WO2002028954A1 - Substance containing plastic, glass, textiles or paper, provided with a nir tag and a method for identifying said substance - Google Patents

Substance containing plastic, glass, textiles or paper, provided with a nir tag and a method for identifying said substance Download PDF

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WO2002028954A1
WO2002028954A1 PCT/EP2001/010274 EP0110274W WO0228954A1 WO 2002028954 A1 WO2002028954 A1 WO 2002028954A1 EP 0110274 W EP0110274 W EP 0110274W WO 0228954 A1 WO0228954 A1 WO 0228954A1
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nir
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nir marker
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absorption
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PCT/EP2001/010274
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Hans-Jürgen BACH
Wolfgang Holley
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Fraunhofer-Gesellschaft zur Förderung der angewandten Forschung e.V.
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    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B07SEPARATING SOLIDS FROM SOLIDS; SORTING
    • B07CPOSTAL SORTING; SORTING INDIVIDUAL ARTICLES, OR BULK MATERIAL FIT TO BE SORTED PIECE-MEAL, e.g. BY PICKING
    • B07C5/00Sorting according to a characteristic or feature of the articles or material being sorted, e.g. by control effected by devices which detect or measure such characteristic or feature; Sorting by manually actuated devices, e.g. switches
    • B07C5/34Sorting according to other particular properties
    • B07C5/342Sorting according to other particular properties according to optical properties, e.g. colour
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C08ORGANIC MACROMOLECULAR COMPOUNDS; THEIR PREPARATION OR CHEMICAL WORKING-UP; COMPOSITIONS BASED THEREON
    • C08KUse of inorganic or non-macromolecular organic substances as compounding ingredients
    • C08K3/00Use of inorganic substances as compounding ingredients
    • C08K3/01Use of inorganic substances as compounding ingredients characterized by their specific function

Definitions

  • Plastic, glass, textile or paper-containing material provided with an NIR marker and method for identifying this material
  • the invention is based on a method for identifying materials with NIR spectrometry on the basis of the characteristic absorption behavior of marker substances which are added to the materials during the processing process.
  • the characteristic is based on at least one dominant band in the NIR absorption spectrum.
  • Spectro etrical methods are increasingly used in process analytics as detection techniques in material flow systems and in process engineering. They often provide material parameters that serve as a signal for recognizing the presence or absence of certain materials or objects in the process or as separation criteria in sorting and separating processes.
  • Spectral (separation) criteria In addition to conventional criteria (e.g. mass density, particle size, (electro-) magnetic properties), they are established and enable, for example, the automated separation of mixtures of substances that cannot be separated using conventional criteria or detection methods (e.g. processing in mining: detection and separation of the target mineral by dyeing - or absorption band detection on the rock particles).
  • NIR spectrometers Under process technology conditions, NIR spectrometers have proven to be very reliable, robust detection systems for generating process measurement, control, regulation and monitoring signals (see Converter 33 (5), (1996), 7-8). Corresponding process spectrometers and the sorting units based on them have been state of the art in plastic sorting for a few years, e.g. for the purpose of waste treatment.
  • Spectro etrical detection methods always find their limits where substances with a similar spectral "fingerprint" are to be distinguished quickly and with little error.
  • the possibility of using labeling substances with dominant NIR spectral properties is known in one case from the patent literature.
  • US 5,397,819 and US 5,461,136 describe the use of organic NIR fluorophores for marking plastics.
  • the use of these NIR-active markers is limited to covalently integrating the NIR fluorophore into the polymer backbone or to distribute (i.e., dissolve) it in a molecularly dispersed manner in the polymer.
  • the detection of the marker is limited to NIR fluorescence spectrometry.
  • Plastics are often components of more complex ones Mixed waste / even pure plastic waste generally consists of several types of plastic (PE, PP, PS, PVC, etc.) and almost always of different types of plastic. Plastic grades are differently borrowed additives that are made of the same polymer. Common organic-based plastic additives (such as plasticizers, lubricants, antioxidants, UV absorbers, dyes, etc.) in the amounts usually used show only low NIR spectral signals. They are generally also lacking other properties that can be determined process-analytically with reasonable effort. To make matters worse, the abundance of plastic additives available on the market and the requirement profiles for plastics mean that there is an almost unmanageable combination of additives in different proportions in the different types of plastic.
  • the marking according to the invention is particularly advantageous when materials or objects are to be recognized or differentiated which do not have a characteristic or sufficiently distinguishable absorption or reflection spectrum in the NIR range.
  • a further advantage is that materials or objects marked according to the invention can also be recognized by their NIR spectrum if this spectrum is overlaid by substances that are adhering or mixed with the materials or objects.
  • more than one type of material or type of objects marked according to the invention can be recognized in parallel and also differentiated from one another. If more than one marker is used according to the invention on the same material or the same object, more complex information can also be stored in the material or on the object and recognized by means of NIR in the process, e.g. the date of manufacture, the intended application or the recipient of the material or object, its material composition, etc.
  • the detection of the marker is also possible if the base material has absorptions in the area of the marker, since the markers to be used according to the invention have much more intense signals (ie a larger absorption coefficient) than all additives / additives normally used in plastics processing.
  • the dominant band can be clearly recognized spectrally even in the case of an overlay with the NIR absorption spectra of the material and the substances associated with the material.
  • the NIR marker comprises at least one dominant-NIR absorption band having a half width of each less than 400 cm -1, more preferably less than 150 cm "1, comprising.
  • Examples of minerals with a NIR spectrum suitable for the use according to the invention are talc, kaolin and basic magnesium carbonate. Additional selection criteria for a marker substance are the heat resistance / physicochemical stability including structural stability of the marker with regard to the processing conditions when doping a material or when applying the marker to an object, as well as physical properties of the powders that can be produced from such minerals (agglomeration behavior, dispersing agent - hold in carriers, compatibility with materials, etc.).
  • the marking according to the invention can be used as a dopant on various materials, preferably on all types of synthetic thermoplastics, thermosets, elastomers and composite materials and articles made therefrom, by including the NIR marker in the matrix formed from the material.
  • this is not a covalent attachment of the marker to the polymer.
  • biopolymers such as starch, proteins, cellulose and their chemical modifications, polylactic acid, polycaprolactone and other biodegradable polymers of native or synthetic origin.
