Traceability of injection moulded plastic products
Paavolainen, Unna (2023)
Paavolainen, Unna
2023
Materiaalitekniikan DI-ohjelma - Master's Programme in Materials Engineering
Tekniikan ja luonnontieteiden tiedekunta - Faculty of Engineering and Natural Sciences
This publication is copyrighted. Only for Your own personal use. Commercial use is prohibited.
Hyväksymispäivämäärä
2023-05-23
Julkaisun pysyvä osoite on
https://urn.fi/URN:NBN:fi:tuni-202304284828
https://urn.fi/URN:NBN:fi:tuni-202304284828
Tiivistelmä
Plastics are an essential part of our everyday lives. Due to this, plastics have become one of the most used materials and the demand for it has been increasing rapidly over the last decades. As circular economy becomes more fundamental, the subject of plastic waste and its environmental impact are of high interest. The current process of plastic recycling is confronted with quality issues due to the variability of post-consumer plastic waste. As a result, the applications which can use recycled plastic raw materials are restricted. In order to reach the European as well as national recycling targets set by legislation, changes to the post-consumer plastic recycling process must be made.
Applying traceability to plastic recycling could be very beneficial in improving the quality of recycled plastic raw material. Traceability could be achieved with different markers on consumer plastic products which could be recognized at a plastic recycling facility. Using such markers, specific plastic waste products could be singled out from the waste stream and separated into a different waste pool. With such procedure, a better-quality recycled plastic raw material could be a possibility and thus allowing wider applicability. In addition to implementing a marker, investigation of their corresponding recognition technologies was explored, through which efficient identification of the markers can be achieved. The typical recognition technology, near infrared spectroscopy is capable of material classification but more specialized technology is required for unique marker identification.
This thesis investigated the current quality of recycled post-industrial and post-consumer plastic raw material. Trials were performed to produce freezer box structures to be used as samples for testing. Appropriate migration tests were conducted to determine the presence of non-intentionally added substances, phthalates, and other compounds in accordance with EU 10/2011 REACH regulation. In addition, impact testing and flexural testing was conducted to simulate the handling of a product. The test results showed that the difference between virgin and recycled plastic raw material is not as great as it may have been assumed. The test results support that with more accurate sorting, reaching food contact approval for recycled plastic may be possible.
The aim of this study was to investigate methods of improving plastic recycling with different marking technologies. The study focused on understanding the main function of the technologies, analysing their advantages, limitations, and compatibility with injection moulding process. In addition, the aspect of utilizing markers in food contact plastic packaging was investigated as it establishes some constraints on the nature of markers. The studied marking technologies were compared by examining the most significant features of each technology. Via analysis, the best combination of marker and its corresponding identification technology was deduced for injection moulding process.
A barcode or QR-code utilized in the form of digital watermarks combined with a computer vision-based camera was selected due to the systems low cost, accurate information transfer, and unique identification competence. Furthermore, this system had additional benefits such as minimal change to current recycling and product schemes and excellent test results from an on-going project. In addition, it has great potential to diversify into other recycling applications and thus universalizing the system. This thesis is part of a Business Finland funded research and development programme SPIRIT, which used the findings of the thesis as baseline determination and primary theoretical review. The investigation of this subject within the concept will continue with further testing of recycled materials and reliability analysis of the selected technologies. Muovituotteet ovat osa jokapäiväistä elämäämme. Tästä johtuen, muovista on tullut yksi käytetyimmistä materiaaleista ja sen kysyntä on kasvanut runsaasti viime vuosikymmenten aikana. Koska kiertotalouden tärkeys kasvaa jatkuvasti, kiinnostus muovijätteen prosessointiin ja ympäristövaikutuksien minimointiin lisääntyy. Tämän hetken kierrätysmuovin laatu on hyvin heikkoa johtuen muun muassa vaihtelevasta kuluttajamuovipakkauksista ja muovinkierrätysprosessista. Tämän vuoksi kierrätysmuoville on vain rajattu määrä käyttökohteita. Jotta eurooppalaisiin ja kansallisiin kierrätystavoitteisiin pääsy olisi realistista, muutoksia tarvitsee tehdä kuluttajamuovijätteen kierrätysprosessiin.
