JP5229201B2

JP5229201B2 - プラスチックの識別装置およびその方法

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Publication number: JP5229201B2
Application number: JP2009277549A
Authority: JP
Inventors: 慈朗中; 博志黒川; 麻理子真下; 則子平野
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2009-12-07
Filing date: 2009-12-07
Publication date: 2013-07-03
Anticipated expiration: 2029-12-07
Also published as: JP2011117901A

Description

この発明は、廃家電製品等から得られる破砕混合樹脂から再利用可能なプラスチックを識別する装置、該識別装置を用いた樹脂の識別方法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、当該樹脂を手で解体できる部分は限られているため、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、金属又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。ここで、金属片やプラスチック片などが混在する混合破砕片を材質毎に選別し分別する工程において、プラスチック片はポリプロピレン（以下ＰＰ）、ポリスチレン（以下ＰＳ）やアクリロニトリル−ブタジエン−スチレン樹脂（以下ＡＢＳ）など様々な重合体を主成分とするプラスチック片が混合している。

このうち金属は、比重や電気的又は磁気的な力により、選別されるが、重合体（例えば、特開２００２−３２３４５０号公報、段落番号［０００４］記載の重合体、樹脂を含む）は、電気的又は磁気的な力による選別が出来ないため、搬送手段により搬送される重合体に光を照射し、該重合体からの反射光または散乱光から得られたスペクトルに基づいて種類を識別する方法がある。プラスチック片の再利用には、これらの重合体の種類毎に選別し、分別して回収する必要がある。また、破砕されたプラスチック片の形状は、数ｍｍ角で厚さ数ｍｍ程度の小片であることが多い。

また、プラスチック片には重合体の他に様々な添加剤が含まれており、その一つとしてカーボンブラックのような炭素充填剤もある。この炭素充填剤を含むプラスチック片の外観は黒色であり、その他、プラスチック片の色は、光の透過率から分類すれば、光を透過する透明色から全く透過しない黒色まであり、彩度や明度についても様々である。プラスチック片の再利用にはプラスチック片の色に関係なく重合体の種類毎に選別し、分別して単一材料にする必要がある。

このようなプラスチック片の材質を識別する方法の一つとして、ラマン散乱スペクトルを利用した方法が提案されている。レーザ光源から発した単色のレーザ光をプラスチック素材に照射し、プラスチック素材から散乱された光を集め、この集められた光を分光分析するもので、測定されたラマン散乱スペクトルのバンドパターンとデータベースに格納された既知のバンドパターンとを照合することによりプラスチック片の材質を識別する方法がある（例えば、特許文献１）。

また、レーザ光を識別対象物である被識別プラスチックに照射するレーザ照射系と、被識別プラスチックから散乱されたラマン散乱光からラマン散乱信号を得るラマン散乱信号取得手段と、予め既知のプラスチックのラマン散乱スペクトルを測定することにより設定した１点以上のピーク位置（既知ピーク位置）のラマン散乱強度およびベースライン位置（既知ベースライン位置）のラマン散乱強度を記憶する記憶手段と、被識別プラスチックのラマン散乱信号から得た識別したいプラスチックの材質ごとの既知ピーク位置に対応するラマンシフト波数におけるラマン散乱強度および既知ベースライン位置に対応するラマンシフト波数におけるラマン散乱強度と、記憶手段に記憶された既知ピーク位置のラマン散乱強度および既知ベースライン位置のラマン散乱強度とに基づいてプラスチックの材質を高速で識別する方法がある（例えば、特許文献２）。

特開２０００−３５６５９５号公報特許第４２０３９１６号公報

しかしながら、ラマン散乱スペクトルを測定する場合、炭素充填剤を含有する黒色プラスチックに強いレーザ光を照射すると、炭素充填剤の吸収による発熱でプラスチックが溶融し、ラマン散乱スペクトルが測定できないという問題がある。また、プラスチックの溶融を防止するため、弱いレーザ光を照射すると、信号強度が不足し、信号の積算のため長時間照射しなければならず、プラスチックの識別に時間がかかるのみならず、ＳＮ比の大きい測定ができないという問題がある。

