JP2005164431A - プラスチック類の識別方法及び装置 - Google Patents

Abstract

【課題】紫外線を用いて照射することにより、前準備もなく、材料の複雑な加工及び表面形状による影響を受けずに、簡便な計測により正確なプラスチック類の判別ができるプラスチック類の識別方法及び装置を得ることである。
【解決手段】単一波長の紫外線を発生するレーザ装置１の励起光を試料Ｐのプラスチック類へ照射し、その照射面から発光する蛍光を集光手段５の捕集レンズ３で集光し、分光モニタ６で上記蛍光の特有のスペクトル分布の分光特性を測定し、識別手段７で予め測定された所定のプラスチック類の分光特性の基準データと測定されたデータとを比較、識別して測定対象のプラスチック類の種類を特定するようにプラスチック類識別装置を構成している。
【選択図】図１

Description

この発明は、紫外光の照射による光励起により放出される特徴的な発光を検出してプラスチック類の種類を識別するプラスチック類の識別方法及び装置に関する。

プラスチック類は加工が容易で、コストが安く、豊富な種類のものが利用できる等多くの特徴を有し、そのため電化製品をはじめ、食品包装類、自動車部品、建築材、医療機器等広く利用されている。その一方で、それらの製品が廃棄されることにより大量のプラスチック材が棄てられることとなり、その量は年間９００万トンを越える膨大な量である。しかも、一部の材料を除いてその最終処分は埋立てに頼り、十分なリサイクルには至っていないのが現状である。

その理由として、種類が豊富であるため、一様なリサイクルの処理ができず、又焼却時に有害ガスを生成する材料もあるため、自然環境に深刻な影響を及ぼす虞れもあり、慎重な対策が求められているからである。そのため、豊富なプラスチック類をそれぞれ確実に処理する、あるいはリサイクルするためにはまずそれぞれのプラスチック材の性質を正確、迅速、かつ確実に識別することが求められており、既に種々の識別法が提案され、試みられている。

従来の一般的なプラスチック類の識別方法として、加熱法が知られている。加熱法は、直接材料に火を近づけて煙、溶け方等により材料を判別する方法であり、簡単かつ廉価な方法ではあるが、識別できる種類は限られ、しかも経験が必要である。工場のラインでは比重法が使用される場合があるが、この方法は材料を細かく粉砕し、液体の中に入れ、浮遊したものと沈殿したものとによって区別する方法であり、装置が大型化し、従って高価であり、又前準備が必要である。

一方、近年比較的簡易で正確な識別方法として赤外線の光学吸収により識別する方法が種々提案されている。その一例として特許文献１の「プラスチックの種類判定方法」が公知である。この判定方法は、プラスチック類に近赤外線を照射してその吸収スペクトルを測定し、その微分スペクトルの算出を測定波長領域に亘って所定の波長間隔で行い、各測定波長における微分スペクトルがプラス側、マイナス側又はそれ以外かの種別を判別し、その判別種別を既知のプラスチックについて予め求められた微分スペクトルの種別と比較して未知のプラスチックの種類を判定するというものである。

しかし、この方法は種類の判別を微分スペクトルの値が各波長毎にプラス、マイナス、その他のいずれかによって大まかな判別をし、その判別を所定波長範囲で連ねて既知のプラスチックの微分スペクトル分布との一致の程度により判定するものであるから、近似するプラスチック類では正確な種別の判定をすることはできず一定の限界がある。又、この方法は近赤外線の透過吸収により測定する方法であるため、透過光が得られないものについては測定不能となり、従って試料を薄くするという前処理を必ず必要とし、試料が厚過ぎたり、形状が複雑であり、表面状態が悪いと測定できないという不都合がある。

他の例として特許文献２では、プラスチックの構造解析を行う検知部と、データ処理でフーリエ変換赤外分光法を用いて種別判定を行うようにした構成により赤外線の透過光又は反射光を検知するプラスチック分別装置を提案している。この公報の分別装置は、フーリエ変換赤外分光法を用いたから、赤外線の全波長域の反射光を同時に測定でき、積算処理が繰返し行えるため迅速、高精度で種別判別が可能となったとしている。

