JP2012145528A

JP2012145528A - 樹脂種識別装置

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Publication number: JP2012145528A
Application number: JP2011005703A
Authority: JP
Inventors: Masaru Kinugawa; 勝衣川; Sonoko Umemura; 園子梅村; Junji Tanimura; 純二谷村
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2011-01-14
Filing date: 2011-01-14
Publication date: 2012-08-02

Abstract

【課題】ゴーストピークを低減して樹脂に起因するピーク有無やピーク形状の判定を容易にし、樹脂へのカーボンブラックやフィラー等の添加剤有無によらず、識別精度のよい（誤判定の少ない）樹脂種識別装置を得る。
【解決手段】試料台（２０）上の被判別用の樹脂（１）に赤外光を照射し、反射光強度を検出器（３０）で検出して赤外反射光のスペクトル解析を行うことで樹脂種識別を行う樹脂種識別装置であって、試料台（２０）は、照射された赤外光のうち、試料台で反射し検出器に向かう赤外光の光強度を所定値以下となるようにする反射光抑制手段を備える。
【選択図】図８

Description

本発明は、樹脂のリサイクルに係わり、特に、リサイクル樹脂を光学的手法により組成毎に識別する樹脂種識別装置に関するものである。

廃家電における樹脂のリサイクルでは、樹脂を手で解体できる部分は、限られている。このため、小さな部品や複雑な構成の部品については、機械的に粉砕して、金属または樹脂等を選別したうえで、リサイクル材とする必要がある。

この場合、粉砕して混合された状態から、それぞれの材料を分別することが要求されるため、高度な選別技術が必要である。このうち、金属は、比重や電気的または磁気的な力により選別される。一方、樹脂は、電気的または磁気的な力による選別ができないため、比重や静電気の帯電量等による分類が提案されている。

しかしながら、類似した樹脂種については、これらの方法では識別が困難になる。このため、近赤外帯または中赤外帯の光における樹脂の吸収率、または反射率の波長（波数）依存性の違いに着目した識別方法が提案されている。

ここで、カーボンブラック等を含有した黒色樹脂を識別する場合には、近赤外帯では吸収が大きく必要な信号強度が得られないため、識別が困難である。そのため、黒色樹脂の識別には、カーボンブラックの吸収の影響が少ない、中赤外帯を用いることが望ましい。

個々の粉砕した樹脂片を、中赤外帯を用いて識別する方法としては、コンベアで順次試料を流し、試料の上方から、フーリエ変換型赤外分光光度計を用いて拡散反射法で測定するもの（赤外分光法）がある（例えば、特許文献１、２参照）。

特開昭６０−８９７３２号公報特開平８−３００３５４号公報

しかしながら、従来技術には、以下のような課題がある。
中赤外帯を用いた樹脂識別性を確認するため、多種の樹脂について、中赤外帯を用いた反射法による測定結果を解析した。すると、同種の樹脂であっても、フィラーやカーボンブラック等のような赤外光が不透過の材料が添加されている樹脂（以下、不透明樹脂と称す）と、添加されていない樹脂（以下、透明樹脂と称す）とでは、反射スペクトルの形状が異なることが確認できた。

具体的には、不透明樹脂では、特許文献等で示されている樹脂固有または添加剤等に由来するスペクトルのピーク（以下、ピークとは、山の他、谷の意味も含む）の他に、新たな原因不明のピーク（以下、ゴーストピークと称す）が認められた。

そして、このゴーストピークのために、識別に用いる、樹脂に起因するピークが歪み、樹脂識別が困難になる場合があることが判明した。特に問題となるのは、ＰＳ（Ｐｏｌｙｓｔｙｒｅｎｅ）樹脂とＡＢＳ（Ａｃｒｙｌｏｎｉｔｒｉｌｅ−Ｂｕｔａｄｉｅｎｅ−Ｓｔｙｒｅｎｅ）樹脂を識別する場合である。