  • the NIR marker is preferably applied to the material in the form of a coating, the coating e.g. can be applied in the form of a varnish, an adhesive or other adhesion promoter.
  • the marker substance according to the invention can also be part of one or more layers in a composite structure (e.g. composite foil, object made from composite foil) or it can be introduced between the layers of a composite.
  • a composite structure e.g. composite foil, object made from composite foil
  • the marking according to the invention is applicable to all objects on the surface of which the marker according to the invention can be applied by means of a suitable carrier.
  • the method according to the invention is based on using dominant NIR spectral properties of certain NIR-active substances in order to use it to mark materials made of plastic, glass or paper-containing materials or composite materials therefrom
  • NIR spectrometric methods to recognize tral The purpose of the recognition is to distinguish materials or objects marked according to the invention from materials or objects not marked or otherwise marked or to be able to automatically detect the presence or absence of the material or object marked according to the invention in process engineering processes or in material flow systems.
  • the procedure according to the invention is such that a substance is added to the material during the processing process which has at least one dominant band in the NIR absorption spectrum, which also overlaps with the NIR absorption spectra of the material and that associated with the material
  • Substances is spectrally recognizable, or after the processing is completed, this substance is attached to the material.
  • This material can then e.g. in separation or sorting processes based on the characteristic absorption behavior of the NIR marker can later be identified with NIR spectrometry.
  • the detection by an “NIR eye” serves in particular to generate an (electrical or other) signal which indicates the presence or absence of a specific material or a specific type of objects in a process or at a specific point in the process.
  • Such signals can be used, for example, for the solution of monitoring, control and regulating tasks in the context of process control technology.
  • signals provide control and regulating criteria for sorting and separating processes in process engineering. This is a clear advantage over the current state of the technique.
  • the surface treatment of the material in the form of a coating containing the marker or consisting of the marker which e.g. is applied by means of PVD or CVD processes, it also being possible to coat on a carrier material which is subsequently connected to the material,
  • a coated or uncoated flat carrier e.g. a label that is applied to the material or object to be marked.
  • the spectrometric principle to be used in accordance with the invention to detect this property is based on the recording and evaluation of the specific absorption and / or the reflection of non-absorbed radiation in the wavelength range of the near infrared. Detection is usually carried out in reflection mode. NIR process spectrometers required for this are state of the art.
  • a material doped by manufacturer A according to the invention can be distinguished according to its origin compared to the same materials that come from other manufacturers.
  • a material compound that differs chemically only structurally or in terms of minor components in its additives from other compounds of the same material can be identified with the aid of the marking according to the invention and separated by sorting from mixtures according to this. This is the most important prerequisite for the production of high-quality recyclate from the corresponding material waste.
  • the bottler A uses a marker according to the invention for the plastic beverage bottles he uses (for example as a component of the printing ink for barcode printing, with which each bottle is provided in the course of the filling process) in order to “his” bottles in the course of the retribution be able to identify and sort them in returnable packaging or for bottler-specific recycling measures in the one-way packaging area.
  • the marking according to the invention could be used in the future when sorting out certain qualities of the packaging plastic polyethylene terephthalate (PET) from post-consumer packaging waste:
  • PET packaging plastic polyethylene terephthalate
  • a "high quality" recycling pool could be formed, the bottlers subject to disposal under certain conditions (bottle material Criteria) (keyword: "marking license”).
  • PET is predicted to have a large market potential for plastic beverage bottles - however, consumer acceptance of the material will be high Dimensions depend on a recognized high quality recycling of PET.
  • FIG. 1 This is the NIR spectrum of a PET bottle marked with talc-containing acrylic lacquer
  • talc (a), basic magnesium carbonate (b) and kaolin (c)

Abstract

The invention relates to a method for identifying substances containing plastic, glass, textiles or paper using NIR spectrometry, by means of the characteristic absorption property of tagging substances, which are applied to the substances during their treatment process. The property is based on at least one dominant band in the NIR absorption spectrum, which can be spectrally identified even when superimposed with the NIR absorption spectrum of the substance and the materials associated with said substance.

Description

Mit einem NIR-Marker versehener kunststoff-, glas-, textil- oder papierhaltiger Werkstoff und Verfahren zur Identifizierung dieses Werkstoffs Plastic, glass, textile or paper-containing material provided with an NIR marker and method for identifying this material
Die Erfindung beruht auf einem Verfahren zur Identifizierung von Werkstoffen mit der NIR-Spektrometrie anhand des charakteristischen Absorptionsverhaltens von Markersubstanzen, die den Werkstoffen beim Verarbeitungsprozess zugesetzt werden. Die Charakteristik beruht dabei auf mindestens einer dominanten Bande im NIR-AbsorptionsSpektrum.The invention is based on a method for identifying materials with NIR spectrometry on the basis of the characteristic absorption behavior of marker substances which are added to the materials during the processing process. The characteristic is based on at least one dominant band in the NIR absorption spectrum.
Spektro etrische Verfahren werden in der Prozessanalytik mit zunehmender Tendenz als Erkennungstechniken in Materialflussystemen und in der Verfahrenstechnik eingesetzt. Häufig liefern sie stoffliche Kenngrößen, die als Signal für das Erkennen der An- oder Abwesenheit bestimmter Materialien oder Gegenstände im Pro- zess oder als Trennkriterien in Sortier- und Sepa- rierprozessen dienen. Spektrale (Trenn-) Kriterien etablieren sich neben konventionellen Kriterien (z.B. Massendichte, Partikelgröße, (elektro-) magnetische Eigenschaften) und ermöglichen z.B. das automatisierte Trennen von Stoffgemischen, die mit herkömmlichen Kriterien oder Erkennungsmethoden nicht getrennt werden können (z.B. Aufbereitung im Bergbau: Erkennung und Abtrennung des Zielminerals durch Färb- oder Absorptionsbandenerkennung an den Gesteinspartikeln) .Spectro etrical methods are increasingly used in process analytics as detection techniques in material flow systems and in process engineering. They often provide material parameters that serve as a signal for recognizing the presence or absence of certain materials or objects in the process or as separation criteria in sorting and separating processes. Spectral (separation) criteria In addition to conventional criteria (e.g. mass density, particle size, (electro-) magnetic properties), they are established and enable, for example, the automated separation of mixtures of substances that cannot be separated using conventional criteria or detection methods (e.g. processing in mining: detection and separation of the target mineral by dyeing - or absorption band detection on the rock particles).
