DE4340914A1

DE4340914A1 - Verfahren zur routinemäßigen Identifikation von Kunststoffen

Info

Publication number: DE4340914A1
Application number: DE4340914A
Authority: DE
Inventors: Guenter Dipl Phys Zachmann; Juergen Dipl Phys Gast; Arno Dr Simon; Reiner Dipl Ing Schuebel
Original assignee: Bruker Analytische Messtechnik GmbH
Current assignee: Bruker Biospin GmbH
Priority date: 1993-11-27
Filing date: 1993-12-01
Publication date: 1995-06-08
Also published as: US5510619A; GB9423029D0; GB2284477A; GB2284477B

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur routinemäßigen Identifikation des Materials von Kunststoffteilen mit Hilfe der Infrarotspektroskopie, bei dem von der Oberfläche eines zu untersuchenden Kunststoffteils ein Infrarot-Reflexions spektrum aufgenommen und mit einem Satz von Referenzspektren verglichen wird, wodurch das Material des untersuchten Kunststoffteils einer Klasse von durch eines der Referenz spektren repräsentierten Kunststoffmaterialien zugeordnet wird.

Ein derartiges Verfahren im Bereich der Nahinfrarot-Spektro metrie ist aus einem Artikel von H. Schöpe-Stein in der Fir menschrift "Der Fraunhofer", 3/92, Seite 29, der Fraunhofer- Gesellschaft bekannt.

Bei der enormen Vielfalt der heutzutage verwendeten Kunst stoffteile fallen ständig riesige Mengen an Kunststoffabfäl len unterschiedlichster Art und verschiedenster Beschaffen heit an. Insbesondere zum Zwecke eines Recyclings besteht daher ein großer Bedarf nach einem routinemäßigen Verfahren, mit dem die verschiedenen Kunststoffe im Abfall zumindest nach groben Klassen sortiert und leicht identifiziert werden können. Ein besonders wichtiges Anwendungsgebiet ist dabei das Recycling von Kunststoffteilen der Kraftfahrzeugindu strie.

Zu diesem Zweck eignet sich u. a. ein in der obengenannten Publikation beschriebenes Infrarot(IR)-Spektrometer im Be reich des Nahinfrarot (NIR: 1000-2000 nm entspricht 4000- 10000 cm^-1) mit schnell durchstimmbaren Filtern in Verbin dung mit einer schnellen Elektronik.

Bei derartigen Kunststoff-Identifikationsverfahren, die auch mit Hilfe von Fourier-Transformations-Infrarot (FTIR) -Spek trometern durchgeführt werden, wird ausschließlich im NIR- Bereich gearbeitet, da die in diesem Wellenzahlenbereich verwendbare Glasoptik besonders einfach handhabbar ist. Im Bereich des mittleren Infrarot (MIR: 400-5000 cm^-1), wo die Fenster oder Linsenmaterialien im allgemeinen hygrosko pische Salze sind und mechanisch unangenehme Eigenschaften aufweisen, sind die oben beschriebenen Verfahren nie ange wendet worden. Hinzu kommt, daß im Gegensatz zum NIR-Bereich im MIR-Bereich Faseroptik nicht oder nur unter sehr schwie rigen Umständen verwendbar ist.

Bei auch im IR undurchsichtigen Kunststoffen muß eine Materialuntersuchung mit Spektrometern in Reflexion durchge führt werden. Bei den meisten Kunststoffen liegen jedoch im MIR-Bereich starke Absorptionsbanden vor. Das an der norma lerweise nicht ebenen oder rauhen Oberfläche reflektierte Licht besitzt neben einem direkt gestreuten einen deutlich diffus gestreuten Anteil und es treten Mehrfachreflexionen auf, die wiederum einen großen Absorptionsanteil aufweisen. Dies führt dazu, daß MIR-Spektren von Kunststoffen stark verzerrt sind, schwankende Basislinien aufweisen und insge samt eher der Ableitung eines IR-Spektrums ähnlich sehen. Aus solchen experiementellen Spektren ist es im allgemeinen nicht möglich, ein sauberes, "wahres" Absorptionsspektrum des betreffenden Materials zu rekonstruieren, wie man es bei der Spektroskopie derselben Substanz unter Laborbedingungen in Absorption erhalten würde.

