(57)【要約】【課題】簡便で高精度にプラスチック材質を判別する。【解決手段】プラスチック材質判別において、プラスチック材からなる物品の遠紫外スペクトルを測定し、次に、遠紫外スペクトルの吸収バンドの吸収端近傍のスペクトル特性より上記物品の材質を分別する。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
プラスチック材からなる物品の紫外スペクトルを測定し、
紫外スペクトルの吸収バンドの吸収端近傍のスペクトル特性より上記物品の材質を分別する
プラスチック材質判別方法。
【請求項２】
上記吸収端近傍のスペクトル特性は、カットオフ波長であることを特徴とする請求項１に記載されたプラスチック材質判別方法。
【請求項３】
上記材質は、ポリスチレン、ポリエチレン、ポリエチレンテレフタレート、ポリプロピレン、ポリ塩化ビニルの中の少なくとも１つを含むことを特徴とする請求項１に記載されたプラスチック材質判別方法。
【請求項４】
プラスチック材からなる物品を測定対象として載置可能な紫外光透過性の板部材と、
紫外光を発生する光源と、
入射する紫外光を検出する紫外光検出器と、
酸素ガスを含まない環境の中にあって、上記光源により発生された紫外光を分光して上記板部材に案内し、板部材の上の物品からの反射光を上記紫外光検出器に案内する光学系と、
上記紫外光検出器から入力された信号から上記物品の材質を判別する信号処理部と
からなるプラスチック材質判別装置。
【請求項５】
上記板部材は、入射光を屈折する窓板であることを特徴とする請求項４に記載されたプラスチック材質判別装置。
【請求項６】
上記板部材は、入射光を全反射する全反射減衰光学プローブであることを特徴とする請求項４に記載されたプラスチック材質判別装置。
【請求項７】
さらに、上記信号処理部による判別結果を表示する表示装置を備えることを特徴とする請求項４から６のいずれかに記載されたプラスチック材質判別装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、プラスチックの分光分析に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、地球規模での環境変化や資源不足が懸念されており、生活用品のリサイクル利用の必要性が増している。廃棄されたプラスチック材を再利用するには、プラスチック材を材質別に分別して回収しなければならない。その１つの方法では、プラスチック材に近赤外領域の光を照射し、プラスチック材からの反射光または透過光を分光分析して材質を判別する（たとえば、特開２００２−２１４１３６号公報と特開２００２−２６７６０１号公報）。
【０００３】
プラスチックボトルやシートとして用いられているプラスチック材としては、ポリスチレン、ポリエチレン、ポリエチレンテレフタレート、ポリプロピレン、ポリ塩化ビニルなどがある。これらの近赤外領域における吸収スペクトルは、特開平９−８９７６８号公報の図３や特開２００２−２１４１３６号公報の図３に示されるようにそれぞれ異なってはいるが、プラスチック材はいずれも基本的に炭化水素系の高分子であるため、スペクトルが類似している。特に市販の製品には加工性や耐久性の関係で、製品ごとに様々な添加物が混入しており、その判別を困難にしている。誤判定を軽減するために、主成分分析などの多変量解析やニューラルネットワークなどの手法が用いられるが、それでも判別が難しい場合が少なくない。したがって、プラスチック分別回収現場においてプラスチック材質判別の精度を向上させることが望まれている。
【０００４】
ところで、本発明は紫外領域での分光測定に関するものであるが、一般に有機物質について紫外領域で電子遷移による吸収が起こることはよく知られている。しかし、これまで、紫外領域でのプラスチック材質の吸収スペクトルを比較測定し、そのスペクトルの特性の違いをプラスチック材質の特定や判別に利用しようという試みはなされていなかった。特に真空紫外領域といわれる２００ｎｍ以下の波長領域では、空気中の酸素の紫外吸収が大きいため、測定環境を真空とするか、あるいは、その波長領域でも紫外吸収のない不活性なガス（窒素やアルゴンなど）で置換する必要があるため、紫外分光は一般的に産業上での利用が敬遠されてきた。このように、遠紫外分光の応用は、酸素の強い吸収により測定環境が制限されていたため、一般的でなかったが、近年は、真空排気の代わりに窒素パージを用いることにより遠紫外分光測定がより容易になってきた。しかし、遠紫外分光はなお解析方法としてあまり注目されていない。