上記以外にも赤外光線の透過、反射を利用した検出手段によりプラスチックの種類判別を行う技術について種々の提案が行なわれているが、上記２つの特許文献１、２を含めて全て、赤外光線の透過、反射を利用した技術に基づくものであるため、一般的には前準備を必要とし、厚い試料に対し前準備をしない場合は特許文献２のように検知部に複数の検出手段を設けるか、赤外線強度を超高レベルとするなど何らかの対策が必要であり、このため装置が複雑化して結局コストが高くなる。又、複雑な形状、表面の状態、不純物の色素の含有等によっては正確な識別が困難である。

ところで、各種気体、液体に微量に含まれる特定成分を測定し、その濃度を測定する微量分析法としてレーザ誘起蛍光法が知られている。このレーザ誘起蛍光法を用いた測定方法の一例として、特許文献３による「測定方法及び装置」が公知である。この測定方法は、大気にレーザ光を照射して発生する蛍光の強度から二酸化窒素濃度を測定する方法であり、被測定大気とこの大気から二酸化窒素を除去した参照大気とにそれぞれ単一波長のレーザ光を照射し、被測定大気と参照大気の発する光の強度をそれぞれ測定して両者の強度を差し引き、これによって被測定大気中の二酸化窒素濃度を測定するというものである。

この方法では、それぞれの大気に単一波長のレーザ光を照射したことにより生じる蛍光の強度を測定することによって二酸化窒素の濃度を測定するようにしており、従って一般に用いられるレーザ誘起蛍光法による測定方法と同様に、蛍光の測定は共鳴蛍光の測定原理を用いたものであって、蛍光は吸収光と同じ波長の光である。共鳴蛍光は、蛍光の強度を測定することにより定量分析するのに適しており、特定波長の蛍光を共鳴により強めて蛍光強度測定し、蛍光強度と比例関係にある濃度が測定される。

しかし、このレーザ誘起蛍光法をそのままプラスチック類の種類を判別する方法として利用することはできない。従来までの微量分析のターゲットは単原子又は単分子であり、そのため特定の蛍光波長に対して強度を測定するだけで可能であるが、プラスチック類のように複雑な分子構造を持ち、且つ様々な添加材を含むような場合では、単に蛍光強度を測定するだけでは、異なるプラスチック類であっても蛍光強度は一致することが起こる。そのため、蛍光強度だけで種々のプラスチック類を正確、確実で、短時間に特定することはできない。

本発明者等は、上記のような事情を考慮して、共鳴蛍光による強度のみの測定ではなく、直接線蛍光の測定原理では光吸収した励起の波長より長波長側、即ち低エネルギ側からの蛍光が得られることに着目し、プラスチック類の種類毎に所定波長範囲に亘って蛍光強度の分布が異なる蛍光スペクトルのパターンを得ることができないかについて試行錯誤の結果、特定波長域の光源を用いれば可能であるという結論に達し、本発明を提案するに至ったのである。
特開平６−３０８０２２号公報 特開平８−３００３５４号公報 特開２００３−１３９７０７号公報

この発明は、上記の種々の問題に留意して、紫外線を用いて照射することにより、前準備もなく、材料の複雑な加工及び表面形状による影響を受けずに、簡便な計測により正確なプラスチック類の判別ができるプラスチック類の識別方法及び装置を提供することを課題とする。

この発明は、上記の課題を解決する手段として、紫外光域内の単一波長の光を励起光としてプラスチック類に照射し、そのプラスチック類の照射面から発光される蛍光又はプラズマ発光が有する特有のスペクトル分布の分光特性を測定し、予め測定された所定のプラスチック類の分光特性の基準データと比較、識別して測定対象のプラスチック類の種類を特定するプラスチック類の識別方法としたのである。

そして、この識別法を実施する装置として、紫外光域内の単一波長の光を出力する光源をその励起光をプラスチック類に照射するように設置し、プラスチック類の照射面から発光される蛍光又はプラズマ発光を受光する受光手段と、その蛍光又はプラズマ発光が有する特有のスペクトル分布の分光特性を測定する分光測定手段と、各種プラスチック類についてそれぞれの蛍光又はプラズマ発光の分光特性データを基準データとして記憶部に記憶し、上記測定手段によって測定された測定データを基準データと比較して測定データを識別する識別手段とを備え、各種プラスチック類の分光特性パターンに基づいてプラスチック類の種類を特定するプラスチック類の識別装置を採用することできる。

