A triagem de resíduos plásticos conforme sua cor e tipo de material usando sensores de radiação infravermelha tem funcionado muito bem. Sistemas complementares para processamento de imagens associados à inteligência artificial (IA) fornecem informações adicionais para a classificação de embalagens plásticas. A iniciativa HolyGrail 2.0 (Santo Graal 2.0) visa promover melhorias no processo de classificação como, por exemplo, o desenvolvimento de um método para aplicação das chamadas marcas d' água digitais, em que a informação assim armazenada não é só sobre o tipo de plástico, mas também sobre todos os aspectos relacionados à aplicação pretendida (por exemplo, alimentar ou não alimentar). As marcas d' água digitais são aplicadas sobre a superfície do respectivo frasco, mas de forma invisível para o consumidor. Elas podem então ser detectadas usando sistemas de câmeras.

Há diferentes processos de impressão, um baseado em filme (bidimensional) e outro baseado em ferramental (tridimensional). Os micropontos (bidimensionais) e microprotuberâncias (tridimensionais) assim gerados e aplicados sob distâncias codificadas estendemse por uma área de 22 x 22 milímetros sobre o respectivo objeto, formando assim a marca d’água digital. Esta é então replicada em toda a superfície do objeto feito de plástico.

 

As dificuldades da HolyGrail 2.0

 

Uma vez que o processo óptico se baseia no uso de contraste, as resinas com cores claras, em particular, provavelmente representarão um desafio no que diz respeito à legibilidade da codificação. Isso se deve principalmente ao fato de o processo de triagem envolver a análise de material amassado e contaminado, que passa pelas câmeras sob uma velocidade de aproximadamente 3 m/s a uma distância de algumas centenas de milímetros.

Além disso, uma vez que os objetos tenham sido triturados, provavelmente o reconhecimento do código será quase impossível. Outro fator diz respeito ao processo de extrusão, em que o código digital se funde e a informação armazenada é então perdida. Também se faz necessário considerar a complexidade de alguns componentes ou a estrutura de sua superfície, como é o caso de malhas presentes em embalagens flexíveis, espumas ou têxteis, que tornam quase impossível a aplicação de marcas d’água bi ou tridimensionais.

 

Marcadores duradouros e resistentes

Para poder controlar a passagem pelo processo de reciclagem, imediatamente antes ou depois da extrusão da resina reciclada, deve ser introduzida na matriz plástica uma marcação ou codificação permanente, resistente ao processamento e à temperatura. Isso permite preencher lacunas na monitoração de materiais, especialmente no que tange à identidade, origem e qualidade. Os marcadores consistem tipicamente em micropartículas inorgânicas fosforescentes. Devido ao seu tamanho e às suas propriedades inertes, elas podem ser incorporadas em praticamente todos os plásticos de engenharia, incluindo fibras feitas de poliamida (PA), bem como fios e fitas plásticas com espessura de alguns centésimos de milímetro.

O fato de os marcadores poderem ser integrados ao plástico sem interferir nos processos estabelecidos constitui uma grande vantagem. A empresa Gabriel-Chemie desenvolveu, sob a marca registrada TagTec (Taggant Technology), masterbatches que têm marcadores em sua composição (figura no início deste artigo). Eles garantem a integração de informações por meio de marcadores presentes na matriz plástica, que são adaptados cuidadosamente à respectiva aplicação e não influenciam as propriedades do produto final.

 

Pigmentos luminescentes e robustos

 

A base para os marcadores TagTec são pigmentos luminescentes inorgânicos desenvolvidos e fabricados na planta industrial situada em Breitungen (Alemanha). Devido à sua composição inorgânica, os pigmentos são muito estáveis e insensíveis a influências químicas e físicas. Isso significa que os produtos feitos com plásticos ainda podem ser identificados e reciclados com segurança, mesmo após longos ciclos de vida, contaminação e uso intenso. Com tamanho de partícula entre 2 e 8 µm, os marcadores são invisíveis ao olho humano e não alteram as propriedades do produto devido ao seu pequeno tamanho.

Outra vantagem proporcionada pela marcação baseada nesses pigmentos luminescentes é a inocuidade toxicológica de um grande número de materiais que os constituem. Alguns são até aprovados para ter contato com alimentos e atendem aos requisitos do padrão Öko-Tex (sistema de certificação internacional que estabelece padrões rigorosos para produtos têxteis em relação à sua segurança ecológica e ao impacto sobre a saúde humana). Os pigmentos podem ser facilmente integrados às matrizes poliméricas usando masterbatches. Foram desenvolvidos de forma a combinar alta eficiência com boa durabilidade e fácil processamento. Para que o uso deles seja eficiente, é necessária a aplicação de marcadores que apresentem alta luminescência, pois, devido a aspectos econômicos, suas concentrações devem ser muito baixas. Os marcadores podem ser fabricados em grandes quantidades e apresentam sempre o mesmo nível de qualidade. A resposta espectral dos pigmentos TagTec, por exemplo, na área alimentar, será sempre a mesma e poderá ser distinguida de forma permanente e confiável de outras marcações TagTec.