【０００５】
遠紫外分光を用いた分析について従来の技術を調べると、特開平１１−５１７５１号公報には、紫外スペクトルを用いて、スチレンやブタジエンのラテックスの紙へのコーティングに伴う塗工量を測定することが記載されている。ここで、赤外領域より吸収の大きい紫外領域でスペクトルを測定し、特定波長（たとえば２２０ｎｍと２６０ｎｍ)での反射率からコーティング重量を得ている。
【特許文献１】特開２００２−２１４１３６号公報
【特許文献２】特開２００２−２６７６０１号公報
【特許文献３】特開平９−８９７６８号公報
【特許文献４】特開平１１−５１７５１号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
本発明の目的は、簡便で高精度なプラスチック材質の判別方法及び装置を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明に係るプラスチック材質判別方法では、プラスチック材からなる物品の紫外スペクトルを測定し、次に、紫外スペクトルの吸収バンドの吸収端近傍のスペクトル特性より上記物品の材質を分別する。上記吸収端近傍のスペクトル特性は、たとえば、カットオフ波長である。上記材質は、たとえば、ポリスチレン、ポリエチレン、ポリエチレンテレフタレート、ポリプロピレン、ポリ塩化ビニルの中の少なくとも１つを含む。
【０００８】
本発明に係るプラスチック材質判別装置は、プラスチック材からなる物品を測定対象として載置可能な紫外光透過性の板部材と、紫外光を発生する光源と、入射する紫外光を検出する紫外光検出器と、酸素ガスを含まない環境の中にあって、上記光源により発生された紫外光を分光して上記板部材に案内し、板部材の上の物品からの反射光を上記紫外光検出器に案内する光学系と、上記紫外光検出器から入力された信号から上記物品の材質を判別する信号処理部とからなる。上記プラスチック材質判別装置において、上記板部材は、たとえば、入射光を屈折する窓板である。または、上記板部材は、たとえば、入射光を全反射する全反射減衰光学プローブである。好ましくは、さらに、上記信号処理部による判別結果を表示する表示装置を備える。
【発明の効果】
【０００９】
プラスチック材質の紫外領域に現れる分光スペクトルを利用することによって、従来の近赤外領域での分光スペクトルを用いるより格段に正確な材質判別を行える。分光測定と解析が容易であり、定性分析が高感度で高選択性に行える。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１０】
以下、添付の図面を参照して発明の実施の形態を説明する。
プラスチック材質などの有機化合物の材質の判別のため、３５０ｎｍ以下の紫外波長領域でのスペクトルが測定される。これらの材質は、Ｃ−Ｃ結合のσ−σ＊遷移により遠紫外光を吸収するが、その高波長側の吸収端付近のスペクトル形状は材質ごとに変化するので、材質はスペクトルデータを基に高感度で明確に判別できる。以下にさらに詳しく説明する。
【００１１】
図１は、１例として、６種の市販の食品包装用ラップフィルムの１２０〜３００ｎｍの紫外波長領域における透過率を示す。ここで、サンプル１，２は、ポリビニリデン（PVDC）を主成分とするフィルムであり、サンプル３は、ポリ塩化ビニル（PVC）を主成分とするフィルムであり、サンプル４，５，６はポリエチレン（PE）を主成分とするフィルムである。これらのサンプルはそれぞれ異なる会社で製造されている。サンプルの厚さは約１０μｍである。図１から分かるように、これらのサンプルのスペクトルにおいて、吸収は、幅広い。ポリエチレンフィルム（サンプル４，５，６）は、１７０ｎｍより短い波長で幅広く吸収される。また、ＰＶＣフィルム（サンプル３）のスペクトルは、ＰＥより高い波長からで幅広い吸収を生じ、ＰＶＤフィルム（サンプル１，２）は、さらに高波長から幅広い吸収を生じる。これらの吸収は、Ｃ−Ｃ結合のσ−σ＊遷移によるものである。
【００１２】