ＰＳ樹脂とＡＢＳ樹脂の赤外スペクトルは、酷似しているが、大きく異なる点は、２２００ｃｍ^−１付近のＣＮ結合に起因するピーク（以下、ＣＮピークと称す）の有無である。このＣＮピークがあるものがＡＢＳ樹脂、ないものがＰＳ樹脂と判断できる。しかしながら、このＣＮピーク付近にゴーストピークがある場合には、ＣＮピーク有無の判定が難しくなる。

本発明は、前記のような課題を解決するためになされたものであり、ゴーストピークを低減して樹脂に起因するピーク有無やピーク形状の判定を容易にし、樹脂へのカーボンブラックやフィラー等の添加剤有無によらず、識別精度のよい（誤判定の少ない）樹脂種識別装置を得ることを目的とする。

本発明に係る樹脂種識別装置は、試料台上の被判別用の樹脂に赤外光を照射し、反射光強度を検出器で検出して赤外反射光のスペクトル解析を行うことで樹脂種識別を行う樹脂種識別装置であって、試料台は、照射された赤外光のうち、試料台で反射し検出器に向かう赤外光の光強度を所定値以下となるようにする反射光抑制手段を備えるものである。

本発明によれば、被判別用の樹脂に照射された赤外光のうち、試料台で反射し検出器に向かう赤外光の光強度を所定値以下となるようにする反射光抑制手段を備えることにより、ゴーストピークを低減して樹脂に起因するピーク有無やピーク形状の判定を容易にし、樹脂へのカーボンブラックやフィラー等の添加剤有無によらず、識別精度のよい（誤判定の少ない）樹脂種識別装置を得ることができる。

ＰＰ樹脂のゴーストピークを示す赤外反射スペクトルの説明図である。ＰＳ樹脂のゴーストピークを示す赤外反射スペクトルの説明図である。ＡＢＳ樹脂のゴーストピークを示す赤外反射スペクトルの説明図である。各種不透明樹脂板の赤外反射スペクトルを示す説明図である。各種透明樹脂板の赤外反射スペクトルを示す説明図である。測定対象である樹脂フレーク周辺における赤外光の様子を示した説明図である。試料台として黒体スプレーを塗布したアルミ板を用いた場合の各種透明樹脂板の赤外反射スペクトルを示す説明図である。試料台としてアルミナ板を用いた場合の各種透明樹脂板の赤外反射スペクトルを示す説明図である。各種試料台からの赤外反射スペクトルの比較結果を示す説明図である。各種試料台からの赤外反射スペクトルの比較結果を示す説明図である。本発明の実施の形態１における樹脂種識別装置の全体図である。本発明の実施の形態３における被判別用の樹脂フレークとコンベアの一部を示す断面図である。本発明の実施の形態３における被判別用の樹脂フレークとコンベアの一部を示す別の断面図である。

本発明の実施の形態を説明する前に、ゴーストピークについて、実験１により、以下に詳細に説明する。また、本発明の測定条件等について、実験２、３により、以下に詳細に説明する。

［実験１］
図１は、ＰＰ樹脂のゴーストピークを示す赤外反射スペクトルの説明図である。具体的には、カーボンブラックを１％添加したＰＰ樹脂板（以下、不透明ＰＰ樹脂板と称す）と、カーボンブラックを添加していないＰＰ樹脂板（以下、透明ＰＰ樹脂板と称す）の赤外反射スペクトルを示したものである。

なお、測定装置としては、日本電子製ＦＴ−ＩＲ５５００を用い、検出器としては、ＭＣＴ検出器を用いた。また、測定条件は、分解能１６ｃｍ^−１で１０回積算した。また、光学系としては、反射測定用の冶具を用い、入射角、反射角は、いずれも１０度とした。

図１に示すように、透明ＰＰ樹脂板、不透明ＰＰ樹脂板のいずれも、３０００ｃｍ^−１付近および１５００ｃｍ^−１付近に、ＰＰ樹脂のＣＨ結合に起因する複数の吸収ピークが認められる。また、２４００ｃｍ^−１付近に大気中のＣＯ２に起因する吸収ピーク、１３００〜１８００、３５００〜４０００ｃｍ^−１付近に大気中の水分に起因する細かなピークがいずれにも認められる。