上記プラスチック類の識別方法及び装置によれば、一般にレーザ誘起蛍光法と呼ばれる質量分析法のように単一波長の蛍光の強度だけを測定するのではなく、各種プラスチック類の種類又は着色剤等の添加物を含むもの毎に異なる特有のスペクトル分布の分光特性パターンを検出することにより被測定物であるプラスチック類の種類を正確かつ容易に特定できる。このような特有のスペクトル分布の分光特性パターンは、光源からの励起光を紫外光域内の紫外光とすることにより得られる。

共鳴蛍光を利用した微量分析では、分子振動に共鳴するエネルギが赤外域に存在するため赤外光を使用し、測定ターゲットの分子構造に起因した共鳴蛍光しか得られない。しかし、光子エネルギの高い紫外光を光源に用いることは、殆ど全てのプラスチック類が光を吸収し、そのエネルギは低いエネルギ域、つまり励起光より長い波長の可視域で蛍光を発する。蛍光の波長が励起光より長い理由は、試料に吸収されたエネルギはその一部を熱に変換して放出し、残りが蛍光として放出されるためである。しかし、蛍光へのエネルギの変換は、プラスチック類の構造、添加材により異なるため、可視光の波長域に亘って被測定対象のプラスチック類の種類毎に特有のスペクトル分布の分光特性パターンとなって分布するため、このような特有の分光特性パターンの測定を可能とすることを意味する。

プラスチック類を被測定対象の試料として、上記励起光を照射する場合、その形状が複雑で、表面状態が悪く、不純物、色素等が含有されていても、励起光が吸収されればよい。発光は照射面から全方向へ放射されるから、任意の方向から上記発光を受光し、その発光の分光特性を測定する。そして、予めプラスチック類の特定の種類毎の分光特性を基準データとして保存しておき、その基準データと上記のようにして測定された分光特性パターンのデータと比較し、基準データとの一致、不一致によりプラスチック類の種類を特定する。

分光特性の測定には、例えば一般に使用される分散型分光器を用いてもよいし、又対象となるプラスチック類の種類が少ない場合は、波長選択フィルタを用いて大略の分光特性パターンを測定するようにしてもよい。測定された分光特性パターンのデータを基準データと比較して識別する場合、基準データに対し所定の誤差範囲を予め設定しておき、所定の誤差範囲内であれば一致するとして識別するようにしてもよい。

この発明のプラスチック類の識別方法及び装置では、紫外線を照射してプラスチック類の表面に生じる蛍光を計測するという簡便な方法及び装置であるため、前準備も必要なく、材料の複雑な加工及び表面状態による影響を受けることなく低出力のレーザ光でも十分に蛍光が観測でき、低コストで正確なプラスチック類の識別が可能であり、十分なデータをデータベースとして蓄積することにより豊富なプラスチック類の種類にも対応できるなどの種々の利点が得られる。

以下、この発明の実施の形態について図面を参照して説明する。図１は実施形態のプラスチック類識別装置の全体概略構成図である。１はサブナノ秒から数ミリ秒の範囲のパルス幅を有するパルスレーザ光を発生するレーザ装置であり、この例ではＮｄ；ＹＡＧレーザが用いられ、そのレーザ光は紫外光域の所定波長の紫外光として第３高調波（λ＝３５５ｎｍ）又は第４高調波（λ＝２６６ｎｍ）が用いられている。２は励起光集光レンズであり、集光された励起光はプラスチック類の試料Ｐの表面に照射される。但し、励起光のエネルギが試料を励起するのに十分であれば必ずしも試料表面に集光する必要はない。この励起光の照射により試料Ｐの照射面には試料Ｐの分子構造又は添加物に起因した特有のスペクトル分布の蛍光又はプラズマ発光の発光が生じ、この発光はその表面からあらゆる方向に放出される。

上記発光は色収差の少ない対物レンズを用いた捕集レンズ３と光ファイバ４を用いた集光手段５により受光、集光されて分光モニタ６へ送られ、分光モニタ６は、図示の例では、回折格子を用いた分光器と、分光された光を検出する２つの光検出器とが用いられている。なお、分光器に代えて波長選択フィルタの複数種類のものを組合わせて用いてもよい。

