材料中的两种已用不同的发光物质(M1，M3)标记，一种未标记，将这三种PVC材料用于模拟再循环过程的测试设备中。发光标记物为掺杂有铒和镱的硫氧化钆(M3)以及Gd1.82Yb0.18O3(M1)。M3的光发射是激发功率的非线性函数，而M1的光发射与激发功率成比例。M1和M3的激发在940nm处进行。
粉碎后，将经研磨的材料在分选机中用激光辐照两次，以便激发掺入的发光标记物。光学检测系统在P1＝0.001W/mm2和P2＝0.005W/mm2的激发强度下检测每种材料颗粒的发光强度。由于没有任何光发射，检测到所有未标记的颗粒并将其分选。基于激发强度P1下的光发射I1和激发强度P2下的光发射I2对标记的颗粒(M1，M3)进行分选。通过在归属于它们的目标值下触发排出喷嘴来相继进行分选。
在以上说明书和权利要求中公开的本发明的特征对于在各种单独和任何组合的实施方案中的发明的实现是非常重要的。

Claims (24)

1.一种通过发光识别和/或区分材料的方法，其中将至少一种发光物质掺入到材料中和/或施用到材料上，并且在通过辐射激发后分析物质的发光性能。
2.根据权利要求1所述的方法，其中发光性能为随时间的光发射性能。
3.根据权利要求2所述的方法，其中对光发射进行时间解析。
4.根据权利要求2所述的方法，其中在一个或多个时间间隔之后，确定一个或多个发射波长的强度，并且可由相同发射波长或不同发射波长的发射强度形成强度比。
5.根据权利要求2所述的方法，其中确定一个或多个发射波长的衰变常数。
6.根据权利要求2所述的方法，其中确定随时间的完整发射光谱的强度分布。
7.根据权利要求2所述的方法，其中在预定的时间段内对光发射进行积分。
8.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中所述发光性能为光谱发射性能。
9.根据权利要求8所述的方法，其中光谱解析所述发射性能。
10.根据权利要求9所述的方法，其中确定特定的发射波长的存在和/或不存在。
11.根据权利要求9所述的方法，其中确定特定发射波长的绝对强度。
12.根据权利要求9所述的方法，其中确定特定发射波长和/或波长范围之间的强度比。
13.根据权利要求9所述的方法，其中确定发射光谱。
14.根据权利要求8所述的方法，其中光谱积分所述发射性能。
15.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中，通过时间和/或光谱和/或辐射强度来调制发光的激发。
16.根据权利要求15所述的方法，其中，在单个激发的持续时间和/或在多脉冲激发的情况下脉冲的持续时间和/或脉冲之间的间隔间距的持续时间上通过时间和/或通过脉冲数调制激发。
17.根据权利要求15所述的方法，其中，在激发波长最大值的位置和/或激发波长的宽度和/或激发波长的数量上对激发进行光谱调制。
18.根据权利要求15所述的方法，其中通过辐射源的功率和/或通过使用滤光器来调制辐射强度。
19.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中将所测量的发光性能与激发特性相关联并且归属于材料。
20.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中将所测量的发光性能与激发特性相关联，以形成数学评估标准。
21.根据权利要求20所述的方法，其中将建立的数学评估标准与存储在数据库中的数学评估标准进行比较。
22.根据前述权利要求中任一项所述的方法用于材料的识别和/或分选和/或再循环和/或鉴定和/或进行质量检验和/或组成检验的用途。
23.根据前述权利要求1至21中任一项所述的方法，其中所述发光物质选自荧光材料和/或磷光材料和/或上变频材料和/或下变频材料和/或在激发后重新发射激发波长的材料。
24.根据前述权利要求1-21和23中任一项所述的方法，其中确定发光特性的步骤在UV和/或VIS和/或IR中进行。
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