一方、透明ＰＰ樹脂板では、２０００ｃｍ^−１付近および３５００ｃｍ^−１付近に、不透明ＰＰ樹脂板にはない、ブロードでかつ大きなピークが認められる。この透明樹脂特有のピークがゴーストピークである。

次に、同様の条件で測定した、ＰＳ樹脂板およびＡＢＳ樹脂板の赤外反射スペクトルについて説明する。図２は、ＰＳ樹脂のゴーストピークを示す赤外反射スペクトルの説明図である。具体的には、カーボンブラックを１％添加したＰＳ樹脂板（以下、不透明ＰＳ樹脂板と称す）と、カーボンブラックを添加していないＰＳ樹脂板（以下、透明ＰＳ樹脂板と称す）の赤外反射スペクトルを示したものである。

また、図３は、ＡＢＳ樹脂のゴーストピークを示す赤外反射スペクトルの説明図である。具体的には、カーボンブラックを１％添加したＡＢＳ樹脂板（以下、不透明ＡＢＳ樹脂板と称す）と、カーボンブラックを添加していないＡＢＳ樹脂板（以下、透明ＡＢＳ樹脂板と称す）の赤外反射スペクトルを示したものである。

図２、図３に示すように、透明ＰＳ樹脂板および透明ＡＢＳ樹脂板においても、ブロードでかつ大きなゴーストピークがあることがわかる。また、ゴーストピークの両サイド付近には、樹脂固有の微細なピークがあることが確認できる。

次に、このゴーストピークが、識別に悪影響を与える例を、具体的に説明する。図４ａは、各種不透明樹脂板の赤外反射スペクトルを示す説明図であり、図４ｂは、各種透明樹脂板の赤外反射スペクトルを示す説明図である。具体的には、先の図１〜図３に示した赤外反射スペクトルを、ＣＮピークの波数付近の横軸を拡大するとともに、各種不透明樹脂板をまとめたものが図４ａであり、各種透明樹脂板をまとめたものが図４ｂである。

図４ａ中の不透明ＡＢＳ樹脂板では、２２００ｃｍ^−１付近にＣＮピークが認められる。一方、図４ａ中の不透明ＰＰ樹脂板および不透明ＰＳ樹脂板では、２２００ｃｍ^−１付近にＣＮピークが認められない。

これに対して、図４ｂ中の透明ＡＢＳ樹脂板にも、ＣＮピークが認められるが、透明ＡＢＳ樹脂板では、先の図４ａにおける不透明ＡＢＳ樹脂板と比較して、ＣＮピーク付近の変動が大きい。また、本来、ＣＮピークを有しない透明ＰＳ樹脂板にも、２２００ｃｍ^−１付近の変動が大きい。この変動により、ＣＮピーク有無の判定が困難になる。

実際の樹脂フレークの分析では、単位時間当たりの分析量を増やすための分析の高速度化によるＳ／Ｎ比（樹脂起因のピーク高さに対するノイズの大きさ）の低下、あるいは、より小さな破片での信号強度の低下等により、判定がより難しくなり、樹脂識別精度が低下する（すなわち、誤判定が増える）原因になることが明らかになった。

次に、ゴーストピークが発生する原因について説明する。測定対象となる樹脂フレークを試料台に乗せ、ＦＴ−ＩＲ（フーリエ変換型赤外分光）分析装置を用いて、反射法による光学系にて測定する場合を考える。すなわち、光源から出射され、干渉計を通過した赤外光を樹脂フレークに照射し、その反射光強度を検出器で検出する。

図５は、測定対象である樹脂フレーク周辺における赤外光の様子を示した説明図であり、ゴーストピークが発生する概念を示している。樹脂固有の特定の波長で樹脂が光を吸収する場合には、その波長での反射率は小さくなる。そのため、反射率の波数依存性のスペクトルについて、あらかじめ取得しておいた標準樹脂のスペクトルとの比較から、樹脂種を判定することができる。

しかしながら、樹脂での吸収が少ない（数ｍｍ厚の樹脂を透過する）波数の赤外光の場合には、表面で一部反射、一部は樹脂で吸収されるが、残りは樹脂を透過する。さらに、試料台で反射した赤外光は、再び樹脂を通過し、検出器の方向に向かう。そのため、この波数の光は、他の波長より明るく検出される。これが、ゴーストピークである。