識別手段７は、パーソナルコンピュータＰＣが用いられ、分光モニタ６の波形スペクトル分布のデータが送られて来ると、そのデータを予め測定された各種プラスチック類の基準データ（データベース）と比較し、検出されたデータによる蛍光波形分布のパターンが基準データと一致しているかを識別するプログラムと、その内部の記憶部及び／又は外部に接続されるニューラルネットワークを介して各種プログラム類の基準データを記憶する記憶部とを備えている。

上記の構成としたこの実施形態のプログラム類の識別装置は、レーザ装置１から紫外光域の所定の紫外光を試料Ｐに照射することにより試料Ｐのプラスチック類の照射面には蛍光が発生する。この場合レーザ装置１からのレーザ光はパルス光であり、プラスチック類の表面に極く短時間（数μ秒）であるが蛍光が生じる。レーザパルス光のパルス幅は蛍光スペクトル分布に対しては極めて鈍感であり、サブナノ秒から数ミリ秒の範囲でも問題はない。この蛍光は、光源の紫外光と異なり、１又は複数箇所の波長付近に光量ピークを有し、かつ可視光域に亘って分布する種々の波長成分を含み、そのプラスチック類に特有の分光特性パターンを示す。

上記蛍光は、試料のプラスチック類が透明、半透明、又は非透明かに拘わらず、プラスチック類の照射面上で全方向に放射される。従って、赤外線分光法のように赤外線を試料の裏面へ透過し得るように試料の厚みを削るなどの前準備をする作業は不要である。上記蛍光は、任意の方向に設置した集光手段５の捕集レンズ３で集光され、分光モニタ６で可視光域での上述した蛍光が有する各波長毎の光量の波長スペクトル分布が測定される。

なお、分光モニタ６では上記波長スペクトル分布のパターンが測定されると共に、その蛍光の全光量及びピーク光量となるピーク波長が同時に測定される。このようにして測定されたデータは、図２のブロック図に示すように、識別手段７における識別プログラムによりその記憶部に記憶された基準データ（データベース）と比較され、そのプラスチック類の種類が特定される。但し、測定されるデータが照射する光のパワーや、検知器との距離、被測定物の表面状態によって蛍光輝度の異なるデータであるため、基準データは予め規格化され（例えば各波長の蛍光量を光源の光量との比とする処理により）て記憶されている。

従って、測定されるデータも同じ処理を行なって規格化された値として識別プログラムによりパターン比較され、一致、不一致が判断される。測定されたデータが既知のプラスチック類に一致しているかどうかの判断をする場合、対象の波長の全範囲に亘って波長スペクトル分布が一致していれば当然一致の判断が行なわれるが、全体的に又は部分的に若干異なる場合、それぞれの範囲を設けて一定範囲内の誤差であれば一致すると見なすようにしてもよい。

添加材等の違いを含めると数百種類に及ぶプラスチック材料に対して正確な判断を得るには、可能な限り多くの基準データを蓄積しておき、微差であっても異なる種類のプラスチック類である場合などに注意して上記一致、不一致に対する誤差設定の範囲を定める必要がある。現在の日本での一般的なコンピュータによる計算能力、画像処理技術の現状ではその判断は１秒程度の短時間で可能である。又、広く利用されている汎用のプラスチック材料種に限定するならば、瞬時に識別することも可能である。又、蛍光の分光特性の違いをより顕著にするため、蛍光の分光特性を微分処理したデータを用いることもできる。

なお、上記実施形態ではレーザ装置としてＮｄ；ＹＡＧレーザを用い、紫外線をその第３、第４高調波の紫外光としたが、光源としては紫外光を放射できるものであればよく、必ずしもレーザのような単一波長である必要はない。一般に紫外域２００〜４００ｎｍの範囲内で紫外線を発生し、小型で安価である装置とするのが望ましい。又、上記例では光源にレーザ装置を用いたが、紫外線ランプと特定波長の紫外光を透過するフィルタを組合せて単一波長の紫外光の光源としてもよい。さらに、上記説明ではプラスチック類の種類を蛍光の波長スペクトルのパターンにより特定するとしたが、蛍光に代えてプラズマ発光を利用してもよい。