NIR-Spektrometer haben sich unter prozesstechnischen Bedingungen als sehr zuverlässige, robuste Erkennungssysteme zur Erzeugung prozesstechnischer Meß-, Steuer- Regel- und Überwachungssignale erwiesen (s. Converter 33 (5) , (1996) , 7-8) . Entsprechende Prozess- spektrometer und darauf aufbauende Sortiereinheiten sind seit wenigen Jahren Stand der Technik bei der KunststoffSortierung, z.B. zum Zwecke der Abfallaufbereitung.Under process technology conditions, NIR spectrometers have proven to be very reliable, robust detection systems for generating process measurement, control, regulation and monitoring signals (see Converter 33 (5), (1996), 7-8). Corresponding process spectrometers and the sorting units based on them have been state of the art in plastic sorting for a few years, e.g. for the purpose of waste treatment.
Spektro etrische Erkennungsmethoden finden aber immer dort ihre Grenzen, wo Stoffe mit ähnlichem spektralem "Fingerabdruck" schnell und irrtumsarm unterschieden werden sollen. Die Möglichkeit der Verwendung von Markierungssubstanzen mit dominanten NIR-spektralen Eigenschaften ist aus der Patentliteratur in einem Fall bekannt. In der US 5,397,819 sowie in der US 5,461,136 wird die Verwendung von organischen NIR- Fluorophoren für das Markieren von Kunststoffen beschrieben. Die Anwendung dieser NIR-aktiven Marker ist allerdings darauf beschränkt, das NIR-Fluorophor kovalent in das Polymergerüst einzubinden oder im Polymer molekulardispers zu verteilen (d.h. zu lösen) . Außerdem ist die Erkennung des Markers auf die NIR- Fluoreszenzspektrometrie beschränkt .Spectro etrical detection methods always find their limits where substances with a similar spectral "fingerprint" are to be distinguished quickly and with little error. The possibility of using labeling substances with dominant NIR spectral properties is known in one case from the patent literature. US 5,397,819 and US 5,461,136 describe the use of organic NIR fluorophores for marking plastics. However, the use of these NIR-active markers is limited to covalently integrating the NIR fluorophore into the polymer backbone or to distribute (i.e., dissolve) it in a molecularly dispersed manner in the polymer. In addition, the detection of the marker is limited to NIR fluorescence spectrometry.
Kunststoffe sind häufig Bestandteile komplexer Mischabfälle/ selbst reine Kunststoffabfälle bestehen i.a. aus mehreren Kunststoffarten (PE, PP, PS, PVC usw.) und fast immer aus verschiedenen KunststoffSorten. Als Kunststoffsorten bezeichnet man unterschied- lieh additivierte, jedoch aus dem selben Polymer bestehende Kunststoffe. Gängige Kunststoffadditive auf organischer Basis (wie z.B. Weichmacher, Gleitmittel, Antioxidanzien, UV-Absorber, Farbstoffe, etc.) in den üblicherweise eingesetzten Mengen zeigen nur geringe NIR-spektrale Signale. Ihnen fehlen i.a. auch andere, prozessanalytisch mit vertretbarem Aufwand erfassbare Eigenschaften. Erschwerend kommt hinzu, dass es durch die Fülle der am Markt erhältlichen Kunststoffadditive und Anforderungsprofile an Kunststoffe eine nahezu unüberschaubare Kombination von Additiven in unterschiedlichen Anteilen in den verschiedenen KunststoffSorten gibt. Kunststoffe können sortenspezifisch daher nur mit erheblichem diagnostischem Aufwand, wenn überhaupt, sicher erkannt werden. Für das schnelle (Echtzeit-) Erkennen im Rahmen von verfahrenstechnischen oder Materialflussprozessen sind keine Lösungen bekannt. Insbesondere sind keine Markierungssubstanzen oder - ethoden bekannt, die die gewünschten Erkennungen für Kunststoffe in technisch anwendbarer Weise unterstützen. Dies gilt jedenfalls für den prozessanalytisch wichtigen Bereich der NIR- Detektion im Reflexions- bzw. Absorptionsmodus. Die heute angewandte NIR-Detektion führt allenfalls zur Erkennung von Kunststoffarten (mit einer Artenrein- heit von ca. 80 bis 90 % in der positiv sortiertenPlastics are often components of more complex ones Mixed waste / even pure plastic waste generally consists of several types of plastic (PE, PP, PS, PVC, etc.) and almost always of different types of plastic. Plastic grades are differently borrowed additives that are made of the same polymer. Common organic-based plastic additives (such as plasticizers, lubricants, antioxidants, UV absorbers, dyes, etc.) in the amounts usually used show only low NIR spectral signals. They are generally also lacking other properties that can be determined process-analytically with reasonable effort. To make matters worse, the abundance of plastic additives available on the market and the requirement profiles for plastics mean that there is an almost unmanageable combination of additives in different proportions in the different types of plastic. For this reason, plastics can only be detected with specific diagnostic effort, if at all, with considerable diagnostic effort. No solutions are known for quick (real-time) detection in the context of process engineering or material flow processes. In particular, no marking substances or methods are known which support the desired detections for plastics in a technically applicable manner. In any case, this applies to the process-analytically important area of NIR detection in reflection or absorption mode. The NIR detection used today only leads to the detection of plastic species (with a species purity of approx. 80 to 90% in the positive sort)
Fraktion) , keinesfalls aber zur Unterscheidung unterschiedlicher Kunststoffsorten.Fraction), but not to differentiate between different types of plastic.