樹脂の吸収が少ないほど、ゴーストピークは大きくなり、逆に、樹脂の吸収が大きいほど、ゴーストピークは小さくなる。このため、ゴーストピークには、樹脂種固有のパターンが生じる。

樹脂にフィラーやカーボンブラック等の光を吸収または散乱する添加剤を含有している場合には、この限りではない。光は、樹脂を透過しないため、上述した現象は起こらず、ゴーストピークは現れない。

そこで、本発明の趣旨は、この樹脂を通過して試料台（またはコンベア）から反射する赤外光を、試料台（またはコンベア）の工夫により検出器へ向かわせないことにより、ゴーストピークを抑えた反射スペクトルを取得し、樹脂種の識別精度を向上させることにある。

［実験２］
次に、データ収集を行った際の条件について、詳細に説明する。
試料台としては、黒体スプレー（ＴＡＳＣＯＪＡＰＡＮ製黒体スプレー、ＴＨＩ−１Ｂ）を塗布したアルミ板を用いた。

測定条件は、先の実験１と同じである。具体的には、測定装置としては、日本電子製ＦＴ−ＩＲ５５００を用い、検出器としては、ＭＣＴ検出器を用いた。また、測定条件は、分解能１６ｃｍ^−１で１０回積算した。また、光学系としては、反射測定用の冶具を用い、入射角、反射角はいずれも１０度とした。

また、サンプルとしては、先の実験１で用いた、透明ＰＰ樹脂板、透明ＰＳ樹脂板、透明ＡＢＳ樹脂板を用いた。

図６ａは、試料台として黒体スプレーを塗布したアルミ板を用いた場合の各種透明樹脂板の赤外反射スペクトルを示す説明図である。図６ａに示す反射スペクトルからも明らかなように、試料台として黒体スプレーを塗布したアルミ板を用いることで、先の図４ａと比較して、ゴーストピークが大幅に低減できていることが確認できる。

また、図６ｂは、試料台としてアルミナ板を用いた場合の各種透明樹脂板の赤外反射スペクトルを示す説明図である。黒体スプレーを塗布したアルミ板の試料台を用いた図６ａの結果に比べ、ゴーストピークの影響は若干残るものの、先の図４ｂと比較して、ゴーストピークの影響が大幅に低減できていることが分かる。

このような図６ａ、図６ｂに示された効果は、ゴーストピークの発生原因である、試料台からの赤外の反射を抑えた結果得られたものである。なお、試料台からの赤外の反射が小さいほど、効果が高いこととなる。

［実験３］
測定条件は、先の実験１、２と同じである。具体的には、測定装置としては、日本電子製ＦＴ−ＩＲ５５００を用い、検出器としては、ＭＣＴ検出器を用いた。また、測定条件は、分解能１６ｃｍ^−１で１０回積算した。また、光学系としては、反射測定用の冶具を用い、入射角、反射角はいずれも１０度とした。

また、試料台としては、従来のＳＵＳ（ステンレス鋼）製試料台、および本発明で用いられるアルミナ板、黒体スプレー塗布アルミ板、黒ベルベット（山崎ビロード製、ロイヤルベルベット）をそれぞれ設置した。図７ａ、図７ｂは、各種試料台からの赤外反射スペクトルの比較結果を示す説明図である。具体的には、サンプルは乗せず、各種試料台からの赤外反射スペクトルを取得した結果をまとめたものであり、図７ｂは、図７ａの縦軸を拡大したものに相当している。

図７ｂに示すように、波数が７５０〜４０００ｃｍ^−１にかけて、黒ベルベットは、ほとんど反射しない。次いで、黒体スプレー塗布アルミ板、アルミナ板の順で、反射率は小さい結果となっている。

実施の形態１．
上述した実験１〜３の内容を踏まえた上で、本発明の樹脂種識別装置の好適な実施の形態につき、図面を用いて説明する。

図８は、本発明の実施の形態１における樹脂種識別装置の全体図である。本実施の形態１における樹脂種識別装置は、供給装置１０、コンベア２０、赤外光分析装置３０、およびコントローラ４０を備えて構成されている。ここで、赤外光分析装置３０としては、フーリエ変換型赤外分光法（ＦＴ−ＩＲ）を適用している。

