Charakterisierung von Mono- und Multimaterial-Kunststofffolien mittels FTIR-Spektroskopie

Markus Reymaier

Charakterisierung von Mono- und Multimaterial-Kunststofffolien mittels FTIR-Spektroskopie

Translated title of the contribution: Characterisation of mono- and multimaterial plastic films using FTIR-spectroscopy

Markus Reymaier

Chair of Waste Processing Technology and Waste Management (515)

Research output: Thesis › Master's Thesis

Abstract

To maintain a high substitution potential, plastics must be characterised and sorted as precisely as possible. The Fourier transform infrared spectroscopy (FTIR) with its various measurement methods is suitable for this purpose due to its short measurement time and non-destructive analysis. In this master’s thesis, plastic films with a known structure (polymer type, layer thickness) were measured without sample preparation, with attenuated total reflection (ATR), and with minimal sample preparation, in transmission mode. Moreover, to increase the variety of samples and determine the transferability to waste samples, artificial laminates were produced by laying different films on top of each. In addition, standard packaging samples (e.g. stand-up pouches or thermoforming films) with industry-typical specifications (polymer type, layer sequence) were measured.
The spectra were analysed qualitatively using MATLAB. For the qualitative analysis, polymer-specific bands were researched and assigned. A total of nine polymer types (HDPE, MDPE, LLDPE, LDPE, PA, PP, EVOH, COC, PET) were detected. The detection of the polymer type depends on the number of polymers used and their layer thickness.
Using the transmission technique, a qualitative distinction could be made between the monomaterial films LLDPE and HDPE. Multimaterial films with the same specific bands made characterisation more difficult. In the course of this work, it was established that LLDPE and HDPE have a maximum determinable thickness of 100 µm and PET a maximum determinable thickness of 13 µm with the spectrometer used (Agilent Cary 630). Therefore, this measurement technique is of limited use due to the polymer-dependent thickness.
When using the ATR technique, it is only possible to differentiate between LLDPE and HDPE to a limited extent. Furthermore, this technique is suitable for the detection of monomaterial films due to the low penetration depth. As such, the determination of multimaterial films depends on the wavenumber and film thickness. For example, it was found that a plastic film with a skin layer of 1 µm PP and a subsequent HDPE core can be detected more clearly than a plastic film with a 2.5 µm skin layer.
Overall, this master’s thesis shows limitations and potentials for the practice of waste characterisation by transferring basic IR spectroscopic knowledge to complex packaging films.

Translated title of the contribution	Characterisation of mono- and multimaterial plastic films using FTIR-spectroscopy
Original language	German
Qualification	Dipl.-Ing.
Awarding Institution	Montanuniversität
Supervisors/Advisors	Pomberger, Roland, Supervisor (internal) Tischberger-Aldrian, Alexia, Co-Supervisor (internal) Kuhn, Nikolai, Co-Supervisor (internal)
Award date	11 Apr 2025
Publication status	Published - 2025

Bibliographical note

no embargo

Keywords

singlelayer
multilayer
packaging
IR
polymers

Cite this

@mastersthesis{89fc324c9a0c42cba351dac5579ac1ab,

title = "Charakterisierung von Mono- und Multimaterial-Kunststofffolien mittels FTIR-Spektroskopie",