Vor allem diese Schwierigkeiten bei der Interpretation der erhaltenen Spektren haben den Fachmann bisher davon abgehal ten, routinemäßige Untersuchungen von Kunststoffen im MIR- Bereich in Reflexion zu erwägen. Bei mit Kohlenstoff gefüll ten Kunststoffen, die in der Kraftfahrzeug-Teilefertigung den Regelfall darstellen, ist aber andererseits der Einsatz von Spektroskopie im NIR-Bereich nicht möglich, da bei der artigen Kunststoffen keine auswertbaren NIR-Spektren zu er zielen sind. Die MIR-Spektroskopie wurde aus den obengenann ten Gründen bislang als Verfahren für die Routine-Identifi kation von Kunststoffen für ungeeignet angesehen. Mit den herkömmlichen NIR-spektroskopischen Methoden kann jedoch zu mindest ein Teil der interessierenden Kunststoffmaterialien nicht untersucht werden.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, ein Verfah ren der eingangs beschriebenen Art vorzustellen, mit dem auch mit Kohlenstoff gefüllte Kunststoffe und andere, der NIR-Spektroskopie nicht zugängliche Kunststoffmaterialien auf einfache Weise routinemäßig untersucht werden können. Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, daß das zu untersuchende Kunststoffteil mit Hilfe einer Videoeinrichtung positioniert wird, und daß das Infrarot-Reflexionsspektrum im Bereich des mittleren Infrarot (MIR) in einem Wellenzahlenbereich zwischen 400 und 4000 cm^-1 aufgenommen wird.

Die erfindungsgemäß vorgeschlagene Vorgehensweise der Auf nahme eines MIR-Reflexionsspektrums ist für den oben be schriebenen Zweck einer routinemäßigen Untersuchung von Kunststoffen überraschenderweise doch geeignet, da nämlich gar kein "sauberes" Spektrum erforderlich ist, wenn ledig lich Kunststoffmaterialien bzw. Klassen von Kunststoffen identifiziert werden sollen. Vielmehr genügt es, wenn aus der Messung reproduzierbare und eindeutige Informationen zu entnehmen sind, die für das untersuchte Kunststoffmaterial in irgendeiner Weise charakteristisch sind. Dies ist aber auch im mittleren Infrarot-Bereich durchaus möglich, so daß damit insbesondere mit Kohlenstoff gefüllte Kunststoffe in eine Routineuntersuchung zum Zwecke der Identifikation mit einbezogen werden können. Durch die Positionierung des zu untersuchenden Kunststoffteiles mit einer Videoeinrichtung wird auf bedienerfreundliche Weise sichergestellt, daß die Probe sich in der korrekten Meßposition befindet, was die Grundvoraussetzung für eine problemlose Routinemessung darstellt.

Bei einer bevorzugten Ausführungsform des Verfahrens umfaßt das Spektrum mindestens den MIR-Bereich von 600-3600 cm^-1.

Damit wird nahezu die maximal mögliche Information aufgesam melt.

Bei einer einfacheren Ausführungsform umfaßt das Spektrum nur einen Teilbereich des MIR von weniger als 1000 Wellen zahlen. Dadurch benötigt ein aufgenommenes Spektrum weniger Speicherplatz, die Spektrenaufnahmezeit verringert sich, und es können auf bestimmte zu untersuchende Materialien spezi ell zugeschnittene optische Elemente (Detektoren, Filter, Fenster mit eingeschränkten Bereichen usw.) Verwendung finden.

Besonders bevorzugt ist eine Ausführungsform des erfindungs gemäßen Verfahrens, bei dem vor dem Vergleich mit den Refe renzspektren eine, vorzugsweise die erste Ableitung des auf genommenen IR-Spektrums nach der Wellenzahl gebildet wird, und auch als Referenzspektren entsprechende Ableitungen der IR-Spektren von Referenzsubstanzen verwendet werden. Durch die Begrenzung des Meßbereichs auf den informations tragenden Auswertebereich (genau dort, wo die Kunststoffe absorbieren) kann die Identifikationsqualität erheblich ver bessert werden.

Bei einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform wird im Rahmen einer Meßserie vieler Kunststoffteile zunächst nur jeweils in einer ersten Messung ein IR-Reflexionsspektrum aus dem nahen IR-Bereich aufgenommen und mit Referenz spektren verglichen und nur bei Kunststoffteilen, bei denen diese erste Messung zu keiner eindeutigen Identifikation führt, eine zweite Messung im mittleren IR-Bereich nachge schoben. Damit können bei einem automatisierten Sortiervor gang Kunststoffabfälle standardmäßig schnell im Millisekun den-Bereich mit einer "billigen" NIR-Messung identifiziert und mehr oder weniger vollautomatisch an einem Fließband sortiert werden. "Schwarze" Materialien oder solche, die da mit nicht zugeordnet werden können, können dann aussortiert und der relativ teueren und langsameren MIR-Messung (≈ 1 Se kunde) zugeführt werden. Im MIR-Bereich könnte eine solche Sortieranlage dann möglicherweise auch einen geringeren Automationsgrad aufweisen, da mengenmäßig wesentlich weniger Kunststoffteile in diesen Bereich gelangen würden.