供給装置１０は、被判別用の樹脂フレーク１を順にコンベア２０上に供給する。コンベア２０は、樹脂フレーク１を赤外光分析装置３０の下まで搬送する。赤外光分析装置３０は、樹脂フレーク１に赤外光を照射し、赤外反射光のスペクトルを取得する。

そして、コントローラ４０は、赤外光分析装置３０が取得した赤外反射光のスペクトルに基づいて、樹脂種を判定する機能を兼ねている。なお、特に図示していないが、コントローラ４０による判別結果を元に、エアーの噴き出し等を行い、樹脂を選別することも可能である。

また、本判定結果を元に、樹脂の混在比を確認する場合には、この図８に示した基本構成で事足りる。たとえば、母集団より１０００個の樹脂フレーク１を抽出し、その混在比を調べる。樹脂種を分別した樹脂フレーク（群）１を母集団とすれば、その純度（不純物となる樹脂フレーク１の数）を知ることができる。また、破砕後の混合フレークを母集団とすれば、その樹脂種毎の混在比を知ることができ、以降の分別工程条件の最適化や最終製品の樹脂種毎の量を前もって知ることができる。

ここで、本実施の形態１は、試料台に相当するコンベア表面２１を、少なくとも、ゴーストピークのある波数の赤外光の反射率が所定値以下となる材料（具体的には、アルミナ板、アルマイト板、ベルベット、黒体スプレー塗布板、赤外光吸光シート（シグマサイバーテック製、スーパーブラックＩＲ）、カーボングラファイトなど）で覆うことを技術的特徴としている。そして、このような材料は、試料台（コンベア）で反射し検出器に向かう赤外光の光強度を所定値以下となるようにする反射光抑制手段に相当する。

ＣＮピークについて、ゴーストピークの影響を除くには、コンベア表面２１を覆う材料としては、少なくともＣＮピーク付近の波数、たとえば２１００〜２３００ｃｍ^−１の波数帯において、赤外を吸収する材料であればよい。

また、先の図７ａ、図７ｂに示したように、２２００ｃｍ^−１における反射率が、従来のＳＵＳと比較して１０％以下であるアルミナ板を用いた場合に、ＣＮピーク付近のゴーストピークの影響が低減されている。このことから、従来のＳＵＳよりも１０％以下の反射率の材料でコンベア表面２１を覆うことができれば、十分な効果が得られることがわかる。

以上のように、実施の形態１によれば、コンベア表面を、少なくともゴーストピークのある波数の赤外光の反射率が所定値以下となる材料で覆うことにより、ゴーストピークの低減を実現している。この結果、樹脂に起因するピーク有無やピーク形状の判定を容易にし、樹脂へのカーボンブラックやフィラー等の添加剤有無によらず、識別精度のよい（誤判定の少ない）樹脂種識別装置を得ることができる。

実施の形態２．
先の実施の形態１では、試料台（コンベア）からの赤外の反射を抑えるために、コンベア表面２１で赤外光を吸収する構造を用いる場合について説明した。これに対して、本実施の形態２では、コンベアとして、金属メッシュを用いて、反射光の低減を図る場合について説明する。そして、このような金属メッシュは、試料台（コンベア）で反射し検出器に向かう赤外光の光強度を所定値以下となるようにする反射光抑制手段に相当する。

コンベアとして金属メッシュを用いた場合に反射光が低減する理由としては、メッシュの開口部からは、反射光がないことに加え、金属メッシュの断面形状が円または楕円のため、平面に比べて検出器に向かう反射光が少ないことが挙げられる。従って、反射光の低減効果を得やすくするためには、開口率が大きく、細いワイヤでできたコンベヤが望ましい。

以上のように、実施の形態２によれば、コンベア表面を、少なくともゴーストピークのある波数の赤外光の反射率が所定値以下となる材料で覆う代わりに、コンベア（試料台）を金属メッシュで構成することにより、ゴーストピークの低減を実現している。この結果、先の実施の形態１と同様に、樹脂に起因するピーク有無やピーク形状の判定を容易にし、樹脂へのカーボンブラックやフィラー等の添加剤有無によらず、識別精度のよい（誤判定の少ない）樹脂種識別装置を得ることができる。