Mit dem Stand der Technik der NIR-Spektrometrie ist es somit, von dem oben beschriebenen Sonderfall der in den beiden US-Patenten offenbarten Vorgehensweise ho p> o O π O ÜiThe state of the art of NIR spectrometry is therefore, of the special case described above, of the procedure disclosed in the two US patents ho p> o O π O Üi
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Φ H O -Q £ i- O- P & rt -3 Hi Φ φ Ω ? cn P" 0 tr P Cß cn -n P- N PJ ^ Φ P H φ P" CΛ ιQ . Φ Φ r, tr cn 1 Φ P- rt φ iQ Ω rt ω . P O *ü rt P- Cfl rt J P H P- £ Φ rt tr φ Φ Φ tr O et O t φ _> H Φ φ Φ H rt σ W Cfl co P 0 O o Φ iQ H ^ Hi tr Φ Hi t • 3 ςu: H tr <! P 0 1 P- 1 P- rt H Hi P. 0 Φ 1 H Φ N P- Hi φ ιQ P- Φ φ Ω Φ Φ P- 1 £ Hi Φ Φ 0 P- H -> 1 P"Φ HO -Q £ i- O- P & rt -3 Hi Φ φ Ω? cn P "0 tr P Cß cn - n P- NP J ^ Φ PH φ P" CΛ ιQ. Φ Φ r, tr cn 1 Φ P- rt φ iQ Ω rt ω. PO * ü rt P- Cfl rt JPH P- £ Φ rt tr φ Φ Φ tr O et O t φ _> H Φ φ Φ H rt σ W Cfl co P 0 O o Φ iQ H ^ Hi tr Φ Hi t • 3 ςu: H tr <! P 0 1 P- 1 P- rt H Hi P. 0 Φ 1 H Φ N P- Hi φ ιQ P- Φ φ Ω Φ Φ P- 1 £ Hi Φ Φ 0 P- H -> 1 P "
P 1 P H 0- 1 Φ H 0 1 1 1 P- P-1 1 CO 1 1 P 1 PH 0- 1 Φ H 0 1 1 1 P- P- 1 1 CO 1 1
Die erfindungsgemäße Markierung ist insbesondere dann vorteilhaft, wenn Materialien oder Gegenstände erkannt bzw. unterschieden werden sollen, die von Haus aus im NIR-Bereich kein charakteristisches oder aus- reichend unterscheidbares Absorptions- bzw. Reflexionsspektrum besitzen. Ein weiterer Vorteil besteht darin, dass erfindungsgemäß markierte Materialien oder Gegenstände an ihrem NIR-Spektrum auch dann erkannt werden können, wenn dieses Spektrum durch an- haftende oder mit den Materialien oder Gegenständen gemischte Stoffe überlagert wird.The marking according to the invention is particularly advantageous when materials or objects are to be recognized or differentiated which do not have a characteristic or sufficiently distinguishable absorption or reflection spectrum in the NIR range. A further advantage is that materials or objects marked according to the invention can also be recognized by their NIR spectrum if this spectrum is overlaid by substances that are adhering or mixed with the materials or objects.
Durch Verwendung mehrerer erfindungsgemäßer Marker kann mehr als eine erfindungsgemäß markierte Materi- aisorte oder Sorte von Gegenständen parallel erkannt und auch voneinander unterschieden werden. Wendet man mehr als einen Marker erfindungsgemäß auf ein und das selbe Material oder den selben Gegenstand an, können auch komplexere Informationen im Material oder auf dem Gegenstand gespeichert und mittels NIR prozesstechnisch erkannt werden, z.B. das Herstelldatum, die Zielanwendung oder der Empfänger des Materials oder des Gegenstands, seine stoffliche Zusammensetzung usw.By using several markers according to the invention, more than one type of material or type of objects marked according to the invention can be recognized in parallel and also differentiated from one another. If more than one marker is used according to the invention on the same material or the same object, more complex information can also be stored in the material or on the object and recognized by means of NIR in the process, e.g. the date of manufacture, the intended application or the recipient of the material or object, its material composition, etc.
Die Detektion des Markers ist auch dann möglich, wenn das Basismaterial Absorptionen im Bereich des Markers aufweist, da die erfindungsgemäß einzusetzenden Marker sehr viel intensivere Signale (d.h. einen größe- ren Absorptionskoeffizienten) aufweisen als alle üblicherweise in der Kunststoffverarbeitung eingesetzten Additive/Zuschlagsstoffe. Die dominante Bande ist dabei selbst im Falle einer Überlagerung mit den NIR- Absorptionsspektren des Werkstoffs und der mit dem Werkstoff verbundenen Stoffe spektral eindeutig erkennbar . Bevorzugt weist der NIR-Marker mindestens eine dominante NIR-Absorptionsbande mit einer Halbwertsbreite von jeweils weniger als 400 cm-1, besonders bevorzugt weniger als 150 cm"1, aufweist.The detection of the marker is also possible if the base material has absorptions in the area of the marker, since the markers to be used according to the invention have much more intense signals (ie a larger absorption coefficient) than all additives / additives normally used in plastics processing. The dominant band can be clearly recognized spectrally even in the case of an overlay with the NIR absorption spectra of the material and the substances associated with the material. Preferably, the NIR marker comprises at least one dominant-NIR absorption band having a half width of each less than 400 cm -1, more preferably less than 150 cm "1, comprising.
Marker mit den für die Ausführung der Erfindung notwendigen Eigenschaften haben wir bisher bei einigen mineralischen Stoffen gefunden. Bestimmte Mineralien besitzen sehr charakteristische NIR-spektrale Eigen- Schäften, die auch bei Überlagerung mit den NIR-We have so far found markers with the properties necessary for carrying out the invention in some mineral substances. Certain minerals have very characteristic NIR spectral properties, which can also be superimposed on the NIR
Spektren vieler anderer Stoffe dominieren. Ihr dominanter NIR-spektraler Fingerabdruck beruht auf Signalen, die von Wassermolekülen ausgehen, welche fest gebundener Bestandteil des Minerals sind und bei An- regung mit NIR-Licht nur in bevorzugten Raumrichtungen schwingen; dem entspricht, dass eine solche Substanz im NIR über einem schmalen Wellenzahlenbereich ein sehr hohes Absorptionssignal (= großer molarer Absorptionskoeffizient) aufweist.The spectra of many other substances dominate. Their dominant NIR spectral fingerprint is based on signals that originate from water molecules that are firmly bound components of the mineral and that only vibrate in preferred spatial directions when excited with NIR light; this corresponds to the fact that such a substance has a very high absorption signal (= large molar absorption coefficient) in the NIR over a narrow wave number range.