abstract = "Zur Wahrung eines hohen Substitutionspotentials m{\"u}ssen Kunststoffe m{\"o}glichst pr{\"a}zise charakterisiert und sortiert werden. Die Fourier-Transformations-Infrarot-Spektrometer (FTIR) mit ihren verschiedenen Messmethoden ist hierf{\"u}r aufgrund ihrer kurzen Messzeit und zerst{\"o}rungsfreien Analyse geeignet. In dieser Masterarbeit wurden Kunststofffolien mit bekannter Struktur (Polymertyp, Schichtdicke) sowohl ohne Probenvorbereitung, mit der abgeschw{\"a}chten Totalreflexion (ATR), also auch mit geringer Probenvorbereitung, im Transmissionsmodus, gemessen. Anschlie{\ss}end wurden zur Erh{\"o}hung der Probenvielfalt und Feststellung der {\"U}bertragbarkeit auf Abfallproben, k{\"u}nstliche Laminate durch das {\"U}bereinanderlegen verschiedener Folien hergestellt. Zus{\"a}tzlich wurden markt{\"u}bliche Verpackungsproben (z. B. Standbeutel oder Tiefziehfolien) mit industrietypischen Spezifikationen (Polymertyp, Schichtreihenfolge) gemessen. Die Spektren wurden mittels MATLAB qualitativ ausgewertet. Hierf{\"u}r wurden polymerspezifische Banden recherchiert und zugeordnet. Insgesamt konnten neun Polymertypen (HDPE, MDPE, LLDPE, LDPE, PA, PP, EVOH, COC, PET) detektiert werden. Die Detektion des Polymertyps war abh{\"a}ngig von der Anzahl der eingesetzten Polymere sowie deren Schichtdicke. Mithilfe der Transmissionstechnik konnte eine qualitative Unterscheidung zwischen den Monomaterialfolien LLDPE und HDPE getroffen werden. Multimaterialfolien mit denselben spezifischen Banden f{\"u}hren zu einer erschwerten Charakterisierung. Im Zuge dieser Arbeit wurde festgestellt, dass LLDPE und HDPE eine maximal bestimmbare Dicke von 100 µm und PET eine von 13 µm mit dem verwendeten Spektrometer (Agilent Cary 630) aufweisen. Daher ist aufgrund der polymerabh{\"a}ngigen Dicken diese Messtechnik begrenzt anwendbar. Bei der Anwendung der ATR-Technik ist eine Unterscheidung zwischen LLDPE und HDPE limitiert m{\"o}glich. Diese Technik eignet sich aufgrund der geringen Penetrationstiefe f{\"u}r die Detektion von Monomaterial-Folien. Die Bestimmung von Multimaterialfolien ist abh{\"a}ngig von Wellenzahl und Schichtdicke. Beispielsweise konnte festgestellt werden, dass bei einer Kunststofffolie mit einem Skinlayer von 1 µm PP und folgendem HDPE-Kern, dieser ausgepr{\"a}gter nachweisbar ist als bei einer Kunststofffolie mit 2,5 µm Skinlayer. In dieser Masterarbeit konnten durch das {\"U}bertragen von IR-spektroskopischen Grundlagenverst{\"a}ndnis auf komplexe Verpackungsfolien Limitationen und Potenziale f{\"u}r die Praxis der Abfallcharakterisierung aufgezeigt werden.",

keywords = "Singlelayer, Multilayer, Verpackungen, IR, Polymere, singlelayer, multilayer, packaging, IR, polymers",

author = "Markus Reymaier",

note = "nicht gesperrt",

year = "2025",

language = "Deutsch",

school = "Montanuniversit{\"a}t Leoben (000)",

}

TY - THES

T1 - Charakterisierung von Mono- und Multimaterial-Kunststofffolien mittels FTIR-Spektroskopie

AU - Reymaier, Markus

N1 - nicht gesperrt

PY - 2025

Y1 - 2025

N2 - Zur Wahrung eines hohen Substitutionspotentials müssen Kunststoffe möglichst präzise charakterisiert und sortiert werden. Die Fourier-Transformations-Infrarot-Spektrometer (FTIR) mit ihren verschiedenen Messmethoden ist hierfür aufgrund ihrer kurzen Messzeit und zerstörungsfreien Analyse geeignet. In dieser Masterarbeit wurden Kunststofffolien mit bekannter Struktur (Polymertyp, Schichtdicke) sowohl ohne Probenvorbereitung, mit der abgeschwächten Totalreflexion (ATR), also auch mit geringer Probenvorbereitung, im Transmissionsmodus, gemessen. Anschließend wurden zur Erhöhung der Probenvielfalt und Feststellung der Übertragbarkeit auf Abfallproben, künstliche Laminate durch das Übereinanderlegen verschiedener Folien hergestellt. Zusätzlich wurden marktübliche Verpackungsproben (z. B. Standbeutel oder Tiefziehfolien) mit industrietypischen Spezifikationen (Polymertyp, Schichtreihenfolge) gemessen. Die Spektren wurden mittels MATLAB qualitativ ausgewertet. Hierfür wurden polymerspezifische Banden recherchiert und zugeordnet. Insgesamt konnten neun Polymertypen (HDPE, MDPE, LLDPE, LDPE, PA, PP, EVOH, COC, PET) detektiert werden. Die Detektion des Polymertyps war abhängig von der Anzahl der eingesetzten Polymere sowie deren Schichtdicke. Mithilfe der Transmissionstechnik konnte eine qualitative Unterscheidung zwischen den Monomaterialfolien LLDPE und HDPE getroffen werden. Multimaterialfolien mit denselben spezifischen Banden führen zu einer erschwerten Charakterisierung. Im Zuge dieser Arbeit wurde festgestellt, dass LLDPE und HDPE eine maximal bestimmbare Dicke von 100 µm und PET eine von 13 µm mit dem verwendeten Spektrometer (Agilent Cary 630) aufweisen. Daher ist aufgrund der polymerabhängigen Dicken diese Messtechnik begrenzt anwendbar. Bei der Anwendung der ATR-Technik ist eine Unterscheidung zwischen LLDPE und HDPE limitiert möglich. Diese Technik eignet sich aufgrund der geringen Penetrationstiefe für die Detektion von Monomaterial-Folien. Die Bestimmung von Multimaterialfolien ist abhängig von Wellenzahl und Schichtdicke. Beispielsweise konnte festgestellt werden, dass bei einer Kunststofffolie mit einem Skinlayer von 1 µm PP und folgendem HDPE-Kern, dieser ausgeprägter nachweisbar ist als bei einer Kunststofffolie mit 2,5 µm Skinlayer. In dieser Masterarbeit konnten durch das Übertragen von IR-spektroskopischen Grundlagenverständnis auf komplexe Verpackungsfolien Limitationen und Potenziale für die Praxis der Abfallcharakterisierung aufgezeigt werden.