図１に示す６種のプラスチックサンプルは一般に市販されているフィルム製品であり、製造過程で様々な添加物が加味されているはずであるが、それにもかかわらず各材質の吸収端特性には添加物による大きな違いは現れない。一般にポリエチレン樹脂はその硬さや伸縮性を制御するために炭素の結合に側鎖を持たせることが知られているが、サンプル４〜６の１８５ｎｍ付近の小さな吸収スペクトルの変化はこの側鎖の種類や数の違いによって生じていると考えられる。そのような製品ごとの違いがあっても、主成分が共通する材質では、吸収バンドの高波長側の吸収端近傍の基本的なスペクトル形状はよく一致する。
【００１３】
このように吸収端近傍のスペクトル形状は主成分により決まるので、スペクトルの生データを見るだけで、プラスチック材質を判別できる。図１に示す６つのサンプルでは、１２０〜３００ｎｍの領域での生データのみで、吸収端近傍のスペクトル形状が互いに異なる３つのグループに明らかに分類できる。吸収端近傍のスペクトル形状を表す量として、たとえば、カットオフ波長を用いればよい。カットオフ波長は、たとえば透過率が５％の波長として定義される。
【００１４】
また、図２は、市販されている主なプラスチック製品の材質の１５０〜４５０ｎｍの波長領域での透過率を示す。ポリエチレン（PE)、ポリプロピレン（PP)およびポリ塩化ビニル（PVC)のサンプルの厚さは約１０μｍであり、ポリスチレン（PS)およびポリエチレンテレフタレート（PET)のサンプルの厚さは約３０μｍである。これらの材質は、図１の例と同様に、吸収端近傍のスペクトル形状が互いに異なるので、１５０〜３５０ｎｍの領域での生データのみで、吸収端近傍のスペクトル形状により材質が判別できる。
【００１５】
比較のために説明すると、従来の近赤外領域のスペクトルでは、これらの材質の吸収バンドは、吸光度が小さいうえ、吸収バンドのオーバーラップが多い。このため分光スペクトルを単純に測定しただけでは材質の判別が難しかった。図３は、特開２００２−２１４１３６号公報の図３の各種プラスチックの基準近赤外スペクトルを示す。この近赤外スペクトルを紫外スペクトルに比べると、紫外スペクトルでは、近赤外スペクトルでは区別しにくかった材質も、吸収端近傍のスペクトル形状により、明確に区別できることが分かる。
【００１６】
有機化合物に紫外領域の光を当てると、単結合の場合、基底状態（σ軌道）にある電子は高エネルギー状態（σ＊軌道）に遷移する。有機化合物におけるＣ−Ｃ結合の結合エネルギーは、Ｃ原子での置換基により変わる。このため、σ−σ＊遷移は置換基に非常に敏感であり、有機化合物の遠紫外スペクトルは、置換が行われると置換基の種類と数により変わる。図４はポリエチレン（PE）、ポリ塩化ビニル（PVC）およびポリ塩化ビニリデン（PVDC）の炭素の架橋構造を示すが、ＰＥ、ＰＶＣ、ＰＶＤＣの順にプラスチック材質中の炭化水素の結合の一部が塩素に置き換わっている。したがって、それぞれのプラスチック材質の紫外吸収スペクトルでは、ＰＥ（サンプル４，５，６）、ＰＶＣ（サンプル３）、ＰＶＤＣ（サンプル１，２）と、炭化水素の結合が塩素に置換されるごとに、吸収バンドのカットオフ波長が長波長側に変位している。
【００１７】
上述の測定例が示すように、プラスチックの紫外領域の吸収スペクトルは、炭化水素等の架橋構造が変化するとそれに追随して大きな変化を示す。図１や図２に示すプラスチックは、１６０〜２６０ｎｍの波長領域で大きなスペクトルの違いを示しているが、この違いは、置換基によるＣ−Ｃ結合の結合エネルギーの差によるものである。Ｃ−Ｃ結合のσ−σ＊遷移による吸収バンドの吸収端近傍のスペクトル形状は、プラスチックの組成に非常に敏感であり、高選択性があるので、プラスチック材の分類に使用できる。したがって、プラスチック材質の紫外領域に現れるこのような性質の分光スペクトルを利用することによって、従来の近赤外領域での分光スペクトルを用いるより格段に正確な材質判別を行うことが可能となる。
【００１８】
次に、具体的なプラスチック判別装置の構成について説明する。本実施形態ではプラスチック材質を１６０〜３５０ｎｍの紫外領域で分光分析するが、その際に２００ｎｍ以下の短波長の光が空気中の酸素によって吸収されるため、測定環境を真空あるいは窒素などの不活性ガスで置換する必要がある。図５は装置構成の１例を示す。上述の測定例では、酸素を含まない環境にサンプルをおいて透過率を測定している。しかし、プラスチック分別回収の現場では、空気中のサンプルを判別できることが望ましい。そこで、サンプルからの反射光を測定して、分別を行う。
【００１９】