Beispiele für Mineralien mit einem für die erfindungsgemäße Anwendung geeigneten NIR-Spektrum sind Talkum, Kaolin und basisches Magnesiumcarbonat . Zusätzliche Auswahlkriterien für eine Markersubstanz sind die Wärmebeständigkeit/physikalisch-chemische Stabilität einschl. Strukturstabilität des Markers mit Rücksicht auf die Verarbeitungsbedingungen bei der Dotierung eines Materials oder beim Aufbringen des Markers auf einen Gegenstand, sowie physikalische Eigenschaften der aus solchen Mineralien herstellbaren Pulver (Agglomerationsverhalten, Dispergierver- halten in Trägerstoffen, Kompatibilitäten mit Werkstoffen usw. ) .Examples of minerals with a NIR spectrum suitable for the use according to the invention are talc, kaolin and basic magnesium carbonate. Additional selection criteria for a marker substance are the heat resistance / physicochemical stability including structural stability of the marker with regard to the processing conditions when doping a material or when applying the marker to an object, as well as physical properties of the powders that can be produced from such minerals (agglomeration behavior, dispersing agent - hold in carriers, compatibility with materials, etc.).
Insbesondere ist die erfindungsgemäße Markierung als Dotiermittel auf verschiedene Werkstoffe anwendbar, bevorzugt auf alle Arten synthetischer Thermoplaste, Duromere, Elastomere und Verbundmaterialien und daraus hergestellter Gegenstände, indem der NIR-Marker in die aus dem Werkstoff gebildete Matrix einge- schlössen wird. Dabei handelt es sich jedoch nicht um eine kovalente Anbindung des Markers an das Polymer. Sie ist ebenfalls anwendbar auf Biopolymere wie Stärke, Proteine, Cellulose und deren chemische Modifika- te, Polymilchsäure, Polycaprolacton und andere biolo- gisch abbaubare Polymere nativer oder synthetischer Herkunft .In particular, the marking according to the invention can be used as a dopant on various materials, preferably on all types of synthetic thermoplastics, thermosets, elastomers and composite materials and articles made therefrom, by including the NIR marker in the matrix formed from the material. However, this is not a covalent attachment of the marker to the polymer. It is also applicable to biopolymers such as starch, proteins, cellulose and their chemical modifications, polylactic acid, polycaprolactone and other biodegradable polymers of native or synthetic origin.
Bevorzugt ist der NIR-Marker in Form einer Beschichtung auf dem Werkstoff aufgebracht, wobei die Be- Schichtung z.B. in Form eines Lackes, eines Klebstoffs oder anderen Haftvermittlers aufgebracht sein kann.The NIR marker is preferably applied to the material in the form of a coating, the coating e.g. can be applied in the form of a varnish, an adhesive or other adhesion promoter.
Die erfindungsgemäße Markersubstanz kann auch Be- standteil einer oder mehrerer Schichten in einem verbundartig aufgebauten Gegenstand sein (z.B. Verbundfolie, aus Verbundfolie hergestellter Gegenstand) oder sie kann zwischen den Schichten eines Verbundes eingebracht worden sein.The marker substance according to the invention can also be part of one or more layers in a composite structure (e.g. composite foil, object made from composite foil) or it can be introduced between the layers of a composite.
Die erfindungsgemäße Markierung ist auf alle Gegenstände anwendbar, auf deren Oberfläche der erfindungsgemäße Marker mittels eines geeigneten Trägerstoffes aufgebracht sein kann.The marking according to the invention is applicable to all objects on the surface of which the marker according to the invention can be applied by means of a suitable carrier.
Das erfindungsgemäße Verfahren beruht darauf, dominante NIR-spektrale Eigenschaften bestimmter NIR- aktiver Substanzen zu nutzen, um damit markierte Werkstoffe aus kunststoff-, glas- oder papierhaltigen Materialien oder Verbundwerkstoffen hieraus mittelsThe method according to the invention is based on using dominant NIR spectral properties of certain NIR-active substances in order to use it to mark materials made of plastic, glass or paper-containing materials or composite materials therefrom
NIR-spektrometrischer Methoden prozesstechnisch spek- tral erkennen zu können. Das Erkennen dient dazu, erfindungsgemäß markierte Werkstoffe oder Gegenstände von nicht oder anderweitig markierten Materialien oder Gegenständen zu unterscheiden oder die An- oder Abwesenheit des erfindungsgemäß markierten Materials oder Gegenstandes in verfahrenstechnischen Prozessen oder in Materialflusssystemen automatisch detektieren zu können.NIR spectrometric methods to recognize tral. The purpose of the recognition is to distinguish materials or objects marked according to the invention from materials or objects not marked or otherwise marked or to be able to automatically detect the presence or absence of the material or object marked according to the invention in process engineering processes or in material flow systems.
Erfindungsgemäß wird dabei so vorgegangen, dass dem Werkstoff während des Verarbeitungsprozesses eine Substanz zugesetzt wird, die mindestens eine dominante Bande im NIR-Absorptionsspektrum besitzt, die auch bei Überlagerung mit den NIR-Absorptionsspektren des Werkstoffs und der mit dem Werkstoff verbundenenThe procedure according to the invention is such that a substance is added to the material during the processing process which has at least one dominant band in the NIR absorption spectrum, which also overlaps with the NIR absorption spectra of the material and that associated with the material
Stoffe spektral erkennbar ist, oder nach Abschluss des Verarbeitungsprozesses diese Substanz am Werkstoff befestigt wird. Dieser Werkstoff kann dann z.B. in Trenn- oder Sortierprozessen anhand des charakte- ristischen Absorptionsverhaltens des NIR-Markers später mit der NIR-Spektrometrie identifiziert werden.Substances is spectrally recognizable, or after the processing is completed, this substance is attached to the material. This material can then e.g. in separation or sorting processes based on the characteristic absorption behavior of the NIR marker can later be identified with NIR spectrometry.