Besonders preisgünstig ist eine Variante des vorgenannten Verfahrens, bei dem die beiden Messungen (im NIR- und im MIR-Bereich) mit demselben IR-Spektrometer zeitlich nachein ander oder sogar simultan durchgeführt werden.

Bei einer alternativen Variante dieses Verfahrens werden die beiden Messungen im NIR- und im MIR-Bereich mit zwei separa ten IR-Spektrometern durchgeführt. Dadurch kann das Gesamt verfahren schneller gemacht werden, was den Durchsatz an zu untersuchenden Kunststoffteilen erhöht und damit das Verfah ren wirtschaftlich günstiger macht.

Bevorzugt ist eine Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens, bei dem das MIR-Spektrum mit Hilfe eines Fourier-Transformations-Infrarot(FTIR)-Spektrometers aufgenom men wird. Diese Vorgehensweise hat neben der Nutzbarmachung anderer allgemeiner Vorteile von Fourier-Spektrometern, wie beispielsweise der Möglichkeit des "Multiplexings", der sehr schnellen Datenaufnahme und der bedeutend besseren Eigen schaften bei größeren Wellenlängen im Verhältnis zu disper siven Spektrometern auch den speziellen Vorzug, daß zur Spektrenaufnahme keine CCD-Arrays erforderlich sind, die insbesondere im MIR- und FIR-Bereich nicht erhältlich wären.

Besonders bevorzugt ist eine Variante dieses Verfahrens, bei der während der Messung ein erstes Infrarot(IR)-Strahlenbün del durch ein für das mittlere Infrarot durchlässiges Fen ster aus dem FTIR-Spektrometer ausgelenkt und auf einen Oberflächenbereich des zu untersuchenden Kunststoffteils fo kussiert wird, wobei von der Oberfläche reflektiertes IR- Licht in Form eines zweiten IR-Strahlenbündels durch dassel be oder ein zweites Fenster auf einen Detektor für mittleres Infrarot innerhalb des FTIR-Spektrometers fokussiert wird. Damit kann das Verfahren auch bei sehr schnellem Probenwech sel, beispielsweise bei einem Fließband angewendet werden, wobei für Routinemessungen die externe Anordnung der zu un tersuchenden Proben außerhalb des Spektrometers beinahe zwingend erscheint.

Bei einer weiteren vorteilhaften Variante wird eine in dem Oberflächenbereich des zu untersuchenden Kunststoffteils et wa vorhandene Oberflächenbeschichtung vor der Messung ent fernt, da eine solche Beschichtung, beispielsweise Lackie rung oder dergleichen, optisch undurchlässig sein könnte und IR-Licht absorbieren und/oder ein Störspektrum liefern wür de.

Um die spiegelnde Reflexion definierter zu gestalten, ist bei einer Variante vorgesehen, daß vor der Messung im Ober flächenbereich des zu untersuchenden Kunststoffteils eine ebene Oberfläche erzeugt wird.

Bei einer weiteren vorteilhaften Variante ist vorgesehen, daß das zu untersuchende Kunststoffteil so orientiert wird, daß das vom Oberflächenbereich spiegelnd reflektierte IR- Licht entlang des zweiten IR-Strahlenbündels auf den Detek tor gelangt. Auch mit dieser Maßnahme kann die IR-Messung in spiegelnder Reflexion definierter gestaltet werden.

Eine besonders bevorzugte Variante des erfindungsgemäßen Verfahrens ist dadurch gekennzeichnet, daß IR-Licht, ausge hend von einer IR-Lichtquelle, vorzugsweise einer Glühwendel oder einem sogenannten "Glow-Bar", zunächst im FTIR-Spektro meter ein Interferometer durchläuft und dann als erstes Lichtbündel durch das erste Fenster auf den Oberflächenbe reich des zu untersuchenden Kunststoffteils fokussiert wird. Der Einsatz einer MIR-Quelle hat den Vorteil, daß der zur Messung verwendete Lichtstrahl eine wesentlich geringere In tensität aufweisen muß, als dies bei "weißem" Licht der Fall wäre. Derartiges weißes Licht müßte zunächst auf die Probe und dann in das Interferometer gestrahlt werden, was bei spielsweise ein Aufheizen der Probe zur Folge haben könnte.

