九州シンクロトロン光研究センター
県有ビームライン利用報告書
課 題 番 号 ： 1811110R

Ｂ Ｌ 番 号 ： 11

（様式第 5 号）

小角 X 線散乱によるリサイクルおよびバージンプラスチックの構造解 析Structural analysis of recycled plastics and virgin plastics by small -angle X-ray scattering
パントン

パチヤ

Patchiya Phanthong
福岡大学工学部化学システム工学科

Department of Chemical Engineering, Faculty of Technology, Fukuoka U niversity
※１
※２

※３
※４

先 端 創 生 利 用（ 長 期 タ イ プ ）課 題 は 、 実 施 課 題 名 の 末 尾 に 期 を 表 す（ Ⅰ ）、（ Ⅱ ）、（ Ⅲ ）を 追 記
してください。
利 用 情 報 の 公 開 が 必 要 な 課 題 は 、本 利 用 報 告 書 と は 別 に 利 用 年 度 終 了 後 2 年 以 内 に 研 究 成 果 公
開｛ 論 文（ 査 読 付 ）の 発 表 又 は 研 究 セ ン タ ー の 研 究 成 果 公 報 で 公 表 ｝が 必 要 で す (ト ラ イ ア ル
利 用 を 除 く )。
実験に参加された機関を全てご記載ください。
共 著 者 に は 実 験 参 加 者 を ご 記 載 く だ さ い （ 各 実 験 参 加 機 関 よ り 1 人 以 上 ）。

１．概要（注：結論を含めて下さい）
プ ラ ス チ ッ ク の マ テ リ ア ル リ サ イ ク ル が 進 展 し な い 大 き な 要 因 と し て 、力 学 物 性 の 低
下 が 上 げ ら れ る 。従 来 こ の 原 因 は 化 学 劣 化 で あ る と 考 え ら れ て き た 。し か し な が ら 最 近の 我 々 の 研 究 に よ り 、化 学 劣 化 し て い な い リ サ イ ク ル プ ラ ス チ ッ ク に お い て も 力 学 物 性が 低 下 し て い る こ と が 明 ら か と な っ た 。ま た プ レ ス 成 形 条 件 に よ り 、こ の 力 学 物 性 が 大
き く 改 善 で き る こ と も 明 ら か と な っ た 。こ れ ら の 結 果 は 、リ サ イ ク ル プ ラ ス チ ッ ク の 力学物性の低下は化学劣化ではなく構造的な物理劣化であることを示している。
本研究は様々なプレス成形を行ったバージンプラスチックおよびリサイクルプラス
チ ッ ク の 内 部 構 造 を X 線 小 角 散 乱 に よ り 調 べ 、力 学 物 性 と の 関 係 を 検 討 す る 目 的 で 行 った。その結果、力学物性により内部構造に違いがあることが明らかとなった。
（ English ）The main obstruction in material recycling process is the poor mechanical properties inrecycled products. Conventionally, chemical degradation was considered as the main cause.
However, based on our previous studies, it can be found that plastics are n ot degraded bychemical. In other way, physical degradation is the main cause for the poor mechanicalproperties in recycled plastics.
The purpose of this study is to investi gate the relationship between the changes of inner
structures and mechanical properties of virgin and recycled plastics after annealed by various
treatments and molding conditions. SAXS is the main instruments which can be used forcharacterization of inne r structure such as long period, thickness of crystalline layer, andamorphous layer of plastics products. The results can be shown that the different of inner
structures related to the degradation of mechanical properties in plastics.

２．背景と目的
現在天然資源の枯渇や廃棄物の増加に伴う環境負荷の増大などの問題解決を考慮したリサイクルの取り組みが、多くの材料・製品分野で取り組まれている。特にプラスチックはその排出量が膨大であること、また原材料がほとんど輸入に依存している石油であることなどから、環境省を中心として多くの官庁・産業界で取り組みが検討されている。プラスチックの有効利用の方法は、ケミカルリサイクル、サーマルリサイクル、マテリアルリサイクルの 3 種類に分類できるが、この内ケミカルリサ

イクルはコスト的に課題があり、またサーマルリサイクルは最終処分としては有効であるが、資源の再利用と言う視点からは課題がある。従ってマテリアルリサイクルの推進が重要な課題となっている。
しかしながらリサイクルされたプラスチックでは、バージンの物性と比較して極めて低い値しか発現できないため、パレットや擬木のような、付加価値の低い、限定された用途のみに留まり、拡張されていないのが現実である。
従来この物性値低下の原因は、成形加工などによる分子量の低下、酸化劣化によるものとされてきた。しかしながら昨年度来の我々の研究結果から、分子量の低下や酸化劣化がないリサイクルプラ
スチックでも物性値が大きく低下していること、また逆に適度な処理を施すことで、バージン樹脂同等の物性値を発現させることができることを見出した。このような再生処理技術が確立すれば、プラスチックのマテリアルリサイクルを大きく推進することが可能となると考えられる。本実験はそのための基礎データの収集と、最適処理法の指針を得ることが目的である。
本研究は X 線小角散乱により、様々な熱プレス条件で成形した試料の内部構造を評価し、力学特性との関係を調べることを目標として執り行った。
３．実験内容（試料、実験方法、解析方法の説明）
実験に用いたバージンポリプロピレン、ポリエチレン、ポリスチレンは、射出成形・フィルムグレード品である。これらペレットを種々の条件で熱プレスし、徐冷 (SC) および氷水で急冷 (Q) させて、薄膜を作成した。Fig. 1 に実際に作成した試料例を示す。