Die Erkennung durch ein „NIR-Auge" dient insbesondere der Erzeugung eines (elektrischen oder sonstigen) Si- gnals, welches die An- oder Abwesenheit eines bestimmten Werkstoffs oder einer bestimmten Art von Gegenständen in einem Prozess oder an einer bestimmten Stelle im Prozess anzeigt. Solche Signale können z.B. für die Lösung überwachungs-, Steuer- und regeltech- nischer Aufgaben im Rahmen der Prozessleittechnik verwendet werden. Insbesondere liefern solche Signale Steuer- und regeltechnische Kriterien für Sortier- und Separierprozesse in der Verfahrenstechnik. Hierin liegt ein deutlicher Vorteil gegenüber dem Stand der Technik. ω cυ t\_> t\) o n o Cn O nThe detection by an “NIR eye” serves in particular to generate an (electrical or other) signal which indicates the presence or absence of a specific material or a specific type of objects in a process or at a specific point in the process. Such signals can be used, for example, for the solution of monitoring, control and regulating tasks in the context of process control technology. In particular, such signals provide control and regulating criteria for sorting and separating processes in process engineering. This is a clear advantage over the current state of the technique. ω cυ t \ _> t \) ono Cn O n
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1 1
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den, wie z.B. das Markieren von Kunststoffen im Zuge der Granulatherstellung,the, e.g. marking plastics in the course of the production of granules,
• die Aufbringung des pulverförmigen Markers in mindestens einer Schicht bei schichtartigen Verbund- Werkstoffen oder aus einem Verbund aufgebauten Gegenständen, einschließlich des Einbringens des Markers zwischen mindestens zwei Schichten des Verbundes,The application of the powdery marker in at least one layer in the case of layered composite materials or objects constructed from a composite, including the insertion of the marker between at least two layers of the composite,
• die Oberflächenbehandlung des Werkstoffs in Form einer den Marker enthaltenden oder aus dem Marker bestehenden Beschichtung, die z.B. mittels PVD- oder CVD-Verfahren aufgebracht wird, wobei auch die Beschichtung auf einem Trägermaterial möglich ist, das nachträglich mit dem Werkstoff verbunden wird,The surface treatment of the material in the form of a coating containing the marker or consisting of the marker, which e.g. is applied by means of PVD or CVD processes, it also being possible to coat on a carrier material which is subsequently connected to the material,
• die Aufbringung des pulverförmigen Markers . im Zuge von Lackier-, Bedruckungs- oder Etikettiervorgängen, ,• the application of the powdered marker. in the course of painting, printing or labeling processes,
• die Aufbringung des Markers zusammen mit einem be- schichteten oder unbeschichteten flachen Träger, z.B. einem Etikett, welcher auf den zu markierenden Werkstoff oder Gegenstand aufgebracht wird.The application of the marker together with a coated or uncoated flat carrier, e.g. a label that is applied to the material or object to be marked.
Das zur Erkennung dieser Eigenschaft erfindungsgemäß anzuwendende spektrometrische Prinzip beruht auf der Aufzeichnung und Auswertung der spezifischen Absorption und/oder der Reflexion nicht absorbierter Strahlung im Wellenlängenbereich des Nahen Infrarot. De- tektiert wird üblicherweise im Reflexionsmodus. Hier- für erforderliche NIR-Prozessspektrometer sind Stand der Technik.The spectrometric principle to be used in accordance with the invention to detect this property is based on the recording and evaluation of the specific absorption and / or the reflection of non-absorbed radiation in the wavelength range of the near infrared. Detection is usually carried out in reflection mode. NIR process spectrometers required for this are state of the art.
Die erfindungsgemäßen Verwendungen des Verfahrens lassen sich dabei anhand der folgenden beispielhaften Fälle verdeutlichen: 1) Ein vom Hersteller A erfindungsgemäß dotierter Werkstoff kann nach seiner Herkunft gegenüber den gleichen Werkstoffen, die von anderen Herstellern stammen, unterschieden werden. 2) Ein Werkstoff-Compound, das sich chemisch nur strukturell oder bezüglich Minorkomponenten in seiner Additivierung von anderen Compounds des gleichen Werkstoffs unterscheidet, kann mit Hilfe der erfindungsgemäßen Markierung erkannt und durch darauf abgestimmte Sortierung aus Gemischen sortenrein separiert werden. Dies ist die wichtigste Voraussetzung für das Herstellen eines hochwertigen Recyclats aus dem entsprechenden Werkstoffabfall. 3) Der Abfüller A benutzt für die von ihm verwendeten Kunststoff-Getränkeflaschen einen erfindungsgemäßen Marker (z.B. als Bestandteil der Druckfarbe für den Barcodeaufdruck, mit dem jede Flasche im Zuge des Abfüllprozesses versehen wird) , um "sei- ne" Flaschen im Zuge der Retribution im Mehrweg oder für abfüllerspezifische Recyclingmaßnahmen im Einwegverpackungsbereich identifizieren und sortieren zu können. Bei der Aussortierung bestimmter Qualitäten des Verpackungskunststoffs Polyethylen- terephthalat (PET) aus post consumer Verpackungsabfällen könnte künftig die erfindungsgemäße Markierung zum Einsatz kommen: Hier könnte ein "high quality"-Recyclingpool gebildet werden, dem ent- sorgungspflichtige Abfüller unter bestimmten Vor- aussetzungen (Flaschenmaterial-Kriterien) beitreten können (Stichwort: "Markierungslizenz") . PET wird ein großes Marktpotenzial bei Kunststoff- Getränkeflaschen vorausgesagt - die Akzeptanz des Materials beim Verbraucher wird jedoch in hohem Maße von einem anerkannt hochwertigen Recycling von PET abhängen.The uses of the method according to the invention can be illustrated using the following exemplary cases: 1) A material doped by manufacturer A according to the invention can be distinguished according to its origin compared to the same materials that come from other manufacturers. 2) A material compound that differs chemically only structurally or in terms of minor components in its additives from other compounds of the same material can be identified with the aid of the marking according to the invention and separated by sorting from mixtures according to this. This is the most important prerequisite for the production of high-quality recyclate from the corresponding material waste. 3) The bottler A uses a marker according to the invention for the plastic beverage bottles he uses (for example as a component of the printing ink for barcode printing, with which each bottle is provided in the course of the filling process) in order to “his” bottles in the course of the retribution be able to identify and sort them in returnable packaging or for bottler-specific recycling measures in the one-way packaging area. The marking according to the invention could be used in the future when sorting out certain qualities of the packaging plastic polyethylene terephthalate (PET) from post-consumer packaging waste: Here, a "high quality" recycling pool could be formed, the bottlers subject to disposal under certain conditions (bottle material Criteria) (keyword: "marking license"). PET is predicted to have a large market potential for plastic beverage bottles - however, consumer acceptance of the material will be high Dimensions depend on a recognized high quality recycling of PET.