実験では、ラマン分光装置による黒色プラスチックの測定において、レーザ波長７８５ｎｍ、レーザ出力５ｍＷ以上の条件で黒色プラスチックは溶融して、ラマン散乱スペクトルの測定は不可能あった。

特許文献１に記載されている識別装置では、黒色プラスチックの測定が可能であるが、ＳＮ比の大きなラマン散乱スペクトルを測定するためには、単色レーザの波長は６４０ｎｍから９５０ｎｍの範囲とされ、ファイバヘッド対物レンズの開口数ＮＡを０．６＜ＮＡ≦1の範囲に設定する必要があり、レーザ出力は数十ｍＷの出力で数ｓｅｃの測定時間が必要である。このような条件では、黒色プラスチックは溶融して、ラマン散乱スペクトルの測定は不可能ある。

また、特許文献２に記載されている識別装置では、数ｍｓｅｃでラマン散乱スペクトルの測定が可能であるが、レーザ光の出力は２００ｍＷ以上が必要であるため、黒色プラスチックは溶融して、ラマン散乱スペクトルの測定は不可能である。

この発明は、上記のような問題点を解決するためになされたものであり、黒色または有色のプラスチックであっても、プラスチックを溶融することなく、ＳＮ比の大きなラマン散乱スペクトルの測定が可能なプラスチック識別方法、識別装置および選別装置を提供することを目的としている。

この発明に係るプラスチックの識別装置は、搬送手段により搬送される破砕混合プラスチックに同時に複数本のレーザ光を照射し、該破砕混合プラスチックからの反射光または散乱光を検出素子で検出し、その検出結果に基づいてプラスチックおよびその添加剤の種類を識別するプラスチックの識別装置において、上記複数本のレーザ光は、１本のレーザ光を複数本の光ファイバに入射して得られるように構成したものである。

この発明は、黒色または有色のプラスチックが溶融することなく、短時間にＳＮ比が大きなラマン散乱スペクトルの測定が可能となり、黒色または有色のプラスチックの重合体の種類を識別することができるため、リサイクル工程における単一材質の回収率を増やすことができる。

この発明の実施の形態１におけるプラスチックの識別装置の構成を示す図である。この発明の実施の形態１に係る黒色のＡＢＳプラスチックのラマン散乱スペクトルを測定した結果を示す図である。この発明の実施の形態２におけるプラスチックの選別装置の構成を示す図である。データ処理装置の内部構成を示す構成図である。データ処理装置の内部構成を具体的なデータを用いて示した構成図例である。

実施の形態１.
次に、図面を用いて、この発明の実施形態を説明する。以下の図面の記載において、同一又は類似の部分には、同一又は類似の符号を付している。但し、図面は模式的なものであり、各寸法の比率等は現実のものとは異なることに留意すべきである。したがって、具体的な寸法等は以下の説明を参酌して判断すべきものである。また、図面相互間においても互いの寸法の関係や比率が異なる部分が含まれていることは勿論である。

図１は、この発明の実施の形態１におけるプラスチックの識別装置の構成を示す図である。図において、プラスチック識別装置１は、レーザ駆動電源２を有するレーザ発生装置３と、レーザ発生装置３から発生した１本のレーザ光４を広角に反射する凸面鏡５と、広角に反射された広角レーザ光６を複数のレーザ光７に分離し、この複数のレーザ光７をそれぞれ反射する複数のダイクロイックミラー８と、複数のレーザ光７をそれぞれ導く複数の光ファイバ９と、複数の光ファイバ９から出射した複数の出射光１０をプラスチック１１に照射するとともに、このプラスチック１１のレーザ照射位置から散乱されたラマン散乱光を集光するための複数の凸レンズ１２と、複数の光ファイバ９および複数のダイクロイックミラー８を経て得られた複数のラマン散乱光１３を集光するためのラマン散乱光集光用凸レンズ１４と、このラマン散乱光集光用凸レンズ１４により集光した光を、光ファイバである集光ファイバ１５を介してマルチャンネル分光器１６（以下、分光器１６とのみ記載することもある）に導き、この分光器１６により分光した光を検出して得られたデータを処理するデータ処理装置１７とから構成される。

