A indústria de plásticos mundial depende cada vez mais de materiais reciclados. Na Europa essa tendência está sendo impulsionada por regulamentações mais rigorosas sobre o uso de resinas recicladas, entre outros fatores. Além disso, as empresas que executam a transformação de plásticos buscam cada vez mais serem percebidas pelo público como sendo empresas sustentáveis. Embora os consumidores exijam cada vez mais produtos mais sustentáveis, a redução na qualidade não será tolerada. Assim, os usuários de resinas recicladas devem estar cientes de que plásticos reciclados não são diretamente comparáveis a materiais virgens. Existem certos paralelos com a reciclagem de papel. Mesmo neste caso, não é possível prescindir completamente de produtos novos se for preciso manter um certo padrão de qualidade.

Esse objetivo não pode ser alcançado sem um controle da qualidade adequado. Embora sistemas de sensores para detecção de cor e monitoramento do teor de umidade de resinas recicladas sejam frequentemente encontrados diretamente na frente de injetoras e roscas de extrusoras, esses sensores não fornecem informações sobre a composição do plástico no material reciclado. Isso representa um problema, porque os plásticos reciclados nem sempre são puros. Muitas vezes as resinas recicladas são submetidas apenas a um teste de cor antes da sua comercialização.

No futuro essa situação pode levar a problemas cada vez maiores nas roscas das extrusoras e injetoras, e há também aumento potencial do desgaste dos moldes de injeção. Essa contaminação também pode causar problemas nos produtos propriamente ditos. Mas essa situação pode ser remediada com a instalação de sensores de radiação na faixa do infravermelho próximo (NIR, near infrared radiation) em linha na produção.

 

O sensor em linha Spectro-T-3–60-NIR/ NIR-D20 NIR é montado em visores de sistemas de dosagem e silos (© Sensor Instruments)

 

A empresa Sensor Instruments desenvolveu a tecnologia necessária para essa aplicação. Os sensores operam conforme o método de três bandas na faixa do infravermelho próximo (NIR), mais precisamente entre 1.300 e 1.700 nm. Nessa faixa de comprimento de onda a grande maioria dos plásticos pode ser distinguida, e de forma confiável.

A implementação dessa tecnologia envolveu a aplicação do método de três bandas, já conhecido na espectroscopia de cores, e o uso de sensores de infravermelho próximo. Em vez da análise espectral, a faixa de comprimento de onda do infravermelho próximo é dividida em três seções (fig. 1). Para isso, são usados três grupos de diodos emissores de luz (LED, light emitting diode) na faixa do infravermelho próximo, com comprimentos de onda centrais de 1.350, 1.550 e 1.650 nm (NIR-L, NIR-C e NIR-R). Esses grupos são ligados em sequência, o que permite o uso do mesmo receptor, ou seja, um fotodiodo sensível à radiação na faixa do infravermelho próximo.

 

Fig. 1 – O método de três bandas na faixa da radiação do infravermelho próximo é análogo ao método conhecido na banda visível (fonte: Sensor Instruments; gráfico: © Hanser).

 

Este espectrômetro observa perpendicularmente a superfície do grânulo a ser medida. Comparado a um espectrômetro de infravermelho próximo, aquele apresenta a vantagem de que, devido à área de detecção relativamente grande do receptor, com uma captura de aproximadamente 4 x 1 mm, maior quantidade de luz está disponível para análise, em comparação com a abertura de entrada de um espectrômetro, cujo diâmetro é menor que 0,1 mm. Assim, a medição é menos afetada por ruído e, acima de tudo, mais rápida. Além disso, esse tipo de tecnologia custa apenas uma fração de uma solução espectral.

 

Supressão da luz direcionada 

A alta sensibilidade do receptor também permite o uso de um difusor no lado do transmissor, na forma de uma lente fosca, que espalha a luz quase completamente por todo o semi espaço. Assim, apenas uma fração da radiação de infravermelho próximo atinge o receptor. Isso suprime quase completamente a luz direcionada (reflexão direta em direção ao receptor), o que, por sua vez, melhora o resultado da medição. A configuração do sensor também é compacta e robusta.

De maneira análoga à análise de cor na faixa de comprimentos de onda visíveis, os valores são calculados a partir dos dados brutos de NIR-L, NIR-C e NIR-R: N*i*r* é análogo a L*a*b*; N* indica o valor de cinza do grânulo examinado; i* fornece informações sobre o comportamento de reflexão entre as faixas de comprimento de onda na faixa do infravermelho próximo de médio (NIR-C) e curto alcance (NIR-L); e r* descreve o comportamento de reflexão entre o intervalo de comprimento de onda na faixa do infravermelho próximo médio e longo (NIR-R).

