- Titel
- Physical Principles and Effects of Fluorescence Tracers in the Circular Economy of Plastics
- Zitierfähige Url:
- https://nbn-resolving.org/urn:nbn:de:bsz:14-qucosa2-1004579
- Übersetzter Titel (DE)
- Physikalische Grundlagen und Effekte des Einsatzes von Fluoreszenztracern bei der Kreislaufführung von Kunststoffen
- Schriftenreihe
- Beiträge zu Abfallwirtschaft, Altlasten
- Bandnummer
- 118
- Auflage
- 1. Auflage 2025 ; falsche Reihenzählung, Band 118 doppelt vergeben!
- Erstveröffentlichung
- 2025
- Datum der Einreichung
- 14.11.2025
- Datum der Verteidigung
- 17.10.2025
- ISBN
- 978-3-947923-13-7
- Abstract (DE)
- Im Kontext des steigenden Kunststoffabfallaufkommens, der zunehmenden Anforderungen an Recyclingquoten und -ziele sowie der ökologischen Belastung durch die Produktion und Entsorgung von Kunststoffprodukten wird derzeit eine Vielzahl innovativer Identifikationstechnologien und Sortiertechnologien für Kunststoffe erforscht. Eine dieser Technologien ist die Tracer-Technologie, bei der ein fluoreszierendes Tracer-Additiv bereits während des Herstellungsprozesses in den Kunststoff eingearbeitet wird und in der Materialidentifikation als werkstoffunabhängiges Sortierkriterium dient. Darüber hinaus können die Tracer und das einzigartige Fluoreszenzmuster, welches zufällig bei der Produktion entsteht, erfasst und als eindeutige Identifikation einem einzelnen Produkt zugeordnet werden. In diesem Kontext analysiert die vorliegende Doktorarbeit die physikalischen Effekte von Tracern in der Kunststoff-Kreislaufführung für die beiden Anwendungsfälle Material- und Produktidentifikation. Die vorliegende Arbeit befasst sich mit fünf Forschungsfragen, welche darauf abzielen, diese Zusammenhänge zu untersuchen und zu analysieren. Forschungsfrage 1 (Welche Qualitätsprobleme treten bei Recycling-Compoundern in der Praxis auf, wo entstehen sie und welche Maßnahmen könnten sinnvoll sein, um diese zu beheben?) analysiert das Auftreten typischer Qualitätsprobleme in der Compoundierung. Die Compoundierung stellt den finalen Schritt der Werkstoffwiederaufbereitung dar und den ersten, bevor das Material wieder zu einem neuen Produkt verarbeitet wird. Zu diesem Zweck wurde eine umfassende Literaturrecherche sowie eine Umfrage mit 20 Compoundier-Betrieben aus Deutschland durchgeführt. Die Unternehmen wurden mittels eines Fragebogens zu den von ihnen angewandten Verfahren, den verwendeten Materialien, den Qualitätsproblemen sowie den ergriffenen Maßnahmen zu deren Reduzierung befragt. Die Auswertung der Umfrageergebnisse ergab, dass Verunreinigungen und Kontaminationen im Eingangsstoffstrom als Hauptursache für Qualitätsprobleme identifiziert wurden. Die Häufigkeit von Qualitätsproblemen ist unabhängig von der Art der Inputströme (sortenrein/gemischt, post-industrial/post-consumer) sowie davon, ob eine weitere Inhouse-Sortierung stattfindet. Die teilnehmenden Unternehmen gaben jedoch an, dass das Wissen über die detaillierte Zusammensetzung des Eingangsstoffstroms einen Beitrag zur Reduzierung von Qualitätsproblemen leisten könnte. Forschungsfrage 2 (Welche Auswirkungen haben fluoreszierende Tracer-Additive auf die Materialeigenschaften von Polymeren im Compounding- und Recyclingprozess?) untersucht den Einfluss von Up-Conversion-Fluoreszenz-Tracern auf die Materialeigenschaften von Kunststoffen unter mehrfacher Verarbeitung. Zu diesem Zweck wurde eine mehrfache Verarbeitung durch Extrusion bei PET simuliert und die thermischen, mechanischen, chemischen, rheologischen und optischen Materialeigenschaften untersucht. Insgesamt wurden bis zu sechs Extrusionsdurchläufe mit vier verschiedenen Tracerkonzentrationen durchgeführt, die von 0 ppm bis 1000 ppm reichten. Die Ergebnisse der Untersuchungen zeigen, dass der Tracer keinen Einfluss auf die Abbauprozesse in PET hat. Die vorliegenden Ergebnisse zeigen die für PET charakteristischen thermo-mechanischen Abbauprozesse, wie Kettenverkürzungen, eine Reduktion des Molekulargewichts sowie die Bildung neuer Funktioneller Gruppen. Forschungsfrage 3 (Inwieweit bleibt das Fluoreszenzsignal von Tracer-Additiven nach mehreren Recyclingzyklen stabil und messbar?) dient der Ergänzung des Untersuchungsumfangs der PET-Proben um die Detektionsfähigkeit der Fluoreszenztracer nach mehrfacher Verarbeitung. Die Messungen der Up-Conversion-Photolumineszenz ergaben, dass das Fluoreszenzsignal weiterhin detektierbar ist und