In den Rahmen der Erfindung fällt auch ein FTIR-Spektrometer zur Durchführung des oben beschriebenen Verfahrens, bei dem ein erstes und ein zweites MIR-durchlässiges Fenster vorge sehen ist und die Achsen der ersten bzw. zweiten IR-Strah lenbündel auf der Oberfläche des ersten bzw. des zweiten Fensters jeweils senkrecht stehen. Im Gegensatz zu bekannten IR-Spektrometern weist die erfindungsgemäße Vorrichtung zwei MIR-durchlässige Fenster auf, mit denen gegenüber der Lösung mit nur einem Fenster Reflexionen, die unter Umständen mehr zu einem Signaluntergrund beitragen können als das schwache Reflexionssignal des vermessenen Kunststoffteiles, einge schränkt werden. Bei der einfachen Ein-Fenster-Lösung müssen die Strahlachsen nämlich notwendigerweise schräg auf das Fenster treffen, was zu höheren Reflexionsverlusten führt.

Besonders bevorzugt ist eine Ausführungsform des erfindungs gemäßen FTIR-Spektrometers, bei dem der Winkel zwischen den Achsen der beiden Strahlenbündel zwischen 5° und 30°, vor zugsweise zwischen 10° und 20° liegt. Damit wird trotz der endlichen radialen Ausdehnung der verwendeten Strahlenbündel ein möglichst senkrechter Einfall des Meß-Lichts auf die zu untersuchende Probenoberfläche und eine entsprechend nahezu senkrechte Reflexion von der Oberfläche gewährleistet.

Bevorzugt ist auch eine Ausführungsform, bei der die Fenster aus einem der Materialien KBr, KCl, ZnSe, KRS5, CaF₂, MgF₂ bestehen. Derartige MIR-durchlässige Fenster sind leicht im Handel erhältlich.

Ebenso ist eine Ausführungsform des erfindungsgemäßen FTIR- Spektrometers vorteilhaft, bei der der Detektor ein DTGS- Detektor (deuteriertes Triglyzinsulfat) ist. Solche MIR- Detektoren sind handelsüblich.

Besonders bevorzugt ist eine Ausführungsform des erfindungs gemäßen FTIR-Spektrometers, bei der als Videoeinrichtung ein Endoskop mit daran angeschlossener Videokamera vorgesehen ist.

Das Endoskop kann zwischen den beiden Fenstern bzw. den Ein falls- und Ausfallspiegeln des Spektrometers positioniert sein und ist vorzugsweise senkrecht auf das zu untersuchende Kunststoffteil orientiert. Die Videokamera ist dann an dem von den Fenstern abgewandten Ende des Endoskops angeschlos sen und erlaubt es, die Meßprobe zu beobachten und die auf der Meßprobe bearbeitete Meßstelle zu lokalisieren, was es dem Operator ermöglicht, diese Stelle möglichst korrekt in die Meßposition zu bringen.

Besonders kompakt ist eine Ausführungsform, bei der das zu untersuchende Kunststoffteil zum Positionieren über das Endoskop beleuchtet werden kann. Alternativ dazu kann bei einer anderen Ausführungsform zwischen den Fenstern des Spektrometers eine Beleuchtungseinrichtung zur Beleuchtung der Meßprobe vorgesehen sein.

Vorteilhaft ist schließlich eine Ausführungsform, bei der weitere Visualisierungseinrichtungen vorgesehen sind, mit denen das zu untersuchende Kunststoffteil aus der Richtung der Meßposition beobachtet werden kann. Damit eine schnellere und genauere Positionierung der Meßprobe möglich.

Weitere Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der Be schreibung und der beigefügten Zeichnung. Ebenso können die vorstehend genannten und die noch weiter ausgeführten Merk male erfindungsgemäß jeweils einzeln für sich oder zu mehre ren in beliebigen Kombinationen Verwendung finden. Die er wähnte Ausführungsform ist nicht als abschließende Aufzäh lung zu verstehen, sondern hat vielmehr beispielhaften Cha rakter.