ここでは、一例として１本のレーザ光を３本のレーザ光に分離した場合について説明する。すなわち、複数のレーザ光７は、第一レーザ光７ａ、第二レーザ光７ｂ、及び第三レーザ光７ｃであり、複数のダイクロイックミラー８は、第一ダイクロイックミラー８ａ、第二ダイクロイックミラー８ｂ、及び第三ダイクロイックミラー８ｃであり、複数の光ファイバ９は、第一光ファイバ９ａ、第二光ファイバ９ｂ、及び第三光ファイバ９ｃであり、複数の出射光１０は、第一出射光１０ａ、第二出射光１０ｂ、及び第三出射光１０ｃであり、複数の凸レンズ１２は、第一凸レンズ１２ａ、第二凸レンズ１２ｂ、及び第三凸レンズ１２ｃであり、複数のラマン散乱光１３は、第一ラマン散乱光１３ａ、第二ラマン散乱光１３ｂ、及び第三ラマン散乱光１３ｃである。

次に、この発明の実施の形態１におけるプラスチックの識別装置の動作について説明する。レーザ駆動電源２から電源の供給を受け作動するレーザ発生装置３から発生した１本のレーザ光４は、凸面鏡５で広角に反射され、この反射された広角レーザ光６は３枚のダイクロイックミラーである第一ダイクロイックミラー８ａ、第二ダイクロイックミラー８ｂ、及び第三ダイクロイックミラー８ｃにより、それぞれ第一レーザ光７ａ、第二レーザ光７ｂ、及び第三レーザ光７ｃに分割反射される。このとき、反射された広角レーザ光６は広角になっているため、第一レーザ光７ａ、第二レーザ光７ｂ、及び第三レーザ光７ｃの出力は分割された分だけ分散され低出力となる。ここでは、３分割されているため、それぞれのレーザ光の出力は、１本のレーザ光４の１／３である。ここで、レーザ発生装置３は、例えば半導体レーザまたはＹＡＧレーザなどであって、特定波長のレーザ光を発振できるもので、数ｍＷ程度の低出力まで制御できるものであればよい。

例えば、出力が９０ｍＷの１本のレーザ光４を凸面鏡８により３枚のダイクロイックミラー８に広角化した場合、１枚のダイクロイックミラーから反射されるレーザ光の出力は３０ｍＷになる。ダイクロイックミラーの枚数を増やし、１０枚のダイクロイックミラー８から反射されるレーザ光の出力は９ｍＷになる。ここで、複数枚のダイクロイックミラーの枚数は、特に規定はなく、４枚でも、５枚でも、１０枚以上でもよい。枚数が多くなるほど１枚のダイクロイックミラーから反射されるレーザ光の出力は弱くなる。また、ダイクロイックミラーを分割することなく１枚の大きなダイクロイックミラーで広角レーザ光６を反射し、対応する箇所に複数の光ファイバを配してレーザ光を分割する構成にしてもよい。このダイクロイックミラーは、レーザ光を反射して、かつラマン散乱光を透過するものであればよい。

第一レーザ光７ａ、第二レーザ光７ｂ、及び第三レーザ光７ｃは、それぞれ第一光ファイバ９ａ、第二光ファイバ９ｂ、及び第三光ファイバ９ｃに導かれ、それぞれの光ファイバからの第一出射光１０ａ、第二出射光１０ｂ、及び第三出射光１０ｃは、それぞれの光ファイバの先に設けられた第一凸レンズ１２ａ、第二凸レンズ１２ｂ、及び第三凸レンズ１２ｃを介して、プラスチック１１上に集光される。