Aiheeseen liittyen on monia meneillään olevia tutkimusprojekteja, joissa tutkitaan erilaisia pakkausten merkintämenetelmiä ja miten merkinnät voitaisiin tunnistaa muovinkierrätyslaitoksilla. Tuotemerkintöjen avulla tietyt tuotteet pystyttäisiin erottelemaan normaalista muovijätevirrasta ja luoda kokonaan uusi kierrätysryhmä. Tämän prosessin avulla voitaisiin tuottaa laadukkaampaa kierrätysmuoviraaka-ainetta, jota voitaisiin käyttää laajemmin eri käyttökohteissa. Tutkimusprojektit tarkastelevat myös tuotemerkintöjen vaatimia tunnistusteknologioita, joiden avulla merkintöjen tehokas identifiointi on mahdollista. Yleisin tunnistusmekanismi, infrapunaspektroskopia pystyy materiaaliluokitteluun mutta erikoistuneempaa teknologiaa tarvitaan merkintöjen tunnistamiseksi.
Tässä työssä tutkittiin kierrätysmuoviraaka-aineen tämänhetkistä laatua niin tehdaslähtöisen kuin kuluttajalähtöisen materiaalin näkökulmasta. Koeajoissa valmistettiin näytetuotteita pakastusrasiarakenteelle, joille teetettiin erinäisiä testejä. Migraatiotesteissä määriteltiin eri haitta-aineiden olemassaoloa näytteissä. Muun muassa EU 10/2011 REACH-asetuksen mukaiset yhdisteet testattiin. Tämän lisäksi testikappaleille suoritettiin isku- sekä taivutuslujuus testauksia, joiden tarkoituksena oli simuloida tuotteen käyttötarkoitusta. Testitulokset osoittivat, että neitseellisen muovin ja kierrätysmuovin laadut ovat lähempänä toisiaan kuin alun perin on ajateltu. Tuloksista voidaan päätellä, että yksityiskohtaisemmalla lajittelulla kierrätysmuovin käyttö ruokakontaktissa on hyvin mahdollista.
Työn tarkoituksena oli tutkia eri merkintämenetelmiä. Työ keskittyi merkintämenetelmien toiminnan ymmärtämiseen, vahvuuksien ja heikkouksien analysointiin, sekä yhteensopivuuteen ruiskuvaluprosessin kanssa. Myös merkintöjen käyttöä elintarvikepakkauksissa tarkasteltiin sillä elintarvikekontakti aiheuttaa rajoitteita merkintävaihtoehtoihin. Monia merkintämenetelmiä vertailtiin keskenään painottaen jokaisen teknologian tärkeimpiä piirteitä. Vertailun avulla paras merkintämenetelmä ja sen vaatima tunnistusteknologia valittiin ruiskuvaluprosessin näkökulmasta.
Konenäköpohjainen kamerasysteemi yhdistelmänä viiva- tai QR-koodattuun tuotteeseen digitaalisen vesileiman muodossa valikoitui parhaaksi kombinaatioksi vertailussa. Yhdistelmän parhaat ominaisuudet ovat muun muassa matalat kustannukset, hyvän tiedonkulku, ja erikoistunnistuksen mahdollisuus kamerateknologialla. Lisäksi olemassa oleviin kierrätysjärjestelmiin vaaditaan vain minimaalisia muutoksia ja systeemiä voidaan yleistää myös muihin kierrätyksen aloihin. Tämän tutkimustyön teoriapohja ja tulokset ovat osa laajempaa muoviteollisuuden Business Finlandin tukemaa SPIRIT-hanketta. Hankkeen seuraavat vaiheet sisältävät kierrätysmateriaalien lisätestausta sekä luotettavuuden kartoittamista.
Applying traceability to plastic recycling could be very beneficial in improving the quality of recycled plastic raw material. Traceability could be achieved with different markers on consumer plastic products which could be recognized at a plastic recycling facility. Using such markers, specific plastic waste products could be singled out from the waste stream and separated into a different waste pool. With such procedure, a better-quality recycled plastic raw material could be a possibility and thus allowing wider applicability. In addition to implementing a marker, investigation of their corresponding recognition technologies was explored, through which efficient identification of the markers can be achieved. The typical recognition technology, near infrared spectroscopy is capable of material classification but more specialized technology is required for unique marker identification.
This thesis investigated the current quality of recycled post-industrial and post-consumer plastic raw material. Trials were performed to produce freezer box structures to be used as samples for testing. Appropriate migration tests were conducted to determine the presence of non-intentionally added substances, phthalates, and other compounds in accordance with EU 10/2011 REACH regulation. In addition, impact testing and flexural testing was conducted to simulate the handling of a product. The test results showed that the difference between virgin and recycled plastic raw material is not as great as it may have been assumed. The test results support that with more accurate sorting, reaching food contact approval for recycled plastic may be possible.