Die Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und wird an hand eines konkreten Ausführungsbeispieles näher beschrieben und erläutert. Es zeigen:

Fig. 1a eine Draufsicht auf einen Infrarotspektrometerauf bau zur Durchführung des erfindungsgemäßen Ver fahrens;

Fig. 1b eine Seitenansicht des Spektrometeraufbaus von Fig. 1a;

Fig. 2a ein ABS-Kunststoffspektrum; und

Fig. 2b die erste Ableitung des Spektrums von Fig. 2a nach der Wellenzahl.

Das in Fig. 1 gezeigte Fourier-Transformations-Infrarot (FTIR)-Spektrometer weist folgenden Strahlengang auf:
Infrarotlicht aus einer IR-Lichtquelle 10, vorzugsweise ei ner Glühwendel oder einem sogenannten "Glow-Bar", fällt auf einen Hohlspiegel 11 und wird von dort über einen Planspie gel 12 in ein Interferometer 13 gelenkt. Nach Durchlaufen des Interferometers 13 wird das IR-Strahlenbündel über zwei Planspiegel 14, 15 höhenversetzt, über einen weiteren Plan spiegel 16 seitlich abgelenkt und mit Hilfe eines Hohlspie gels 17 durch ein erstes MIR-durchlässiges Fenster 18 auf den Brennfleck 19 auf einer ebenen Oberfläche 30 einer Meß probe fokussiert. Das reflektierte MIR-Licht tritt durch ein zweites MIR-durchlässiges Fenster 20 wieder in das Spektro meter ein und wird über einen weiteren Hohlspiegel 21 auf einen Planspiegel 22 geworfen, von dort auf einen Hohlspie gel 23 umgelenkt, von wo es schließlich in einen MIR-Detek tor 24 fokussiert und nachgewiesen wird.

Der Winkel zwischen den Achsen des ersten, durch das erste Fenster 18 austretenden IR-Strahlenbündels und dem zweiten, durch das zweite Fenster 20 wieder in das Spektrometer ein tretenden Strahlenbündels beträgt zwischen 5° und 30°, vorzugsweise zwischen 10° und 20°. Dadurch werden einerseits störende Reflexionen an den Flächen des Ein- und Austritt fensters vermieden, die unter Umständen das aufgenommene Spektrum erheblich stören könnten, andererseits ist sowohl das einfallende als auch das ausfallende Strahlenbündel im wesentlichen senkrecht zur Oberfläche 30 der Meßprobe ge richtet. Zusätzlich wird das zu untersuchende Kunststoffteil so orientiert, daß das von einem Oberflächenbereich 30 spie gelnd reflektierte IR-Licht entlang des zweiten IR-Strahlen bündels durch das zweite Fenster 20 auf den Detektor 24 ge langt. Notfalls wird vor der Messung in dem Oberflächenbe reich des zu untersuchenden Kunststoffteils eine ebene Ober fläche 30 erzeugt. Eine eventuell vorhandene Oberflächenbe schichtung des Kunststoffteils wird vor der Messung ent fernt.

Es muß sichergestellt sein, daß die bearbeitete Stelle der Probe an die Meßposition gebracht wird. Hierzu wird die zu analysierende Probe von der Rückseite über eine Videoein richtung beobachtet, so daß der Operator die Probe korrekt positionieren kann.

Die Beobachtungsvorrichtung besteht vorzugsweise aus einem Endoskop 26 mit angeschlossener Videokamera 25. Das Endoskop 26 kann zwischen den beiden Spiegeln 17, 21 bzw. Fenstern 18, 20 angebracht werden und ist vorzugsweise senkrecht auf die zu positionierende Probe orientiert. An das rückwärtige Ende des Endoskops 26 ist eine Videokamera 25 angeschlosse ne, die es erlaubt, die Probe zu beobachten und die auf der Probe bearbeitete Meßstelle zu lokalisieren und es dem Operator ermöglicht, diese Stelle in die Meßposition zu bringen.

Zur Beleuchtung der Probe kann eine während des Positionie rens der Probe angeschaltete, zwischen den Fenstern 18, 20 befestigte Beleuchtungseinheit eingesetzt werden. Alternativ kann die Probe über das Endoskop 26 beleuchtet werden.

Denkbar sind auch weitere Visualisierungseinrichtungen, die es erlauben, die Probe aus der Richtung der Meßposition zu beobachten und es somit dem Operator ermöglichen, die Probe korrekt zu positionieren.

Die Fenster 18, 20 können beispielsweise aus einem der Mate rialien KBr, KCl, ZnSe, KRS5, CaF₂, MgF₂ bestehen. Der MIR- Detektor 24 ist vorzugsweise ein DTGS (deuteriertes Tri glyzinsulfat)-Detektor.