プラスチック１１の第一出射光１０ａ、第二出射光１０ｂ、及び第三出射光１０ｃのそれぞれのレーザ照射位置から散乱されたラマン散乱光である第一ラマン散乱光１３ａ、第二ラマン散乱光１３ｂ、及び第三ラマン散乱光１３ｃは、出射とは逆の経路でそれぞれ第一凸レンズ１２ａ、第二凸レンズ１２ｂ、及び第三凸レンズ１２ｃにより集光され、対応する第一光ファイバ９ａ、第二光ファイバ９ｂ、及び第三光ファイバ９ｃに導かれる。第一光ファイバ９ａ、第二光ファイバ９ｂ、及び第三光ファイバ９ｃを通った第一ラマン散乱光１３ａ、第二ラマン散乱光１３ｂ、及び第三ラマン散乱光１３ｃは、対応する第一ダイクロイックミラー８ａ、第二ダイクロイックミラー８ｂ、及び第三ダイクロイックミラー８ｃを経てラマン散乱光集光用凸レンズ１４により集光される。

集光ファイバ１５に集められたそれぞれのラマン散乱光は、１つにまとめられ分光器１６に送られる。分光器１６は、分光器部分と分光器により分光した光を検出して電気信号に変換するＣＣＤやＩｎＧａＡｓ素子からなる検出器等からなる。分光器１６は、特に高分解能である必要ないが、記録済みのデータと比較できる程度の分解能を有する必要はある。

分光器１６からの出力される電気信号等によるラマン散乱スペクトルに係るデータは、パーソナルコンピュータやＣＰＵボードなどで構成されるデータ処理装置１７に送られる。図４は、データ処理装置の内部構成を示す構成図であり、図５は、データ処理装置の内部構成を具体的なデータを用いて示した構成図の一例である。図において、データ処理装置１７は、予め識別対象となるプラスチックのラマン散乱スペクトルに係るデータを記憶しておく記憶部５２と、データ処理装置１７から送信されるラマン散乱スペクトルに係るデータを記録する記録部５１と、記録部５１に記録されたラマン散乱スペクトルに係るデータと予め記憶部５２に記憶された複数のプラスチックの種類別のラマン散乱スペクトルに係るデータとを比較する演算部５３と、演算部５３の演算結果に基いてプラスチックの重合体の種類、及び添加剤の種類を識別する識別部５４とからなり、この識別部５４の識別結果に基いてプラスチックの重合体の種類、及び添加剤の種類が何であるかを識別することができる。

ここで、黒色プラスチックのラマン散乱スペクトルに係る実験結果から、例えば、レーザ波長４５７ｎｍ、７８５ｎｍ、１０６４ｎｍでレーザ出力を数ｍＷ程度にすると、数ｓｅｃで黒色プラスチックのラマン散乱スペクトルの測定が可能である。しかし、プラスチックの重合体のピークは微弱であるため、識別が困難である。そこで、ラマン散乱スペクトルのＳＮ比を大きくするために測定時間を長くした結果、測定の途中で黒色プラスチックの溶融が起こり測定は出来なかった。また、測定時間をさらに短縮すると、黒色プラスチックの溶融は起こらなかったが、ＳＮ比が小さくなりプラスチックの重合体のピークは得られなかった。