図５は紫外分光装置の１例を示す。紫外分光装置は、酸素を含まないＮ２パージエリア１０と通常の空気中にある非パージエリア３０からなる。Ｎ２パージエリア１０の中に配置されている紫外光の光路では、窒素ガス、アルゴンガスなどのパージにより内部の空気が除去されている。また、真空に排気されていてもよい。Ｎ２パージエリア１０の外にある測定サンプル４０は、空気中にあり、サファイアの窓板１６に接するように載置される。非パージエリア３０に設けられた紫外光源（たとえば重水素ランプ）３２から発生された紫外光は、ただちにＮ２パージエリア１０内に入り、単色分光器であるグレーティング１２をとおり、ミラー１４で反射されて、サファイアの窓板１６に入射し、窓板１６を透過してサンプルに当たる。入射角は適当に設定する。グレーティング１２を制御することにより波長が変化される。なお、窓板１６の材料は、サファイアの代わりに、紫外透過特性がよい合成石英や、フッ化マグネシウム、フッ化カルシウムなどでもよい。窓板１６の上に隔離されている測定サンプル４０からの反射光は、窓板１６に入射し、ミラー１８により反射されて紫外光検出器２０に入射して検出される。紫外光検出器２０で検出されたスペクトルのデータは、非パージエリア３０内の信号処理部３４で処理される。測定波長は、たとえば１６０〜２１０ｎｍである。このような装置では、測定サンプル４０は通常の空気環境下にありながら、分光測定は酸素を除去した真空紫外環境で実施することができるので、非常に簡便に高精度なプラスチック材質の判別が非破壊で可能となる。この装置をたとえばプラスチック分別回収現場において使用すると、従来の赤外分光に比べてプラスチック材質判別の精度を向上できる。
【００２０】
また、図６に示すように、窓板１６の代わりに、サファイアや合成石英を材質とする減衰全反射型光学プローブ１６’を設置してもよい。全反射減衰吸光法は、非常に吸収が大きい物質の吸収スペクトルを測定するために用いられ、光が光学プローブの表面で全反射する際に形成される波長オーダーの光の浸みだし（エバネッセント波）によるサンプル内での光吸収量を測定する。入射光は、光学プローブ１６’に、全反射を生じる入射角で入射し全反射される。このとき、減衰全反射型光学プローブ１６’に接しているサンプルには、サンプルと接する全反射面で生じた波長オーダーの光の浸みだしが入り込み、その後で反射される。この反射光は紫外光検出器２０により検出される。これにより、サンプルによる紫外光の吸収が測定される。
【００２１】
信号処理部３４は、全体を制御するＣＰＵを備え、グレーティング１２を制御して紫外光の波長を設定し、また、紫外光センサ２０から測定信号を入力する。こうして得られた信号対波長のグラフは表示装置３６に表示できる。また、材質の判別結果を表示装置３６に表示するようにしてもよい。図示しないが、プリンタに判別結果を印刷してもよい。
【００２２】
図７は、信号処理部３４における材質判定のフローチャートを示す。信号処理部３４内の記憶装置に、あらかじめ測定対象の材質について遠紫外光の吸収端特性のテーブルを記憶しておく（Ｓ１０）。まず、グレーティング１２と紫外光検出器２０を制御して、測定波長範囲における紫外光センサ２０の検出値を記録する（Ｓ１２）。得られた測定データから吸収端特性（たとえばカットオフ波長）を求め（Ｓ１４）、吸収端特性のテーブルを参照して材質を特定し（Ｓ１６）、判別結果を表示または印刷する（Ｓ１８）。未測定サンプルが残っていれば（Ｓ２０でＹＥＳ）、ステップＳ１２に戻り、上述の判定処理を繰り返す。
【図面の簡単な説明】
【００２３】
【図１】６つの市販の食品包装用ラップフィルムの遠紫外スペクトルのグラフ
【図２】５種のプラスチックの遠紫外スペクトルのグラフ
【図３】比較のための従来の近赤外領域での各種プラスチックのスペクトルのグラフ
【図４】ポリエチレン（ＰＥ）、ポリ塩化ビニル（ＰＶＣ）およびポリ塩化ビニリデン（ＰＶＤＣ）の炭素の架橋構造を示す図
【図５】紫外分光装置の図
【図６】紫外分光装置の変形例の図
【図７】材質判定のフローチャート
【符号の説明】
【００２４】
１０  Ｎ２パージエリア、    １２  グレーティング、    １６  窓板、    １６’  減衰全反射型光学プローブ、    ３０  非パージエリア、    ３２  紫外光源、    ３４  信号処理部、    ３６  表示装置。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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