上述したＮｄ；ＹＡＧレーザの第３高調波λ＝３５５ｎｍの紫外光を用いて各種プラスチック類から発生する蛍光の波長成分の分光特性（波長スペクトル）を種々測定した結果を図４〜図６に示す。図３の（ａ）図はアクリル樹脂（ＰＭＭＡ）蛍光分光特性、（ｂ）図はポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）蛍光分光特性、図４の（ａ）図はポリプロピレン（ＰＰ）蛍光分光特性、（ｂ）図はポリ塩化ビニル（ＰＶＣ）蛍光分光特性、図５の（ａ）図は緑色アクリル樹脂（ＰＭＭＡ）蛍光分光特性、（ｂ）図は灰色アクリル樹脂（ＰＭＭＡ）蛍光分光特性を表すグラフである。

図３の（ａ）、（ｂ）図はどちらも透明材料である。ＰＭＭＡでは６５０ｎｍ付近に僅かな山が見られ、ＰＥＴでは４８０ｎｍ付近に特徴的な発光が存在する。図４の（ａ）、（ｂ）図も透明材料のＰＰとＰＶＣであり、図示していないが、透明材料でない場合は、ＰＰでは４００ｎｍ、ＰＶＣでは６００ｎｍの波長において大きな違いが生じた。

図５の（ａ）、（ｂ）図では緑色、灰色に着色されたＰＭＭＡの分光特性を示し、透明材料で強い発光を示した４００ｎｍの波長成分は減少し、緑色では６００〜８００ｎｍの波長に亘って強い発光が、又灰色では５８０ｎｍ、６８０ｎｍ付近にピークを持ち、広い範囲の波長成分を持つ発光が顕れた。

この発明のプラスチック類識別方法及び装置は、産業廃棄物としてのプラスチック類のリサイクルのための識別だけでなく、成分分析装置や材料品質の管理等非破壊でプラスチック類の種類を特定することを必要とする各種分野に広く利用され得る。

実施形態のプラスチック類識別装置の全体概略構成図 プラスチック類を識別するためのブロック図 （ａ）アクリル樹脂蛍光分光特性（λ＝３５５ｎｍ）、及び（ｂ）ポリエチレンテレフタレート蛍光分光特性（λ＝３５５ｎｍ）のグラフ （ａ）ポリプロピレン蛍光分光特性（λ＝３５５ｎｍ）、及び（ｂ）塩化ビニル蛍光分光特性（λ＝３５５ｎｍ）のグラフ （ａ）緑色アクリル樹脂蛍光分光特性（λ＝３５５ｎｍ）、及び（ｂ）灰色アクリル樹脂蛍光分光特性（λ＝３５５ｎｍ）のグラフ

符号の説明

１ レーザ装置
２ 励起光集光レンズ
３ 捕集レンズ
４ 光ファイバ
５ 集光手段
６ 分光モニタ
７ 識別手段
Ｐ 試料

Claims (5)

1. 紫外光を励起光としてプラスチック類に照射し、そのプラスチック類の照射面から発光される蛍光又はプラズマ発光が有する特有のスペクトル分布の分光特性を測定し、予め測定された所定のプラスチック類の分光特性の基準データと比較、識別して測定対象のプラスチック類の種類を特定するプラスチック類の識別方法。
2. 紫外光を励起光として出力する光源をその励起光をプラスチック類に照射するように設置し、プラスチック類の照射面から発光される蛍光又はプラズマ発光を受光する受光手段と、その蛍光又はプラズマ発光が有する特有のスペクトル分布の分光特性を測定する分光測定手段と、各種プラスチック類についてそれぞれの蛍光又はプラズマ発光の分光特性データを基準データとして記憶部に記憶し、上記測定手段によって測定された測定データを基準データと比較して測定データを識別する識別手段とを備え、各種プラスチック類の分光特性パターンに基づいてプラスチック類の種類を特定するプラスチック類の識別装置。
3. 前記光源を単一波長の紫外光を出力するレーザ装置とし、そのレーザ光に基づいてプラスチック類の照射面に特有の分光特性パターンを有する蛍光を生じさせるようにしたことを特徴とする請求項２に記載のプラスチック類の識別装置。
4. 前記分光測定手段が回折格子を用いた分光器と、分光された光を検出する光検出器とから成ることを特徴とする請求項２又は３に記載のプラスチック類の識別装置。
5. 前記分光測定手段が分光するための複数種の光学フィルタと、分光された光を検出する光検出器とから成ることを特徴とする請求項２又は３に記載のプラスチック類の識別装置。

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