図２は、この発明の実施の形態１におけるプラスチックの識別装置を用い黒色のＡＢＳプラスチックのラマン散乱スペクトルを測定した結果を示す図である。図において、横軸はラマンシフト波数（ｃｍ^−１）、縦軸はラマン散乱強度（任意強度）を示す。レーザ発生装置としては、ＹＡＧレーザを用い、波長１０６４ｎｍのレーザを照射した。図の実線は、レーザ出力５ｍＷとし、ダイクロイックミラーを１個用い、凸面鏡の代わりに平面鏡を設置してダイクロイックミラーに入射するように配置した場合のラマン散乱スペクトルを示す。ここで、識別対象となるプラスチックに入射されるレーザ光は１箇所であるが、測定時間は４ｓｅｃを要する。この場合、ＡＢＳに特徴的なラマン散乱ピークである２２５０ｃｍ^−１付近のＣＮ伸縮ピーク、１６００ｃｍ^−１付近のＣＣ伸縮ピークが観測されるとともに、１３００ｃｍ^−１付近のカーボンブラックのピークも観測されている。

図の点線は、レーザ出力５０ｍＷとし、ダイクロイックミラーを３列×３列（９個）配置して、凸面鏡を用い９個のダイクロイックミラーにレーザ光が入射するように配置した場合のラマン散乱スペクトルを示す。ここで、識別対象となるプラスチックに入射されるレーザ光は９箇所となり、測定時間は０．５ｓｅｃである。すなわち、実線と同じようなＳＮ比をもつラマン散乱スペクトルを短時間で測定することが可能で、短時間の識別が可能となる。

このようにレーザの出力を数十ｍＷから複数の数ｍＷレベルに分散して低出力化することにより、黒色プラスチックの溶融を防止するとともに、各レーザ照射位置から同時に散乱するラマン散乱光を集光して積算することで、非常に短時間でプラスチックの重合体の種類、及び添加剤の種類を識別することができる。また、測定時間一定の条件下では、ラマン散乱スペクトルのＳＮ比を大きくすることができる。

また、この発明の実施の形態１における識別装置の構成では、１本のレーザ光を３本のレーザ光に分離した場合について説明したが、１本のレーザ光を複数のレーザ光に分離する構成であれば、特に構成に制限は無く、例えば、２本に分離しても、４本又は５本に分離しても、１０本以上に分離する構成にしてもかまわない。

また、この発明の実施の形態１に係る被識別体である樹脂として、プラスチックについて説明してきたが、被識別体からの反射光または散乱光のスペクトルに基づいて被識別体の材質が識別可能である樹脂であればよい。このような樹脂として、例えば、特開２００２−３２３４５０号公報、段落番号［０００４］に記載された重合体および重合体材料中の添加剤に示されるものがある。

特に廃家電における樹脂のリサイクルを行う上で、プラスチック片に混在されるゴム系樹脂又はスポンジ等の識別も重要であることもいうまでもない。なお、樹脂には該当しないが、炭素繊維、金属繊維の識別ができないことは明らかであり、これらの物質については、比重選別、静電選別等の異なる選別法により選別可能である。

また、被識別体からの反射光または散乱光のスペクトルに基づいて被識別体の材質を識別する手法としては、ラマンスペクトル分析、又は、近赤外線、中赤外線、遠赤外線、可視光、紫外線、及び蛍光などの分光分析に基づく公知の手法を用いることができる。たとえば、ラマンスペクトル分析に基づく手法は特開平１０−３８８０７号公報、中赤外分光分析に基づく手法は特開２００１−１０８５２７号公報にそれぞれ記載されている。

実施の形態２.
前記実施の形態１では、プラスチックの重合体の種類、及び添加剤の種類を識別する装置について説明したが、この識別装置を用いてプラスチックの選別装置を構成することができる。図３は、この発明の実施の形態２におけるプラスチックの選別装置の構成を示す図である。図において、前記実施の形態１と同一番号で示された部分は同様な構成となるため説明を省略する。ここでは、異なる構成について詳しく説明する。

この発明の実施の形態２におけるプラスチックの選別装置は、前記実施の形態１に係るプラスチック識別装置１と、振動ホッパーなどの破砕プラスチック２４を供給するプラスチック供給部２０と、破砕プラスチックを搬送するベルトコンベア等の搬送部２１と、圧縮エアによる空気噴射等を利用して破砕プラスチックを分別する分別部２２と、種類毎の回収容器２３とから構成される。回収容器２３は、分別すべきプラスチック２４ａを回収する第一回収容器２３ａとその他のプラスチック２４ｂを回収する第二回収容器２３ｂとからなる。