Mit dem oben beschriebenen FTIR-Spektrometer kann nun erfin dungsgemäß ein hochgradig automatisierbares Verfahren zur routinemäßigen Identifikation des Materials von Kunststoff teilen durchgeführt werden, bei dem von den ebenen Oberflä chen 30 des zu untersuchenden Kunststoffteils ein Infrarot- Reflexionsspektrum im Bereich des mittleren Infrarots (MIR) in einem Wellenzahlenbereich zwischen 400 und 4000 cm^-1 auf genommen wird. Dieses Spektrum wird mit einem Satz von Refe renzspektren verglichen, die vorher von bekannten Kunst stoffmaterialien aufgenommen wurden. Damit kann dann das Ma terial des untersuchten Kunststoffteils ohne weiteres einer Klasse von durch eines der Referenzspektren repräsentierten Kunststoffmaterialien zugeordnet werden, wobei auch mit Koh lenstoff aufgefüllte Kunststoffe auf diese Weise leicht un tersucht werden können. Der verwendete Wellenzahlenbereich im MIR kann insbesondere auch weniger als 1000 Wellenzahlen umfassen, so daß die erzeugten Spektren einen relativ ge ringen Speicherplatz in Anspruch nehmen und einen ebenfalls geringen Meßzeitaufwand erfordern. Außerdem können in einem eingeschränkten Bereich spezielle Materialien für die opti schen Elemente (Detektor, Filter, Fenster usw.) verwendet werden.

Vorzugsweise wird bei dem Vergleich des aufgenommenen Spek trums mit den Referenzspektren eine Ableitung des Spektrums, in der Regel die erste Ableitung nach der Wellenzahl ge bildet und mit entsprechenden Ableitungen der Referenz-IR- Spektren verglichen. Dadurch wird erreicht, daß bei dem ge messenen Spektrum der gespiegelten Infrarot-Strahlung die normalerweise auftretenden Basislinienprobleme verschwinden oder so verändert werden, daß sich Spektrenverzerrungen in der Auswertung zum Zwecke der Identifikation des gemessenen Kunststoffs weniger bemerkbar machen.

Natürlich geht damit auch ein Teil der Gesamtinformation des gemessenen Spektrums verloren, was jedoch ohne weiteres in Kauf genommen werden kann. Während das Originalspektrum eher wie ein Dispersionsspektrum bzw. wie die erste Ableitung ei nes Absorptionsspektrums aussieht, ähnelt die erste Ablei tung nach der Wellenzahl in der Regel stark einem gewöhn lichen Absorptionsspektrum. Dieses kann, wie oben erwähnt, mit Hilfe an sich bekannter Algorithmen mit im Spektrometer abgespeicherten Referenzspektren, die auf ähnliche Art ge wonnen wurden, verglichen werden. Die erste Ableitung wird erfolgreich eingesetzt, weil sie die langwelligen Basis linienstörungen, die im wesentlichen durch die Morphologie der Probe hervorgerufen werden, eliminiert und die verblei bende "Fein"-Information immer noch charakteristisch für das zu identifizierende Probenmaterial ist. In Sonderfällen kann es aber auch vorteilhaft sein, zur zweiten Ableitung des Spektrums überzugehen.

Zur Veranschaulichung ist in Fig. 2a ein Originalspektrum eines ABS (Acrylbutadienstyrol)-Kunststoffes in willkürlichen Einheiten über der Wellenzahl aufgetragen. Fig. 2b stellt die erste Ableitung des in Fig. 2a gezeigten Originalspek trums dar. Wie man sieht, sind in der ersten Ableitung für das Probenmaterial charakteristische Strukturen teilweise wesentlich besser erkennbar hervorgehoben. Die gezeigten Beispiele legen auch nahe, daß es denkbar ist, zur Identifi kation nicht den gesamten MIR-Bereich zu vermessen und aus zuwerten, sondern lediglich einen Teilbereich von beispiels weise einigen 100 Wellenzahlen.

