开发出无损诊断塑料劣化的新技术

开发出无损诊断塑料劣化的新技术

2022/01/06

塑料变质 开发无损诊断新技术 通过近红外光谱和机器学习 可以进行高精度检查

塑料零件用于各种产品，从汽车到建筑材料和家用电器，支撑着人们的生活。另一方面，随着时间的推移，塑料不可避免地会变质，了解零件的劣化程度是安全可靠的产品必不可少另外，近年来材料回收适用于需要对劣化进展较小的塑料部件进行分选技术也在增加。
到目前为止，塑料劣化是通过实际拉伸材料并测量其断裂伸长率来测量的涉及变形和破坏的测试方法测量然而，这会使部件在测试后无法使用，所以非破坏性测量和判断劣化的方法是所希望的。
AIST开发的“使用近红外光的劣化诊断方法”是利用塑料特性专门吸收近红外光的技术和使用机器学习进行数据分析使用紧凑的设备轻松检查创建了与“破坏性检查”相同精度的诊断。

现场需要无损诊断

　2020年7月，AIST宣布开发出一种“使用近红外光的劣化诊断方法”，该技术利用近红外光和机器学习来轻松且非破坏性地诊断聚丙烯（一种塑料）的劣化。 (7/20 新闻稿文章）

　塑料零件用于各种产品和机器并支持现代社会。另一方面，塑料会随着时间的推移而劣化，因此了解每个部件的劣化程度对于安全使用产品和保证质量至关重要。此外，近年来，人们越来越需要分离塑料部件的技术，这些部件可用于材料回收并且不易变质。还需要决定是否重复使用塑料部件。

到目前为止，塑料劣化诊断都是使用涉及变形和破坏的测试方法进行的，例如实际拉伸材料并测量断裂伸长率。然而，由于这种方法会变形并破坏待测物体，因此无法诊断已融入产品并实际使用的塑料部件的质量或劣化，并且迄今为止尚未建立替代的无损诊断技术。

近红外光使设备更加紧凑

　产业技术研究院的“利用近红外线的劣化诊断方法”是利用了塑料特异吸收近红外线的特性的技术。

　通过使用近红外光，我们已经能够将设备的尺寸缩小到手掌大小。这使我们能够将其带到现场，并在现场检查汽车零部件和建筑材料，而无需将它们拆卸下来。”开发人员、功能化学研究部化学材料评估组的新泽解释了使用近红外光的优点。

然而，另一方面，使用近红外光进行测量也存在问题。新泽说：“近红外光具有容易穿透材料内部的特性。这适合于分析，但所得光谱也反映了各种化学成分的信息。因此，信息太多，无法通过观察直观地确定劣化程度。”

　如果你实际观察近红外光谱（右下），你会看到许多小峰重叠，而且很难知道哪个峰反映了塑料内部的什么状态。

光谱数据的机器学习

因此，新泽决定利用“机器学习”来分析这种复杂的光谱数据，并研究与传统拉伸测试的相关性。机器学习是一种数据分析技术，它允许计算机从大量数据中学习，类似于人类的学习方式，发现隐藏在数据中的规则和模式。

　为此，新泽开始获取实验数据来执行机器学习。具体而言，制备具有不同劣化程度的聚丙烯样品，用波长1,600nm至2,000nm的近红外光照射这些样品，并测量它们的吸收光谱。另一方面，进行作为现有的劣化诊断方法的拉伸试验，测定直到样品被拉伸而断裂为止的伸长率（断裂伸长率）。

就这样，我们了解到了将实际测量的“近红外光吸收光谱数据”和“断裂伸长率数据”结合起来的30组数据，并导出了连接这两个数据的计算公式。当他们随后使用另一个聚丙烯样品的数据验证这个公式时，两个测试数据显示出非常高的一致性。

　因此，新泽澄清了“近红外光谱”和“断裂伸长率”之间的相关性，并得出了“可以通过非破坏性近红外光谱来判断劣化程度”的结论。

科学验证测试方法，建立可靠技术

　尽管可以通过近红外光谱和机器学习的数据分析来确定聚丙烯的降解情况，但新泽认为有必要澄清近红外光谱为何可以测量降解的基础。 “我们认为企业不会仅仅因为我们说‘机器学习可以使近红外光谱数据和断裂伸长率数据高精度匹配，因此可以通过观察近红外光谱来确定劣化’。如果我们不知道为什么仅通过照射近红外光就能准确确定塑料劣化程度，我们认为企业不会愿意将其用于需要高可靠性的劣化诊断。”

新泽详细研究了近红外光谱形状变化的机制。他们发现，在 1,700 nm 波长附近出现的光谱中的两个大峰反映了材料的劣化。他们发现左侧峰值增加而右侧峰值减少的现象是由于聚丙烯劣化时材料内的成分发生变化造成的。这个光谱峰值变化极小，人眼不易察觉，是新泽仔细分析的结果。

当时担任研究小组组长的 Suimon 评论道：“这项技术的开发始于创建一种紧凑且廉价的近红外光照射装置的想法，并想知道它是否可以应用于无损检测。我相信，我们能够在未来 10 年内完善它作为诊断技术的原因是因为 Niizawa 擅长分析光谱数据，并能够正确解释数据的含义。”

　这次我们只针对聚丙烯进行诊断。未来我们会考虑是否可以扩展到其他塑料。另外，这次我们只分析了人工降解的样品，但从现在开始，我们必须对实际使用的产品进行劣化诊断。为了将这种诊断技术提高到可以在企业环境中实际使用的水平，我们必须收集许多不同的样本并建立一种可以对各种塑料进行无损诊断的技术。新泽稳步积累数据的日子还将继续。

“材料诊断平台”提供多种诊断技术
您可以轻松访问的“物资综合医院”

　Suimon和Niizawa所属的功能化学研究部开发了独特的分析和评估技术，用于评估塑料和橡胶等树脂材料的质量和安全性，并建立了“材料诊断平台”，利用这些技术来支持企业解决他们面临的问题。

　除了“利用近红外光谱进行材料诊断”之外，“材料诊断平台”还提供分子结构分析、加成分析、高阶结构分析、劣化分析、动态结构分析、界面结构分析等多种分析技术。

　我相信你们都知道，塑料和橡胶是容易变质的材料。塑料和橡胶的结构和成分复杂，需要对其进行精密的分析和分析，找出原因。这也是业界担心的事情，我们经常听到人们说他们不知道为什么某些东西会损坏，或者想知道何时需要更换它，”Suimon 说。

　如果您随意携带材料，例如“成型品破裂时遇到麻烦”，我们将对其进行分析并将结果返回给制造商。我们还将与您一起解决问题，因此希望您将我们用作“材料综合医院”。

　对于承担产品责任的公司来说，材料变质是一个主要问题。 AIST 功能化学研究部将继续致力于帮助解决这一问题。
材料诊断平台