搬送部２１に破砕プラスチック２４（分別すべきプラスチック２４ａ、その他のプラスチック２４ｂからなる）がプラスチック供給部２０から順次供給される。破砕プラスチック２４は搬送部２１上で搬送される途中、プラスチック識別装置１によりプラスチックの重合体の種類、及び添加剤の種類が識別され、その情報が分別部２２に送られる。搬送部２１で加速がついた破砕プラスチック２４は搬送部２１から飛び出し、分別部２２では、送られてきた情報に基づいて、分別すべきプラスチック２４ａに圧縮エアを吹き付けることにより、第一回収容器２３ａで回収する。その他のプラスチック２４ｂは、そのまま第二回収容器２３ｂで回収する。このようにして、破砕プラスチックが選別される。

このように構成されたプラスチックの選別装置では、前記実施の形態１で記載したように、コンマ数ｍｓｅｃ程度の短時間で識別可能なため、大量の破砕混合プラスチックを短時間に選別することができる。

１プラスチックの識別装置、２レーザ駆動電源、３レーザ発生装置、４レーザ光、５凸面鏡、６広角レーザ光、７複数のレーザ光、７ａ第一レーザ光、７ｂ第二レーザ光、７ｃ第三レーザ光、８複数のダイクロイックミラー、８ａ第一ダイクロイックミラー、８ｂ第二ダイクロイックミラー、８ｃ第三ダイクロイックミラー、９複数の光ファイバ、９ａ第一光ファイバ、９ｂ第二光ファイバ、９ｃ第三光ファイバ、１０複数の出射光、１０ａ第一出射光、１０ｂ第二出射光、１０ｃ第三出射光、１１プラスチック、１２複数の凸レンズ、１２ａ第一凸レンズ、１２ｂ第二凸レンズ、１２ｃ第三凸レンズ、１３複数のラマン散乱光、１３ａ第一ラマン散乱光、１３ｂ第二ラマン散乱光、１３ｃ第三ラマン散乱光、１４ラマン散乱光集光用凸レンズ、１５集光ファイバ、１６マルチャンネル分光器、１７データ処理装置、２０プラスチック供給部、２０プラスチック供給部、２１搬送部、２２分別部、２３回収容器、２３ａ第一回収容器、２３ｂ第二回収容器、２４破砕プラスチック、２４ａ分別すべきプラスチック、２４ｂその他のプラスチック、５１記録部、５２記憶部、５３演算部、５４識別部

Claims

搬送手段により搬送される破砕混合プラスチックに複数本のレーザ光を照射し、該破砕混合プラスチックからの反射光または散乱光を検出素子で検出し、その検出結果に基づいてプラスチックおよびその添加剤の種類を識別するプラスチックの識別装置において、上記複数本のレーザ光は、１本のレーザ光を複数本の光ファイバに入射して得られることを特徴とするプラスチックの識別装置。
複数本のレーザ光は、１本のレーザ光を凸面鏡で広角に反射し、この反射光をダイクロイックミラーで反射して得られることを特徴とする請求項１記載のプラスチックの識別装置。
ダイクロイックミラーが複数枚からなることを特徴とする請求項２記載のプラスチックの識別装置。
１本のレーザ光を複数本の光ファイバに入射する工程と、上記複数本の光ファイバから得られる複数本のレーザ光を破砕混合プラスチックに同時に照射する工程と、上記複数本のレーザ光からそれぞれ得られるラマン散乱スペクトルを検知する工程と、この検知されたデータと他のデータとを比較し、破砕混合プラスチックの材質を識別する工程とを有することを特徴とするプラスチックの識別方法。