sich für den Einsatz zur Materialidentifikation eignet. Die Tracer zeichnen sich durch eine hohe Stabilität gegenüber den thermischen und mechanischen Einflüssen der Kunststoffaufbereitung aus. Eine leichte Veränderung der Fluoreszenzintensität ist auf die verschlechterten optischen Eigenschaften (Transparenz und Vergilbung) zurückzuführen. Forschungsfrage 4 (Wie beeinflussen die Größe und Verteilung von Tracer-Partikeln deren Fluoreszenz innerhalb einer Polymermatrix?) fokussiert den Anwendungsfall der Produktidentifikation, der auf dem Muster einzelner Fluoreszenzpartikel basiert. Die vorliegende Untersuchung beschäftigt sich damit, wie Größe und räumliche Verteilung der Partikel die Fluoreszenz im Polymer beeinflusst. Die Literatur legt nahe, dass die Partikelform, die Partikelgröße sowie die chemische Zusammensetzung maßgeblich die Fluoreszenzintensität des Partikels beeinflussen. Darüber hinaus wurde die Tiefenposition des Partikels in der Polymermatrix in Abhängigkeit zur Größe und der Fluoreszenzintensität in dieser Forschungsfrage experimentell untersucht. Als Modellmaterial wurde hierfür hochtransparentes PMMA verwendet, in welches bereits im Herstellungsprozess fünf unterschiedliche Partikelgrößenverteilungen eingearbeitet wurden. Es konnte festgestellt werden, dass größere Partikel im Vergleich zu kleineren eine höhere Leuchtkraft aufweisen und dadurch, auch bei tieferer Einbettung in die Polymermatrix noch detektierbar sind. Bei einer zu tiefen Positionierung der Partikel in der Polymermatrix ist eine Differenzierung von der Hintergrundfluoreszenz nicht mehr möglich. Die abschließende Forschungsfrage 5 (Wie kann die tatsächliche Partikelgrößen-verteilung von Tracer-Additiven in Polymeren anhand der Fluoreszenzmuster bestimmt werden?) bedient sich der Probenmaterialien aus Forschungsfrage 4 und untersucht, ob die Ermittlung der Partikelgrößenverteilungen mittels optischer Messung der Fluoreszenzflächen möglich ist und ob die Partikelgrößenverteilungen voneinander zu unterscheiden sind. Zu diesem Zweck werden Bildaufnahmen der Proben angefertigt und die Fluoreszenzflächen computergestützt nach ihrer Größe ausgewertet. Die Analyse der vier Charakteristika Partikelanzahl, Fluoreszenzintensität und D50 und D95 der Fluoreszenzflächenverteilung ermöglicht eine signifikante Unterscheidung der fünf Partikelgrößenverteilungen. Des Weiteren besteht die Möglichkeit, mittels einer Glättung der Verteilungsfunktion durch eine logistische Kurve und der Vergleich mit der tatsächlichen Verteilungsfunktion eine Transformationskurve je Partikelgrößenverteilung zu bestimmen. Die ermittelte Transformationskurve ermöglicht es, basierend auf der gemessenen Fluoreszenzflächenverteilung, die Partikelgrößenverteilung zu approximieren. Die Übertragbarkeit dieses Vorgehens wurde an PET erfolgreich evaluiert. Die vorliegende Arbeit behandelt die Materialkompatibilität von Tracern und Polymeren und erläutert die physikalischen Effekte, die für die Material- und Produktidentifikation relevant sind. Aus technischer Sicht zeigen die Untersuchungen vielversprechende Ergebnisse, um mittels Tracereinsatz die Sortierung zu verbessern und folglich höherwertige Rezyklate zu erhalten. Darüber hinaus sollten die Untersuchungen auf weitere Material- und Werkstoffgruppen ausgeweitet werden. Die komplexe chemische Struktur der Polymeren sowie der Tracer kann die Entstehung anderer physikalischer Wechselwirkungseffekte bedingen. Des Weiteren ist kritisch anzumerken, dass mit dem Einsatz von Tracern die Gefahr der Tracerverschleppung und folglich eine erneute Verunreinigung der Stoffströme einhergeht. Andere innovative Identifikationstechnologien, wie Digitale Wassermarken oder Bilderkennung, zeigen dieses Problem nicht. Gegenwärtig befinden sich die Tracer-Technologie sowie die beiden anderen Identifikationstechnologien noch in der Entwicklungsphase. Aus diesem Grund mangelt es an praxiserprobten kreislaufwirtschaftlichen Kennzahlen zu Kosten, Durchsatz und Sortierreinheiten. Dennoch können diese Technologien dazu beitragen, die Bereitstellung von höherwertigen Rezyklaten zu fördern und somit die Schonung endlicher Ressourcen und des Umweltschutzes zu unterstützen.
- Abstract (EN)