AB - Zur Wahrung eines hohen Substitutionspotentials müssen Kunststoffe möglichst präzise charakterisiert und sortiert werden. Die Fourier-Transformations-Infrarot-Spektrometer (FTIR) mit ihren verschiedenen Messmethoden ist hierfür aufgrund ihrer kurzen Messzeit und zerstörungsfreien Analyse geeignet. In dieser Masterarbeit wurden Kunststofffolien mit bekannter Struktur (Polymertyp, Schichtdicke) sowohl ohne Probenvorbereitung, mit der abgeschwächten Totalreflexion (ATR), also auch mit geringer Probenvorbereitung, im Transmissionsmodus, gemessen. Anschließend wurden zur Erhöhung der Probenvielfalt und Feststellung der Übertragbarkeit auf Abfallproben, künstliche Laminate durch das Übereinanderlegen verschiedener Folien hergestellt. Zusätzlich wurden marktübliche Verpackungsproben (z. B. Standbeutel oder Tiefziehfolien) mit industrietypischen Spezifikationen (Polymertyp, Schichtreihenfolge) gemessen. Die Spektren wurden mittels MATLAB qualitativ ausgewertet. Hierfür wurden polymerspezifische Banden recherchiert und zugeordnet. Insgesamt konnten neun Polymertypen (HDPE, MDPE, LLDPE, LDPE, PA, PP, EVOH, COC, PET) detektiert werden. Die Detektion des Polymertyps war abhängig von der Anzahl der eingesetzten Polymere sowie deren Schichtdicke. Mithilfe der Transmissionstechnik konnte eine qualitative Unterscheidung zwischen den Monomaterialfolien LLDPE und HDPE getroffen werden. Multimaterialfolien mit denselben spezifischen Banden führen zu einer erschwerten Charakterisierung. Im Zuge dieser Arbeit wurde festgestellt, dass LLDPE und HDPE eine maximal bestimmbare Dicke von 100 µm und PET eine von 13 µm mit dem verwendeten Spektrometer (Agilent Cary 630) aufweisen. Daher ist aufgrund der polymerabhängigen Dicken diese Messtechnik begrenzt anwendbar. Bei der Anwendung der ATR-Technik ist eine Unterscheidung zwischen LLDPE und HDPE limitiert möglich. Diese Technik eignet sich aufgrund der geringen Penetrationstiefe für die Detektion von Monomaterial-Folien. Die Bestimmung von Multimaterialfolien ist abhängig von Wellenzahl und Schichtdicke. Beispielsweise konnte festgestellt werden, dass bei einer Kunststofffolie mit einem Skinlayer von 1 µm PP und folgendem HDPE-Kern, dieser ausgeprägter nachweisbar ist als bei einer Kunststofffolie mit 2,5 µm Skinlayer. In dieser Masterarbeit konnten durch das Übertragen von IR-spektroskopischen Grundlagenverständnis auf komplexe Verpackungsfolien Limitationen und Potenziale für die Praxis der Abfallcharakterisierung aufgezeigt werden.

KW - Singlelayer

KW - Multilayer

KW - Verpackungen

KW - IR

KW - Polymere

KW - singlelayer

KW - multilayer

KW - packaging

KW - IR

KW - polymers

M3 - Masterarbeit

ER -