Chemometrie als Werkzeug für die Polymeranalyse

Die zunehmende Relevanz von Chemometrie in der Kunststoffbranche ergibt sich aus der steigenden Komplexität von Polymermaterialen und den wachsenden Anforderungen an Nachhaltigkeit und Recycling. Chemometrie ermöglicht durch die Kombination von statistischen und mathematischen Methoden mit chemischem Fachwissen nicht nur eine präzise, schnelle und kosteneffiziente Analyse, sondern auch eine Charakterisierung hinsichtlich Alterungszustand und Materialzusammensetzung, wie auch die Identifizierung und Quantifizierung von Additiven, Füllstoffen und Pigmenten.

Zudem ermöglicht Chemometrie auch die für die Erhöhung von Recyclingquoten und Verbesserung der Wiederverwendbarkeit von Kunststoffen erforderliche Sortierung gängiger Kunststoffarten wie bspw. PE, PP, PVC, PET, ABS und PA mithilfe von (Nahinfrarot-)Spektroskopie sowie eine Überprüfung der Qualität zwecks Ermittlung kritischer Materialeigenschaften von Fertigprodukten.

Multivariate Datenanalyse

Grundlegend handelt es sich bei der Chemometrie um eine multivariate Datenanalyse, bei der – anstatt einzelner Banden – das gesamte Spektrum zur Auswertung herangezogen wird. Zwecks Datenreduktion und Extraktion der relevanten Spektralinformationen sind deshalb multivariate Datenanalysemethoden erforderlich.

Qualitative Analyse

Eine qualitative Analyse kann mittels Principal Component Analysis (PCA) erfolgen. Hier wird ein orthogonales Koordinatensystem, basierend auf den größten Varianzen, konstruiert, in dem sich einzelne Objekte durch die Abbildung darauf beschreiben lassen. Ähnliche Spektren können durch Überführung in ebenjenes Hauptkomponenten-Koordinatensystem verschiedenen Gruppen zugeordnet werden.

Quantitative Analyse

Für quantitative Analysen eignen sich hingegen multivariate Regressionsmodelle wie bspw. die Partial Least Squares Regression (PLS). Anhand der Varianzen in den Spektren und einer abhängigen Größe kann eine lineare Regression durchgeführt werden, die es ermöglicht, für weitere Versuchspunkte Vorhersagen bzgl. der entsprechenden Größe zu treffen.

Vielfältige Einsatzbereiche

Am SKZ findet die Chemometrie ihre Anwendung in vielfältigen Einsatzbereichen – sowohl im Rahmen von Forschungs- als auch Industrieprojekten. Als Beispiel für die erfolgreiche Umsetzung lässt sich das Forschungsprojekt RecyQuant (ZIM mit Fa. ColVisTec AG, Laufzeit 2022-2024) aufführen. Das Ziel bestand in der Inline-Überwachung und Einhaltung tolerierbarer Anteile von Fremdpolymeren im Rezyklat. Dazu wurde ein chemometrisches Modell im NIR-Bereich zur Vorhersage des Fremdpolymeranteils (PE-Anteil zw. 0 und 10 Gew.-%) im Basispolymer (PP) für Neuware und Recyclingmaterial entwickelt (vgl. Titelbild).

„Effizienz des Verfahrens erweitern“

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

Mehr Informationen zur SKZ-Forschungsbereich zerstörungsfreien Prüfung