 

Fluorescência ou fosforescência

Além da eficiência dos marcadores, o desempenho econômico do sistema é influenciado de forma significativa pela sua capacidade de detecção. Foi necessário otimizar a tecnologia dos sensores fabricados pela Sensor Instruments para a detecção desses marcadores. A cundária após o desligamento da luz de excitação (figura 1). Um parâmetro característico associado a essa propriedade é a constante de tempo Tau. Se a fluorescência de um marcador em uma determinada faixa de comprimento de onda for medida simultaneamente com a excitação, serão necessários filtros ópticos para separar a excitação da emissão. Além da intensidade da emissão em uma dada faixa espectral, a distribuição aleatória das partículas marcadoras contidas dentro da área de uma seção pode ser usada como informação.

Fig. 1 – Os pigmentos luminescentes são excitados pela luz, sendo então medidas suas emissões. Os resultados podem ser visualizados usando-se um software de avaliação (Sensor Instruments)

Se a superfície de uma peça plástica for iluminada com a luz de excitação associada a um marcador, e a imagem fluorescente for visualizada em uma câmera adequada, as partículas do marcador gerarão uma imagem semelhante a um céu estrelado (figura 2). A distribuição de pontos assim gerada pode ser criptografada matematicamente, salva em uma nuvem de dados e usada para a autenticação de produtos específicos. A segurança contra falsificação não resulta da intensidade luminosa ou das características de emissão do marcador, mas sim da distribuição aleatória dos pontos luminosos selecionados.

Fig. 2 – Ao selecionar pontos marcadores específicos, ou seja, uma rede de marcadores, pode-se estabelecer uma identificação específica para um dado produto. Essa informação é armazenada e pode ser usada posteriormente para identificar materiais (Gabriel Chemie)

A Sensor Instruments usa esse processo sob a marca registrada Lumi-Star. O uso de marcadores fosforescentes é conveniente para a identificação de materiais plásticos, pois não é necessário dispor de um banco de dados. Na verdade, é mais relevante para a detecção que os marcadores usados não se influenciem visualmente de forma mútua. Em todos os marcadores fosforescentes a excitação ocorre mediante à aplicação de um flash de luz muito curto, mas intenso e com banda estreita. Esse pulso de luz faz com que o respectivo tipo de marcador fosforescente, que é sensível a esta faixa de comprimento de onda, continue a brilhar. A intensidade (Int) do brilho residual fornece informações sobre a quantidade de marcadores no respectivo produto, enquanto o tempo de decaimento (Tau) fornece uma indicação do respectivo marcador dentro de uma família de marcadores. A duração do eco óptico, definida pela constante de tempo, depende do tipo de marcador e situa-se aproximadamente na faixa entre 100 e 1.000 µs. Os marcadores podem ser detectados tanto nas embalagens, nos flakes, após a trituração, e nos grânulos, após a extrusão. A Sensor Instruments oferece detectores específicos para a detecção do parâmetro Tau associado à família de produtos Lumi-Tau.

 

Quatro áreas de aplicação para os masterbatches

Os masterbatches que têm marcadores, desenvolvidos especialmente para o sistema TagTec, têm como objetivo garantir a detectabilidade especificada e, ao mesmo tempo, promover a implementação sob custos otimizados. Os sistemas TagTec podem ser basicamente divididos nas áreas descritas a seguir.

A área de autenticação de produtos inclui os campos de reconhecimento e segurança de produtos, o que significa que podem ser implementadas tarefas que variam desde simples a complexas, e com níveis de segurança desde baixos a muito altos. Além disso, é possível efetuar a transferência de informações através de formulações de marcadores. Soluções sob medida podem ser criadas usando formulações de marcadores específicas para um dado cliente, de acordo com os níveis funcionais e de segurança desejados. Elas podem ser usadas em vários processos e também são adequadas para aplicações de reciclagem.

A área de detecção de material (processo Tau) refere-se a todas as formulações com marcadores que são usadas especificamente para o processo descrito anteriormente. Elas podem ser usadas para a detecção de material em circuito fechado, independentemente do local e formato, bem como para detecção da fração de material reciclado presente em um plástico. A área de detecção de peças individuais (processo Star) inclui todas as formulações de marcadores que são otimizadas para aplicações envolvendo o uso de sensores de código Star em diferentes faixas de comprimento de onda.

 

Além disso, é possível implementar diversos outros aspectos funcionais usando a tecnologia TagTec, incluindo, por exemplo, a medição do alongamento ou desgaste do material, o controle da dosagem em correlação com aditivos especiais em resinas e o projeto de diversas aplicações de medição, controle e montagem. Um sistema de depósito-e-reembolso também pode ser facilmente implementado de diferentes maneiras.

Podem ser implementadas funcionalidades individuais ou combinações de várias delas com os masterbatches TagTec já desenvolvidos. Isso é possível porque os diferentes sistemas de marcadores podem ser combinados entre si. Eles não se influenciam negativamente ao serem incorporados em uma mesma formulação. As variantes de marcadores usadas são todas invisíveis ao olho humano, insípidas e inodoras, sendo constituídas de partículas inorgânicas inertes que são estáveis sob altas temperaturas, resistentes ao cisalhamento e à radiação ultravioleta, e não afetam a qualidade e as propriedades mecânicas do componente.