Fig. 1 Fabrication of thin film (100 µm of thickness) by hot compression
測定方法：透過による小角 X 線散乱○カメラ長:1000 mm、X 線エネルギー8 keV を選択した場合
測定角度範囲：q = 約 0.14-3.0 nm-1
○測定試料の密度に適切した X 線のエネルギー(8-11 keV)を選択する。
○透過による小角 X 線散乱○全散乱パターンを測定できる、PILATUS 100K を使用
検出領域 200 mm×200 mm
ビームストッパーサイズは 0.16 nm-1
○試料の透過率測定を SAXS 測定と同時に行う。
試料前後にイオンチェンバーを配置○広角の測定には、イメージングプレートを用いる。
測定は常温、常圧下で行う。フィルム系はそのままで、あるいはスライドガラスに挟み込んで測定に供する。
試料からの適切な散乱強度を得るために必要とする照射時間は、時間とともに X 線強度が減衰することを考慮して(試料の入れ替えを含み)算出すると、10.5 時間あたり 24 点であり、2 日間で 30 試料の測定を行う。
４．実験結果と考察
Fig. 2 shows SAXS profile of original LDPE, heat-treated LDPE at 50 ºC for 24 h (Heat-treated), remolding
LDPE after heat treatment with slow cooling condition (Remold-SC), and remolding LDPE after heat
treatment with quench cooling condition (Remold-Q). Peak position of scattering curve can be revealed as qmax
value which can be further calculated to long period, crystalline and amorphous thickness of LDPE inner
structures. The qmax of original LDPE can be evaluated at 0.38 nm-1 which is similar to the heat-treated andremold-SC. However, the remold-Q shows the shift of peak position to higher value of qmax.

Fig. 2 SAXS profile of LDPE original, LDPE after heat treatment (Heat-treated), Remolding LDPE with slow
cooling (Remold-SC), and Remolding LDPE with quench cooling (Remold-Q).
The relationship of crystallinity and inner structure can be tabulated in Table 1. Even all heat-treated andremolding samples show lower crystallinity compared to the original LDPE, but the value is not muchsignificant difference. It can be found that the inner structures of heat-treated sample are decreased from theoriginal LDPE. The remolding-SC after heat treatment shows the decreasing of crystalline thickness with theincreasing of amorphous thickness. Moreover, the remolding with quench cooling (Remold-Q) shows thesignificantly decreased of long period compared to the original LDPE with the almost similar values between
crystalline and amorphous thickness. From these results, it can be implied that the transition of inner structureof virgin LDPE can be caused from the effect of heat treatment, remolding and cooling condition.
Table 1 Comparison between crystallinity and inner structures of original LDPE, LDPE after heat treatment,and LDPE after remolding with different cooling condition.
Items

Original LDPE

Heat-treatedRemold-SC

Remold-Q

Crystallinity (%)

52.9

51.4

48.2

50.8

qmax (nm-1)

0.38

0.40

0.38

0.48

Long period (nm)

16.65

15.74

16.62

13.05

8.81

8.09

8.01

6.63

7.84

7.65

8.61

6.42

Crystalline thickness(nm)
Amorphous thickness(nm)

The results of other kinds of plastic with different physical treatment and remolding conditions are underinvestigation.
５．今後の課題• To explain the relationship between the modification of inner structure in virgin plastics and the degradationof mechanical properties from various kinds of physical treatment.
• To investigate the regeneration of mechanical properties in deformed plastics with the change of innerstructures.
• To further characterize and compare the results with other different kinds of virgin plastics and recycledmaterials.

６．参考文献

７．論文発表・特許（注：本課題に関連するこれまでの代表的な成果）•"Relationship between the long period and the mechanical properties of recycled polypropylene", AyaTominaga, Hiroshi Sekiguchi, Ryoko Nakano, Shigeru Yao, and Eiichi Takatori, Nihon Reoroji Gakkaishi,
45(5), 287-290 (2017)•"Creation of Advanced Recycle Process to Waste Container and Packaging Plastic - Polypropylene Sorted
Recycle Plastic Case-", Nozomi Takenaka, Aya Tominaga, Hiroshi Sekiguchi, Ryoko Nakano, Eiichi Takatori,Shigeru Yao, Nihon Reoroji Gakkaishi, 45(3), 139-143 (2017)•「バージン樹脂およびプレコンシューマリサイクル樹脂ブレンド系における射出成形品の入口部
位・終端部位の結晶構造および力学特性」, 冨永 亜矢, 関口 博史, 中野 涼子, 八尾 滋, 高取 永一, 高分子論文集, 74(3), 225-232 (2017)
８．キーワード（注：試料及び実験方法を特定する用語を２～３）
Material recycling, Physical degradation, Inner structure
９．研究成果公開について（注：※２に記載した研究成果の公開について①と②のうち該当しない方を消してください。また、論文（査読付）発表と研究センターへの報告、または研究成果公報への原稿提出時期を記入してください（2018 年度実施課題は 2020 年度末が期限となります）。
長期タイプ課題は、ご利用の最終期の利用報告書にご記入ください。

① 論文（査読付）発表の報告② 研究成果公報の原稿提出（報告時期： 2020 年 6 月）
（提出時期：年月）