Ein Ausführungsbeispiel des Verfahrens soll im fol- genden Beispiel aufgezeigt werden.An example of the method is shown in the following example.
Beispiel 1:Example 1:
Zu einer vorgelegten Menge Klarlack auf Acryl-Basis werden 10 bis 50 Gew% Talkum bis zur optischen Homogenität eingerührt. Eine kleine Menge der so erhalte- nen Lack-Formulierung wird mit einem Pinsel auf die äußere Oberfläche einer handelsüblichen 1,51 PET- Flasche aufgetragen. Nach dem Trocknen des Lacks bei Raumtemperatur erfolgt die Detektion mittels FT-NIR- Spektrometer im Reflexionsmodus unter Verwendung ei- ner Quartzglasfasersonde. Es wird ein Lichtblitz10 to 50% by weight of talc are stirred into a quantity of acrylic-based clearcoat to the point of optical homogeneity. A small amount of the paint formulation thus obtained is applied with a brush to the outer surface of a commercially available 1.51 PET bottle. After the lacquer has dried at room temperature, detection is carried out using an FT-NIR spectrometer in reflection mode using a quartz glass fiber probe. It will be a flash of light
(1 Scan) auf die Markierung gestrahlt und die spektrale Zusammensetzung des reflektierten Lichts analysiert. Das Ergebnis, ein "1-Scan-Spektrum", ist in Fig. 1 dargestellt. Hierin ist das NIR-Spektrum einer mit talkumhaltigen Acryllack markierten PET-Flasche(1 scan) is radiated onto the marking and the spectral composition of the reflected light is analyzed. The result, a "1-scan spectrum", is shown in FIG. 1. This is the NIR spectrum of a PET bottle marked with talc-containing acrylic lacquer
(a) im Vergleich zu den NIR-Einzelspektren von Acryllack (b) , PET (c) und Talkum (d) dargestellt. Das Ergebnis der Messung kann vom Spektrometer- Rechner in ein normiertes Signal überführt und über eine I/O-Karte in die Steuerung einer Sortieranlage eingespeist werden.(a) compared to the individual NIR spectra of acrylic paint (b), PET (c) and talc (d). The result of the measurement can be converted into a standardized signal by the spectrometer computer and fed into the control of a sorting system via an I / O card.
Fig. 2 zeigt einen Ausschnitt aus den NIR-Spektren von drei geeigneten Markern: Talkum (a) , basisches Magnesiu carbonat (b) und Kaolin (c) 2 shows a section of the NIR spectra of three suitable markers: talc (a), basic magnesium carbonate (b) and kaolin (c)

Claims

Patentansprüche claims
1. Mit einem NIR-Marker versehener kunststoff-, glas-, textil- oder papierhaltiger Werkstoff oder Verbundwerkstoff hiervon, enthaltend mindestens eine Komponente mit mindestens einer dominanten Bande im NIR-Absorptionsspektrum, die auch bei Überlagerung mit den NIR-1. A plastic, glass, textile or paper-containing material or composite material provided with an NIR marker, containing at least one component with at least one dominant band in the NIR absorption spectrum, which can also be superimposed on the NIR
Absorptionsspektren des Werkstoffs und der mit dem Werkstoff verbundenen Stoffe spektral erkennbar ist.Absorption spectra of the material and the substances associated with the material can be detected spectrally.
2. Werkstoff nach mindestens einem der vorhergehen- den Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der2. Material according to at least one of the preceding claims, characterized in that the
NIR-Marker mindestens eine dominante Absorptionsbande mit einer Halbwertsbreite von jeweils weniger als 400 cm-1 besitzt.NIR marker has at least one dominant absorption band with a half width of less than 400 cm -1 each.
3. Werkstoff nach mindestens einem der vorhergehen- den Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der3. Material according to at least one of the preceding claims, characterized in that the
NIR-Marker mindestens eine dominante Absorptionsbande mit einer Halbwertsbreite von jeweils weniger als 150 cm-1 besitzt.NIR marker has at least one dominant absorption band with a half width of less than 150 cm -1 each.
4. Werkstoff nach mindestens einem der vorhergehen- den Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der4. Material according to at least one of the preceding claims, characterized in that the
NIR-Marker mineralisch ist.NIR marker is mineral.
5. Werkstoff nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der NIR-Marker ausgewählt ist aus der Gruppe Kaolin, Talkum und basisches Magnesiumcarbonat oder deren Gemischen. 5. Material according to at least one of the preceding claims, characterized in that the NIR marker is selected from the group kaolin, talc and basic magnesium carbonate or mixtures thereof.
6. Werkstoff nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der NIR-Marker in einer durch den Werkstoff gebildeten Matrix eingeschlossen ist.6. Material according to at least one of the preceding claims, characterized in that the NIR marker is enclosed in a matrix formed by the material.
7. Werkstoff nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der NIR-Marker als Beschichtung auf dem Werkstoff aufgebracht ist.7. Material according to at least one of the preceding claims, characterized in that the NIR marker is applied as a coating on the material.
8. Werkstoff nach Anspruch 7, dadurch gekennzeich- net, dass die Beschichtung die Funktion eines8. Material according to claim 7, characterized in that the coating has the function of
Lackes, eines Klebstoffs, einer Druckfarbe, eines Primers oder eines Haftvermittlers besitzt.Lacquer, an adhesive, a printing ink, a primer or an adhesion promoter.
9. Werkstoff nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Werkstoff als schichtartiger Verbund aufgebaut ist und der NIR-Marker in mindestens einer Schicht enthalten ist.9. Material according to at least one of the preceding claims, characterized in that the material is constructed as a layer-like composite and the NIR marker is contained in at least one layer.
10. Werkstoff nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass der NIR-Marker in mindestens einem Zwischenraum zwischen zwei Schichten enthalten ist.10. Material according to claim 9, characterized in that the NIR marker is contained in at least one space between two layers.
11. Werkstoff nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein den NIR-Marker enthaltender Träger am Werkstoff befestigbar ist.11. Material according to at least one of the preceding claims, characterized in that a carrier containing the NIR marker can be fastened to the material.
