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 ： 1901001R

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 、 3 日 間 で 75 試 料 の 測 定 を 行 う 。
４．実験結果と考察
Fig. 2 shows SAXS profile of LDPE grade J2522 original thin film and mix-treated samples
with different mixing rate (15 or 30 rpm) and remolding condition (slow-cooling (SC) orquench cooling (Q)). Peak position of scattering curve can be revealed as q m a x value which can

be further calculated to long period of LDPE inner structures. The q m a x of original LDPE thinfilm which fabricated by slow-cooling (Org-SC) can be evaluated at 0.39 nm -1 . However, theoriginal LDPE thin film which fabricated by quench cooling (Org-Q) shows higher of q m a x ataround 0.50 nm - 1 which can be implied to the difference of inner structures from remolding
condition. For mix-treated LDPE, it can be found that the significant differences of SAXS
profiles based on the effect from remolding over the effect from mixing treatment at 15-30rpm. The 15 rpm-SC and 30 rpm-SC shows the similar position of q m a x around 0.38 nm - 1 . In
other way, q m a x position of 15 rpm-Q and 30 rpm-Q are around 0.49 nm - 1 . Moreover, theaveraged values of q ma x of original and mix-treated samples which remolding by slow-cooling(q SC ) are 0.38 nm -1 , however; 0.49 nm -1 is the averaged value of q m a x of LDPE samples after
remolding by quench cooling (q Q ).

Fig. 2 SAXS profile of LDPE original samples (Org) and LDPE after mixing treatment withdifferent mixing rate (15 or 30 rpm) and remolding condition (SC; showed in blue color curve,or Q; showed in red color curve).
The relationship between q m a x , long period, and toughness of original and mix-treated LDPE
are tabulated in Table 1. It can be found that the higher of q m a x in mix-treated 15 rpm-Q and 30rpm-Q leads to the shorter of long period as compared to the mix-treated LDPE which remoldedby slow-cooling (SC). However, these shorter of long period are affected to the increasing oftoughness. From these results, it can be implied that the transition of inner structures of virgin
LDPE grade J2522 and the regeneration of mechanical properties can be caused from thesuitable remolding condition. Based on this study, it can be found that the suitable molding
condition can be further applied for increasing the physical properties in virgin and recycledplastics.
Table 1 Comparison between q m a x , long period, and toughness of original and mix-treated
LDPE grade J2522 with different mixing rate and cooling condition
qmax

Long period

Toughness(nm -1 )(nm)(MJ/m 3 )Org-SC

0.39

16.2

99.1

Org-Q

0.50

12.5

79.2

Mix-treated 15 rpm-SC

0.38

16.6

62.7

Mix-treated 15 rpm-Q0.49

12.9

81.5

Mix-treated 30 rpm-SC

0.38

16.3

62.4

Mix-treated 30 rpm-Q

0.49

12.8

69.6

Materials

The results of other kinds of plastic s with different physical treatment and remolding
conditions are under analyzation.

５．今後の課題• To explain the relationship between inner structure transition in virgin plastics and thedegradation of mechanical properties from various kinds of physical treatment.
• To investigate the regeneration of mechanical prop erties in deformed plastics.
• To further characterize and compare the results with other types of virgin and recycledplastics.
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 ofrecycled

polypropylene", Aya Tominaga, Hiroshi Sekiguchi, Ryoko Nakano, Shigeru Yao, and Eiichi
Takatori, Nihon Reoroji Gakkaishi, 45(5), 287 -290 (2017)•"Creation of Advanced Recycle Process to Waste Containe r and Packaging Plastic Polypropylene Sorted Recycle P lastic 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 transition
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 。 提 出 期 限 は 利 用 年 度 終 了 後 2 年 以 内 で す 。 例 え ば 2018 年 度 実
施 課 題 で あ れ ば 、 2020 年 度 末 （ 2021 年 3 月 31 日 ） 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（提出時期：年10 月 ）月）