Os masterbatches TagTec também podem ser concebidos como uma combinação de masters contendo corantes e aditivos. Em muitos casos esta abordagem pode agregar valor de forma significativa, especialmente na reciclagem de plásticos, porque, além dos marcadores, frequentemente também são incorporados corantes e aditivos. Além do tipo de resina e da fração de material reciclado, os marcadores também podem ser usados para registrar o teor do estabilizador dosado durante a transformação do material e, posteriormente, detectá-lo novamente.

Basicamente, o uso de masterbatches é feito da seguinte maneira: o primeiro ciclo de vida de uma embalagem plástica começa, por exemplo, com um polímero virgem e um masterbatch TagTec correspondente, que é selecionado levando em consideração a respectiva área de aplicação. Assim, as unidades de dosagem podem ser usadas para determinar a concentração dos marcadores na embalagem. São usados sensores para verificar se o marcador correto se encontra na concentração certa (figura 3). Após o processo de extrusão subsequente as partículas marcadoras ficam distribuídas aleatoriamente na matriz da resina. Os sistemas de câmeras Star permitem registrar um código individual para cada embalagem plástica. Enquanto uma área medindo 10 x 10 milímetros é iluminada em uma determinada posição da embalagem, usando luz com comprimento de onda de excitação apropriado, as partículas marcadoras são estimuladas a fluorescer e, assim, apresentam um “padrão estrela” específico. A constelação de partículas luminosas é armazenada no sistema, de forma codificada, para cada embalagem plástica (figura 4).

Fig. 3 – Os masterbatches são incorporados normalmente no processo de extrusão. As medidas efetuadas pelos sensores permitem verificar se se trata do marcador correto na quantidade certa. Fonte: Sensor Instruments; Gráfico: Hanser)

Fig. 4 – O padrão estrela é específico para cada embalagem (Fonte: Sensor Instruments; Gráfico: Hanser)

 

Monitoramento da cadeia de suprimentos com blockchain

A tecnologia Tau pode ser usada para verificar se o marcador correto foi usado na concentração apropriada para o respectivo grupo de produtos. Os dados podem ser repassados de forma criptografada ao software de monitoramento da cadeia de suprimentos. Se necessário, a tecnologia de blockchain (cadeia ou corrente de blocos de informações interconectados, onde cada bloco contém dados que são registrados e armazenados de forma segura e imutável) pode ser usada para rastrear o grupo de produtos durante todo o seu ciclo de vida. É possível efetuar o controle em vários pontos da cadeia de abastecimento usando dispositivos em linha e móveis. O código do grupo pode ser monitorado com a ajuda dos dispositivos Tau, enquanto os dispositivos Star detectam o código que se aplica especificamente ao respectivo objeto.

As embalagens plásticas geralmente chegam à reciclagem amassadas. Nesse momento o fluxo de produtos é primeiramente pré-classificado, usando câmeras com imagem colorida e radiação infravermelha próxima. Os detectores Tau então procuram objetos contendo o marcador TagTec. Dependendo do tipo de marcador reconhecido, ocorre então a classificação ou separação do fluxo de produto restante. A fração do respectivo material TagTec, tanto após a trituração quanto após a extrusão, pode ser determinada usando os leitores Tau. Subsequentemente, outro processo produtivo pode ser iniciado, agora com material reciclado em vez de virgem (figura 5). A proporção do marcador é então equilibrada de maneira correspondente, usando ambas as unidades de dosagem.

Fig. 5 – No caso de resinas recicladas, a quantidade do masterbatch é ajustada conforme a concentração de marcadores TagTec contidos no reciclado, para que corresponda exatamente ao produto que está sendo fabricado (Fonte: Sensor Instruments; Gráfico: Hanser)

Os masterbatches TagTec e a tecnologia do sensor Tau a eles associada permitem a verificação do uso pretendido para a respectiva resina em todas as seções do circuito fechado. A tecnologia também é indicada para a detecção de fios, fitas e tubos plásticos, bem como componentes com geometria complexa, tecidos e espumas. O uso dos sensores Star possibilita uma individualização adicional de cada objeto específico. Assim, isso pressupõe a criação de um código de referência para cada objeto, mais a subsequente transferência do código para a nuvem digital, de forma criptografada.

 

Combinando os marcadores e a HolyGrail

A aplicação de marcas d'água digitais da iniciativa HolyGrail 2.0 requer que o molde de injeção ou o cilindro de impressão usados para a fabricação de itens plásticos sejam submetidos a um processo adicional durante a sua fabricação. O ferramental para moldagem por injeção é geralmente submetido a processos adicionais de texturização a laser, sendo fornecidos com um código correspondente. Este código específico está associado ao molde de injeção, mas não à respectiva peça moldada. Essa etapa do processo não é imposta pelo uso de marcadores. Porém, devido aos diferentes tipos de aplicação e inserção, bem como aos diversos métodos de detecção, o método do marcador TagTec também pode ser combinado com o uso de marcas d'água digitais.