実施の形態３．
先の実施の形態１では、試料台（コンベア）からの赤外の反射を抑えるために、赤外光を吸収することのできるコンベア表面２１の材料について説明した。これに対して、本実施の形態３では、コンベア表面２１の材料ではなく、コンベア２０の形状を工夫することで、樹脂フレークを透過した赤外光を、検出器に向かわせないようにし、赤外の反射を抑える場合について説明する。そして、このようなコンベア形状は、試料台（コンベア）で反射し検出器に向かう赤外光の光強度を所定値以下となるようにする反射光抑制手段に相当する。

図９は、本発明の実施の形態３における被判別用の樹脂フレーク１とコンベア２０の一部を示す断面図である。図９に示すように、コンベア表面２１は、谷が９０度の溝で覆われている。コンベア２０は、図９の右から左に、あるいは左から右に移動する。樹脂フレーク１を透過した赤外光は、コンベア表面２１で２回反射し、赤外光の入射方向に向かうため、赤外光分析装置３０内に設けられた検出器には入らないこととなる。

谷のピッチは、図９に示すように、樹脂フレーク１に比べて十分小さくてもよい。ただし、波長に比べて谷の深さが十分浅いと、鏡面と同じように反射し、効果が得られないため、谷のピッチは、中赤外の波長に比べて十分大きい必要があり、１００μｍ以上必要である。

また、図１０は、本発明の実施の形態３における被判別用の樹脂フレーク１とコンベア２０の一部を示す別の断面図である。この図１０に示すように、谷毎に樹脂フレーク１を１個入れて測定するような谷のピッチとすることも可能である。

ここで、コンベア２０の材料は、金属でもよいが、先の実施の形態１で説明した赤外線を吸収する材料と組み合わせることで、ゴーストピークを低減するための、より高い効果を得ることができる。

以上のように、実施の形態３によれば、コンベアの表面材料を工夫する代わりに、樹脂フレークを透過した赤外光を検出器に向かわせないようにコンベアの表面形状を工夫することにより、ゴーストピークの低減を実現している。この結果、先の実施の形態１、２と同様に、樹脂に起因するピーク有無やピーク形状の判定を容易にし、樹脂へのカーボンブラックやフィラー等の添加剤有無によらず、識別精度のよい（誤判定の少ない）樹脂種識別装置を得ることができる。

１樹脂フレーク、１０供給装置、２０コンベア、２１コンベア表面、３０赤外光分析装置、４０コントローラ。

Claims

試料台上の被判別用の樹脂に赤外光を照射し、反射光強度を検出器で検出して赤外反射光のスペクトル解析を行うことで樹脂種識別を行う樹脂種識別装置であって、
前記試料台は、照射された前記赤外光のうち、前記試料台で反射し前記検出器に向かう赤外光の光強度を所定値以下となるようにする反射光抑制手段を備える
ことを特徴とする樹脂種識別装置。
請求項１に記載の樹脂種識別装置において、
前記反射光抑制手段は、赤外光の反射率が所定値以下となる材料で前記試料台の表面を覆うことで構成されている
ことを特徴とする樹脂種識別装置。
請求項２に記載の樹脂種識別装置において、
前記反射光抑制手段に用いられる前記材料は、波数が２１００〜２２００ｃｍ^−１における赤外反射率がステンレス鋼の１０％以下である
ことを特徴とする樹脂種識別装置。
請求項１に記載の樹脂種識別装置において、
前記反射光抑制手段は、金属メッシュでできた試料台で構成されている
ことを特徴とする樹脂種識別装置。
請求項１に記載の樹脂種識別装置において、
前記反射光抑制手段は、表面の谷が９０度の溝で覆われた試料台で構成されている
ことを特徴とする樹脂種識別装置。
請求項５に記載の樹脂種識別装置において、
前記反射光抑制手段は、前記谷のピッチが１００μｍ以上として構成されている
ことを特徴とする樹脂種識別装置。