The aim of this study was to investigate methods of improving plastic recycling with different marking technologies. The study focused on understanding the main function of the technologies, analysing their advantages, limitations, and compatibility with injection moulding process. In addition, the aspect of utilizing markers in food contact plastic packaging was investigated as it establishes some constraints on the nature of markers. The studied marking technologies were compared by examining the most significant features of each technology. Via analysis, the best combination of marker and its corresponding identification technology was deduced for injection moulding process.
A barcode or QR-code utilized in the form of digital watermarks combined with a computer vision-based camera was selected due to the systems low cost, accurate information transfer, and unique identification competence. Furthermore, this system had additional benefits such as minimal change to current recycling and product schemes and excellent test results from an on-going project. In addition, it has great potential to diversify into other recycling applications and thus universalizing the system. This thesis is part of a Business Finland funded research and development programme SPIRIT, which used the findings of the thesis as baseline determination and primary theoretical review. The investigation of this subject within the concept will continue with further testing of recycled materials and reliability analysis of the selected technologies.
Aiheeseen liittyen on monia meneillään olevia tutkimusprojekteja, joissa tutkitaan erilaisia pakkausten merkintämenetelmiä ja miten merkinnät voitaisiin tunnistaa muovinkierrätyslaitoksilla. Tuotemerkintöjen avulla tietyt tuotteet pystyttäisiin erottelemaan normaalista muovijätevirrasta ja luoda kokonaan uusi kierrätysryhmä. Tämän prosessin avulla voitaisiin tuottaa laadukkaampaa kierrätysmuoviraaka-ainetta, jota voitaisiin käyttää laajemmin eri käyttökohteissa. Tutkimusprojektit tarkastelevat myös tuotemerkintöjen vaatimia tunnistusteknologioita, joiden avulla merkintöjen tehokas identifiointi on mahdollista. Yleisin tunnistusmekanismi, infrapunaspektroskopia pystyy materiaaliluokitteluun mutta erikoistuneempaa teknologiaa tarvitaan merkintöjen tunnistamiseksi.
Tässä työssä tutkittiin kierrätysmuoviraaka-aineen tämänhetkistä laatua niin tehdaslähtöisen kuin kuluttajalähtöisen materiaalin näkökulmasta. Koeajoissa valmistettiin näytetuotteita pakastusrasiarakenteelle, joille teetettiin erinäisiä testejä. Migraatiotesteissä määriteltiin eri haitta-aineiden olemassaoloa näytteissä. Muun muassa EU 10/2011 REACH-asetuksen mukaiset yhdisteet testattiin. Tämän lisäksi testikappaleille suoritettiin isku- sekä taivutuslujuus testauksia, joiden tarkoituksena oli simuloida tuotteen käyttötarkoitusta. Testitulokset osoittivat, että neitseellisen muovin ja kierrätysmuovin laadut ovat lähempänä toisiaan kuin alun perin on ajateltu. Tuloksista voidaan päätellä, että yksityiskohtaisemmalla lajittelulla kierrätysmuovin käyttö ruokakontaktissa on hyvin mahdollista.
Työn tarkoituksena oli tutkia eri merkintämenetelmiä. Työ keskittyi merkintämenetelmien toiminnan ymmärtämiseen, vahvuuksien ja heikkouksien analysointiin, sekä yhteensopivuuteen ruiskuvaluprosessin kanssa. Myös merkintöjen käyttöä elintarvikepakkauksissa tarkasteltiin sillä elintarvikekontakti aiheuttaa rajoitteita merkintävaihtoehtoihin. Monia merkintämenetelmiä vertailtiin keskenään painottaen jokaisen teknologian tärkeimpiä piirteitä. Vertailun avulla paras merkintämenetelmä ja sen vaatima tunnistusteknologia valittiin ruiskuvaluprosessin näkökulmasta.
Konenäköpohjainen kamerasysteemi yhdistelmänä viiva- tai QR-koodattuun tuotteeseen digitaalisen vesileiman muodossa valikoitui parhaaksi kombinaatioksi vertailussa. Yhdistelmän parhaat ominaisuudet ovat muun muassa matalat kustannukset, hyvän tiedonkulku, ja erikoistunnistuksen mahdollisuus kamerateknologialla. Lisäksi olemassa oleviin kierrätysjärjestelmiin vaaditaan vain minimaalisia muutoksia ja systeemiä voidaan yleistää myös muihin kierrätyksen aloihin. Tämän tutkimustyön teoriapohja ja tulokset ovat osa laajempaa muoviteollisuuden Business Finlandin tukemaa SPIRIT-hanketta. Hankkeen seuraavat vaiheet sisältävät kierrätysmateriaalien lisätestausta sekä luotettavuuden kartoittamista.