Das erfindungsgemäße Routineverfahren zur Materialidentifi kation von Kunststoffteilen kann im wesentlichen folgender maßen ablaufen:

a) Auswahl des zu untersuchenden Kunststoffteils
b) Auswahl des zu untersuchenden Oberflächenbereichs
c) gegebenenfalls Entfernen einer Beschichtung bzw. einer Lackschicht
d) gegebenenfalls Erzeugen einer ebenen Oberfläche, unter Umständen in Verbindung mit Verfahrensschritt c)
e) Plazieren dieser Oberfläche in die Meßposition (Brennfleck 19) eines durch das erste Fenster 18 aus dem FTIR-Spektrometer austretenden MIR-Strahlenbündels
f) Orientierung der Oberfläche 30 so, daß das reflektierte Strahlenbündel durch das zweite Fenster 20 wieder in das Spektrometer und dort auf den MIR-Detektor 24 gelangt
g) Messen des MIR-Spektrums mit Hilfe des FTIR-Spektrometers
h) Bilden der ersten Ableitung des gemessenen Spektrums nach der Wellenzahl
i) Vergleich des Ableitungsspektrums mit den entsprechenden Ableitungen mehrerer gespeicherter Referenzspektren
j) Zuordnung des Materials des vermessenen Kunststoffteils zu einem Referenzspektrum und damit zu einer bestimmten Materialklasse.

Im Rahmen einer Meßserie über viele zu identifizierende Kunststoffteile kann zunächst jeweils in einer ersten Messung ein IR-Reflexionsspektrum aus dem nahen Infrarotbe reich (NIR) aufgenommen und mit den entsprechenden Referenz spektren verglichen werden. Nur bei denjenigen Kunststoff teilen, bei denen diese erste Messung zu keiner eindeutigen Identifikation führt, muß dann eine zweite Messung im mitt leren Infrarotbereich (MIR) nachgeschoben werden. Damit kann standardmäßig die schnelle und damit billigere NIR-Messung in der Mehrzahl der Fälle als einzige Messung ausgeführt werden, und damit mehr oder weniger vollautomatisch an einem Fließband die entsprechenden Teile sortiert werden. Materia lien, bei denen mit der ersten Messung eine Zuordnung nicht gelingt, können aussortiert und einer langsameren und damit etwas teureren MIR-Messung zugeführt werden. Diese kann dann möglicherweise auch einen geringeren Automationsgrad auf weisen, da wesentlich weniger zu untersuchende Teile anfal len.

Um den apparativen Aufwand klein zu halten, können die bei den Messungen im NIR- und im MIR-Bereich mit demselben FTIR- Spektrometer simultan oder zeitlich nacheinander durchge führt werden. Alternativ dazu können die beiden Messungen mit zwei separaten Spektrometern durchgeführt werden, was das Gesamtverfahren entsprechend beschleunigt.

Claims

1. Verfahren zur routinemäßigen Identifikation des Materi als von Kunststoffteilen mit Hilfe der Infrarotspektro skopie, bei dem von der Oberfläche eines zu untersuchen den Kunststoffteils ein Infrarot-Reflexionsspektrum auf genommen und mit einem Satz von Referenzspektren ver glichen wird, wodurch das Material des untersuchten Kunststoffteils einer Klasse von durch eines der Re ferenzspektren repräsentierten Kunststoffmaterialien zu geordnet wird, dadurch gekennzeichnet, daß das zu untersuchende Kunststoffteil mit Hilfe einer Videoeinrichtung positioniert wird, und daß das Infra rot-Reflexionsspektrum im Bereich des mittleren Infra rots (MIR) in einem Wellenzahlenbereich zwischen 400 und 4000 cm^-1 aufgenommen wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Spektrum mindestens den MIR-Bereich von 600 bis 3600 cm^-1 umfaßt.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Spektrum nur einen Teilbereich des MIR von weniger als 1000 cm^-1 umfaßt.

4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, da durch gekennzeichnet, daß vor dem Vergleich mit den Re ferenzspektren eine, vorzugsweise die erste Ableitung des aufgenommenen IR-Spektrums nach der Wellenzahl ge bildet wird, und daß auch als Referenzspektren ent sprechende Ableitungen der IR-Spektren von Referenz substanzen verwendet werden.

5. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, da durch gekennzeichnet, daß im Rahmen einer Meßserie vie ler Kunststoffteile zunächst jeweils in einer ersten Messung ein IR-Reflexionsspektrum aus dem nahen Infra rot (NIR)-Bereich aufgenommen und mit Referenzspektren verglichen wird, und daß nur bei Kunststoffteilen, bei denen diese erste Messung zu keiner eindeutigen Identi fikation führt, eine zweite Messung im mittleren Infra rot (MIR)-Bereich nachgeschoben wird.

6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Messungen im NIR- und im MIR-Bereich mit dem selben IR-Spektrometer simultan oder zeitlich nachein ander durchgeführt werden.

7. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Messungen im NIR- und im MIR-Bereich mit zwei separaten IR-Spektrometern durchgeführt werden.

8. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, da durch gekennzeichnet, daß das MIR-Spektrum mit Hilfe eines Fourier-Transformations-Infrarot(FTIR)-Spektro meters aufgenommen wird.

9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß während der Messung ein erstes Infrarot(IR)-Strahlen bündel durch ein für das mittlere Infrarot durchlässiges Fenster (18) aus dem FTIR-Spektrometer ausgelenkt und auf einen Oberflächenbereich (19) des zu untersuchenden Kunststoffteils fokussiert wird, und daß von der Ober fläche reflektiertes IR-Licht in Form eines zweiten IR- Strahlenbündels durch dasselbe oder ein zweites Fenster (20) auf einen Detektor (24) für mittleres Infrarot in nerhalb des FTIR-Spektrometers fokussiert wird.

10. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß eine in dem Oberflächenbereich des zu untersuchenden Kunststoffteils vorhandene Oberflächenbeschichtung ent fernt wird.

11. Verfahren nach einem der Ansprüche 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, daß vor der Messung im Oberflächenbe reich des zu untersuchenden Kunststoffteils eine ebene Oberfläche (30) erzeugt wird.

12. Verfahren nach einem der Ansprüche 9 bis 11, dadurch ge kennzeichnet, daß das zu untersuchende Kunststoffteil so orientiert wird, daß das vom Oberflächenbereich spiegelnd reflektierte IR-Licht entlang des zweiten IR- Strahlenbündels auf den Detektor (24) gelangt.

13. Verfahren nach einem der Ansprüche 9 bis 12, dadurch ge kennzeichnet, daß IR-Licht, ausgehend von einer IR- Lichtquelle (10), vorzugsweise einer Glühwendel oder ei nem sogenannten "Glow-Bar", zunächst im FTIR-Spektro meter ein Interferometer (13) durchläuft und dann als erstes Lichtbündel durch das erste Fenster (18) auf den Oberflächenbereich (19) des zu untersuchenden Kunst stoffteils fokussiert wird.

14. FTIR-Spektrometer zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 9 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß ein erstes und ein zweites MIR-durchlässiges Fenster (18 bzw. 20) vorgesehen ist, und daß die Achsen der ersten bzw. zweiten IR-Strahlenbündel auf den Ober flächen des ersten bzw. zweiten Fensters (18 bzw. 20) jeweils senkrecht stehen.

15. FTIR-Spektrometer nach Anspruch 14, dadurch gekennzeich net, daß der Winkel zwischen den Achsen der beiden Strahlenbündel zwischen 5° und 30°, vorzugsweise zwi schen 10° und 20° liegt.

16. FTIR-Spektrometer nach einem der Ansprüche 14 oder 15, dadurch gekennzeichnet, daß die Fenster (18, 20) aus ei nem der Materialien KBr, KCl, ZnSe, KRS5, CaF₂, MgF₂ be stehen.

17. FTIR-Spektrometer nach einem der Ansprüche 14 bis 16, dadurch gekennzeichnet, daß der Detektor (24) ein DTGS- Detektor (deuteriertes Triglyzinsulfat) ist.

18. FTIR-Spektrometer nach einem der Ansprüche 14 bis 17, dadurch gekennzeichnet, daß als Videoeinrichtung ein Endoskop (26) mit daran angeschlossener Videokamera (25) vorgesehen ist.

19. FTIR-Spektrometer nach Anspruch 18, dadurch gekennzeich net, daß das Endoskop zwischen den beiden Fenstern (18, 20) positioniert und vorzugsweise senkrecht auf das zu untersuchende Kunststoffteil orientiert ist.

20. FTIR-Spektrometer nach einem der Ansprüche 18 oder 19, dadurch gekennzeichnet, daß das zu untersuchende Kunst stoffteil zum Positionieren über das Endoskop (26) be leuchtet werden kann.

21. FTIR-Spektrometer nach einem der Ansprüche 18 oder 19, dadurch gekennzeichnet, daß das zu untersuchende Kunst stoffteil zum Positionieren über eine zwischen den Fenstern (18, 20) vorgesehene Beleuchtungseinrichtung beleuchtet werden kann.

22. FTIR-Spektrometer nach einem der Ansprüche 18 bis 21, dadurch gekennzeichnet, daß weitere Visualisierungsein richtungen vorgesehen sind, mit denen das zu unter suchende Kunststoffteil aus der Richtung der Meßposition beobachtet werden kann.