- In the context of the rising volume of plastic waste, the increasing requirements for recycling quotas and targets, and the ecological impact of the production and disposal of plastic products, there is a growing interest in the development of innovative identification and sorting technologies for polymers. One such technology is the incorporation of fluorescent tracer additives into the plastic during the manufacturing process, which acts as an independent sorting criterion in material identification. Furthermore, the tracers and the unique fluorescence pattern, which is randomly generated during the production process, can be detected and subsequently assigned to an individual product as a unique identifier. This doctoral thesis analyzes the physical effects of tracers in the polymer recycling for both applications, material and product identification. This thesis addresses five research questions to investigate and analyze these relationships. Research question 1 (Which quality problems recycling compounders are encountered in practice, where they occur, and which mitigation options might be reasonable?) analyzes the occurrence of typical quality problems in compounding. Compounding is the final step in material recycling and the first step before the material is reprocessed into a new product. To this end, a comprehensive literature review and a survey of 20 compounding companies in Germany were carried out. The companies were asked by questionnaire about the processes and materials used, the quality problems, and the measures taken to reduce them. Quality problems were found to be primarily caused by impurities and contamination in the input material stream. The frequency of quality problems is independent of the type of input stream (pre-sorted vs. mixed, post-industrial vs. post-consumer) or if in-house sorting of the input is conducted. However, the participating companies indicated that knowledge of the detailed composition of the input material stream could contribute to reducing quality problems. Research question 2 (What effects do fluorescent tracer additives have on the material properties of polymers in the compounding and recycling process?) investigates the influence of up-conversion fluorescence tracers on the material properties of polymers under multiple processing. For this purpose, multiple processing by extrusion of PET was simulated and the thermal, mechanical, chemical, rheological, and optical material properties were recorded. A total of up to six extrusion cycles were carried out with four different tracer concentrations, ranging from 0 ppm to 1000 ppm. The results of the study show that the tracer does not influence the degradation processes in PET. The results show the thermo-mechanical degradation processes characteristic of PET, such as chain shortening, a reduction in molecular weight, and the formation of new functional groups. Research question 3 (To what extent does the fluorescence signal of tracer additives remain stable and measurable after multiple recycling cycles?) supplements the investigation scope of the PET samples regarding the detection capability of the fluorescence tracers after multiple processing. The measurements of the up-conversion photoluminescence showed that the fluorescence signal is still detectable and suitable for use in material identification. The tracers exhibit a high degree of stability when subjected to the thermal and mechanical influences associated with polymer processing. A slight change in the fluorescence intensity is attributable to the reduced optical properties in transparency and color (yellowing). Research question 4 (How do the size and distribution of tracer particles influence their fluorescence within a polymer matrix?) focuses on the use case of product identification, which is based on the fluorescence pattern of the individual particles. This question investigates the influence of particle size and spatial arrangement on the fluorescence in the polymer. The literature shows that the particle shape, particle size, and chemical composition significantly influence the fluorescence intensity of the particle. In addition, the fluorescence intensity and area are experimentally investigated depending on the depth position of the particle in the polymer matrix. Therefore, highly transparent PMMA was used as the model material, into which five different particle size distributions were incorporated during processing. It was found that larger particles exhibit a stronger fluorescence than smaller ones and are also detectable when they are embedded deeper in