12. Verfahren zur Identifizierung von kunststoff-, glas- oder papierhaltigen Werkstoffen oder Verbundwerkstoffen hiervon mit der NIR- Spektro etrie, wobei12. A method for identifying plastic, glass or paper-containing materials or composite materials thereof with NIR spectrometry, where
a) während des Verarbeitungsprozesses dem Werkstoff als NIR-Marker mindestens eine Kompo- nente mit mindestens einer dominanten Bande im NIR-Absorptionsspektrum, die auch bei Überlagerung mit den NIR-Absorptionsspektren des Werkstoffs und der mit dem Werkstoff ver- bundenen Stoffe spektral erkennbar ist, zugesetzt wird oder nach Abschluß des Verarbeitungsprozesses am Werkstoff angebracht wird unda) during the processing process, the material as NIR marker at least one component nente with at least one dominant band in the NIR absorption spectrum, which is spectrally recognizable even when superimposed with the NIR absorption spectra of the material and the substances associated with the material, is added or is attached to the material after completion of the processing process and
b) der Werkstoff anhand des charakteristischen Absorptionsverhaltens des NIR-Markers mit derb) the material based on the characteristic absorption behavior of the NIR marker with the
NIR-Spektrometrie identifiziert wird.NIR spectrometry is identified.
13. Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass als NIR-Marker eine mineralische Komponente zugesetzt wird.13. The method according to claim 12, characterized in that a mineral component is added as the NIR marker.
14. Verfahren nach mindestens einem der Ansprüche 12 oder 13, dadurch gekennzeichnet, dass der NIR-Marker in pulverförmiger Konsistenz zugesetzt wird.14. The method according to at least one of claims 12 or 13, characterized in that the NIR marker is added in powdery consistency.
15. Verfahren nach mindestens einem der Ansprüche 12 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass der NIR-Marker in die Werkstoff-Matrix eingebaut wird.15. The method according to at least one of claims 12 to 14, characterized in that the NIR marker is built into the material matrix.
16. Verfahren nach mindestens einem der Ansprüche 12 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass als Werkstoff ein16. The method according to at least one of claims 12 to 15, characterized in that as a material
Kunststoff eingesetzt wird und diesem im schmelzeflüssigen Zustand der NIR-Marker zugesetzt wird.Plastic is used and the NIR marker is added to it in the molten state.
17. Verfahren nach mindestens einem der Ansprüche 12 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass als Werkstoff ein Verbundwerkstoff mit einer Schichtstruktur aus- gewählt wird, bei dem in mindestens einer Schicht der Marker zugesetzt wird.17. The method according to at least one of claims 12 to 16, characterized in that a composite material with a layer structure of is selected in which the marker is added in at least one layer.
18. Verfahren nach mindestens einem der Ansprüche 12 bis 17, dadurch gekennzeichnet, dass als Werkstoff ein18. The method according to at least one of claims 12 to 17, characterized in that as a material
Verbundwerkstoff mit einer Schichtstruktur ausgewählt wird, bei dem in mindestens einem Zwischenraum zwischen zwei Schichten der Marker zugesetzt wird.Composite material with a layer structure is selected in which the marker is added in at least one space between two layers.
19. Verfahren nach mindestens einem der Ansprüche 12 bis 18, dadurch gekennzeichnet, dass durch Oberflächenbehandlung der Werkstoff vollständig oder partiell beschichtet wird, wobei die Beschichtung die Markersubstanz enthält.19. The method according to at least one of claims 12 to 18, characterized in that the material is completely or partially coated by surface treatment, the coating containing the marker substance.
20. Verfahren nach mindestens einem der Ansprüche 12 bis 19, dadurch gekennzeichnet, dass die Oberflächenbehandlung mittels CVD oder PVD erfolgt.20. The method according to at least one of claims 12 to 19, characterized in that the surface treatment is carried out by means of CVD or PVD.
21. Verfahren nach mindestens einem der Ansprüche 12 bis 20, dadurch gekennzeichnet, dass die Oberflächenbehandlung mittels Lackier- oder Bedruckungsvor- gängen erfolgt.21. The method according to at least one of claims 12 to 20, characterized in that the surface treatment is carried out by means of painting or printing processes.
22. Verfahren nach mindestens einem der Ansprüche 10 bis 18, dadurch gekennzeichnet, dass ein den NIR-Marker enthaltender Träger mittels eines Klebstoffs oder Haftvermittlers am Werkstoff befestigt wird.22. The method according to at least one of claims 10 to 18, characterized in that a carrier containing the NIR marker is attached to the material by means of an adhesive or adhesion promoter.
23. Verfahren nach mindestens einem der Ansprüche 12 bis 22, dadurch gekennzeichnet, dass der NIR-Marker mit einem Etikett als Träger am Werkstoff befestigt wird.23. The method according to at least one of claims 12 to 22, characterized in that the NIR marker is attached to the material with a label as a carrier.
24. Verwendung des Verfahrens nach mindestens einem der Ansprüche 12 bis 23 zur Identifizierung von24. Use of the method according to at least one of claims 12 to 23 for the identification of
Werkstoffen in Trenn- und Sortierprozessen.Materials in separation and sorting processes.
25. Verwendung des Verfahrens nach mindestens einem der Ansprüche 12 bis 23 zur Erkennung eines Werkstoffs in einem verfahrenstechnischen Pro- zess oder in einem Materialflusssystem.25. Use of the method according to at least one of claims 12 to 23 for the detection of a material in a process engineering process or in a material flow system.
26. Verwendung des Verfahrens nach mindestens einem der Ansprüche 12 bis 23 zur Identifizierung der Echtheit oder Originalität von Dokumenten, Banknoten oder Gegenständen oder zum Nachweis von Urheberrechtsverletzungen oder widerrechtlicher26. Use of the method according to at least one of claims 12 to 23 for identifying the authenticity or originality of documents, banknotes or objects or for demonstrating copyright infringement or unlawful
Inbesitznahme . Taking possession.
PCT/EP2001/010274 2000-10-05 2001-09-06 Substance containing plastic, glass, textiles or paper, provided with a nir tag and a method for identifying said substance WO2002028954A1 (en)

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