 

Algoritmos L*a*b* para radiação de infravermelho próximo

Inicialmente, o uso dos algoritmos L*a*b* era apenas uma ideia, mas, posteriormente, provou ser muito vantajoso e eficiente. A designação N*i*r* foi escolhida arbitrariamente porque não havia parâmetros definidos para um método de três bandas nesta faixa de comprimentos de onda. As investigações realizadas mostraram que, de forma similar à faixa de luz visível, o comportamento de reflexão de um objeto na faixa do infravermelho próximo também pode ser descrito com esses três parâmetros.

Em uma etapa preliminar foram examinados os grânulos virgens. Essas análises forneceram informações precisas sobre a origem e a composição dos grânulos individuais. As medições foram feitas pelo método difuso de 0°. Ele é semelhante ao método difuso de 8° usado na medição de cor. O sensor da radiação do infravermelho próximo é separado dos grânulos apenas por um visor. Este pode ser facilmente integrado, por exemplo, a silos, e também em sistemas de dosagem (figura no início do artigo). A luz difusa suprime amplamente a reflexão direta interferente, de modo que a reflexão difusa atinge principalmente o receptor.

A precisão da medição pode ser aumentada realizando-se medições enquanto o fluxo de grânulos está em movimento. Os testes foram realizados com vinte amostras de resinas virgens diferentes e setenta amostras de resinas recicladas (fig. 2). Antes dos testes propriamente ditos, as amostras individuais foram submetidas a testes de imersão e classificadas de acordo com a gravidade específica, que podia ser menor, igual ou maior que a unidade.

 

Fig. 2 – Amostras de resinas recicladas muito diferentes foram analisadas para o estudo (os resultados são mostrados na tabela da página 30) (© Sensor Instruments)

 

Testes com resinas recicladas confirmaram a aplicabilidade

Durante os testes com material virgem surgiram domínios individuais no diagrama i*r*. Também foi feita uma distinção confiável e reprodutível em cada área. O teste foi então realizado usando as amostras de material reciclado disponíveis. As resinas recicladas apresentaram comportamento bastante semelhante e também havia uma concentração de resinas recicladas com densidade menor que a unidade de um lado, e duas áreas significativas com densidade superior à unidade do outro lado (fig. 3). Em uma dessas áreas foi observado valor i* positivo muito alto, enquanto a outra área apresentou valor r* positivo relativamente alto. Infelizmente, a composição exata de todas as resinas recicladas testadas não era conhecida. Essas amostras de resina reciclada foram rotuladas apenas com um número e uma cor. Não foi possível obter resultados úteis de medição a partir das resinas recicladas negras contendo negro de fumo, pois este aditivo absorve amplamente a radiação na região do infravermelho próximo. As resinas recicladas que apresentaram cor cinza, como também as que possuem cores escuras, forneceram intensidades de sinal utilizáveis (ver tabela).

 

 

Fig. 3 – Diagrama i*r* das amostras de resina reciclada examinadas. Ficou claramente visível que houve a formação de agrupamentos (fonte: Sensor Instruments; gráfico: © Hanser).

 

A experiência com a medição de cores de resinas recicladas demonstrou que é oportuno para os usuários disporem de sistemas laboratoriais de medição, além de sensores em linha. Para melhorar a comparabilidade entre os resultados das medições, a mesma tecnologia de sensores foi integrada aos sistemas de laboratório existentes. Embora o sistema laboratorial de medição Spectro-T3-DIF/0°-Lab-CMU também possa ser usado para calibrar sensores em linha, o sistema laboratorial Spectro-T-3-DIF/0°-Mobile-P é ideal para medir maiores quantidades de resinas recicladas em laboratório, a partir de 11 litros (fig. 4).

As medições também são realizadas enquanto os grânulos se movem, permitindo que seu posicionamento aleatório seja compensado da melhor forma possível. Os resultados da medição são analisados por meio de um computador pessoal. O software Docal Scope V1.4, incorporado ao equipamento, permite a calibração individual dos sensores da radiação infravermelho próximo. Além disso, uma exibição da tendência dN*di*dr* é mostrada em relação a uma amostra definida.

 

Fig. 4 – Os dois instrumentos laboratoriais de medição, Spectro-T-3-DIF/0°-Lab-CMU e Spectro-T-3-DIF/0°-Mobile-P, são baseados na mesma tecnologia e também são adequados para calibrar os sensores em linha (© Sensor Instruments).

 

Conclusão

No futuro, os conhecimentos já obtidos a partir do uso dessa tecnologia serão usados diretamente na produção para fazer ajustes nas formulações. A Sensor Instruments está trabalhando com uma empresa fabricante de máquinas no desenvolvimento de uma unidade dosadora que permite a dosagem tanto de resina reciclada quanto de virgem. Dependendo da qualidade da resina reciclada, uma quantidade maior ou menor de resina virgem é adicionada, visando garantir que a qualidade do produto final atenda aos requisitos especificados.