the polymer matrix. If the particles are positioned too deeply in the polymer matrix, differentiation from the background fluorescence is no longer possible. The concluding research question 5 (How can the actual particle size distribution of tracer additives in polymers be determined from the fluorescence patterns?) uses the sample materials from research question 4 and investigates whether it is possible to determine the particle size distributions based on the optical measurement of the fluorescent area. Additionally, it is tested whether the particle size distributions can be distinguished from one another. For this purpose, images of the samples are taken and the fluorescence areas are computer-aided analyzed according to their size. The analysis of the four characteristics, particle number, fluorescence intensity, and D50 and D95 of the fluorescence area distribution, enables a significant differentiation of the five particle size distributions. Furthermore, it is possible to determine a transformation curve for each particle size distribution by smoothing the distribution function using a logistic curve and comparing it with the actual particle distribution function. The determined transformation curve enables an approximation of the particle size distribution to be determined based on the measured fluorescence area distribution. The transferability of this procedure was successfully evaluated on PET. This thesis examines the material compatibility of tracers and polymers and describes the physical effects that are relevant for material and product identification. From a technical perspective, the investigations of tracers show promising results to improve sorting and consequently to obtain higher quality recyclates. In addition, the investigations should be extended to other material groups. The complex chemical structure of both the polymers and the tracers can cause other physical interaction effects to occur. It must be noted that the use of tracers entails the risk of tracer carry-over and consequently new contamination of the material flows. Other innovative identification technologies, such as digital watermarks or image recognition, do not face this issue. At present, tracer technology, digital watermarks, and image recognition are still under development. Therefore, those technologies lack field-proven circular economy figures on costs, throughput, and sorting purity. Nevertheless, these technologies can help to promote the provision of higher-quality recyclates and thus support the conservation of finite resources and environmental protection.
- Verweis
- Quality Aspects in the Compounding of Plastic Recyclate
DOI: 10.3390/recycling8010018 - Effects of Fluorescent Tracer Additives on PET During Material Recycling
DOI: 10.1002/app.56574 - Particle Size Distribution and Fluorescence Patterns of Tracer Additives in Polymers
DOI: 10.1002/ppsc.202500095 - Freie Schlagwörter (DE)
- Kunststoffrecycling, Fluoreszenztracer
- Freie Schlagwörter (EN)
- polymer recycling, fluorescence tracers
- Klassifikation (DDC)
- 528
- Klassifikation (RVK)
- AR 21140
- GutachterIn
- Prof. Dr. Christina Dornack
- Prof. Dr. Jörg Woidasky
- Prof. Dr. Kerstin Kuchta
- Verlag
- Eigenverlag des Forums für Abfallwirtschaft und Altlasten e.V., Pirna
- Den akademischen Grad verleihende / prüfende Institution
- Technische Universität Dresden, Dresden
- Sonstige beteiligte Institution
- Hochschule Pforzheim, Pforzheim
- Version / Begutachtungsstatus
- publizierte Version / Verlagsversion
- URN Qucosa
- urn:nbn:de:bsz:14-qucosa2-1004579
- Veröffentlichungsdatum Qucosa
- 10.12.2025
- Dokumenttyp
- Dissertation
- Sprache des Dokumentes
- Englisch
- Lizenz / Rechtehinweis
- Inhaltsverzeichnis
1 Introduction 1.1 Motivation and Scope 1.2 Research Questions 2 Quality Challenges in Compounding 3 Influence of Tracer Additives on Polymer Properties 4 Fluorescence Signal Stability during Recycling 5 Factors Affecting the Tracer Fluorescence 6 Deriving Particle Size Distribution from Fluorescence Patterns 7 Discussion and Outlook 7.1 Synthesis of Research Results 7.2 Limitations 7.3 Outlook and Future Research 8 References 9 Annex: Full-Text Articles 9.1 Quality Aspects in the Compounding of Plastic Recyclate 9.2 Effects of Fluorescent Tracer Additives on PET During Material Recycling 9.3 Particle Size Distribution and Fluorescence Patterns of Tracer Additives in Polymers