- 结合两种光精确分析塑料的晶体结构
- 使用 X 射线检测由于劣化而导致的晶体厚度的增加，并使用近红外光检测聚合物链螺旋形状的变化
- 阐明塑料制品劣化机制的新工具，有助于延长产品寿命和实现循环型社会
使用X射线散射和近红外光吸收同时测量系统进行塑料劣化分析的示例
米乐m6官方网站（以下简称“AIST”）功能化学研究部新泽英之研究组组长、古贺真藤首席研究员、萩原英明研究组组长、东子东子研究员负责塑料制品的研究X射线散射和近红外光的吸收率并诊断恶化状态。开发的测量装置使用高度透明的X射线和近红外光，因此可以测量原始形状的样品，而无需将样品加工成薄膜或其他形式进行测量。这种测量方法是分析塑料劣化的有用工具，因为它可以测量因劣化而被破坏或变形的区域，而不受形状或厚度的限制，并且还提供同一区域中塑料的多方面信息。因此，通过评估使用过的和劣化的塑料部件的质量，并为不太可能劣化的塑料提供设计指南，所开发的测量装置有望有助于延长塑料的使用寿命。
要实现循环型社会，必须防止塑料制品变质并彻底回收利用。延长塑料产品和回收产品的使用寿命与减少制造和焚烧过程中的二氧化碳排放直接相关。塑料会因暴露于光、热、水等而劣化。为了抑制劣化并延长寿命，首先需要详细阐明劣化的机理。然而，塑料的劣化涉及构成塑料的聚合物链结构的多种变化，以及聚合物链折叠时形成的称为晶体的结构的变化，因此阐明劣化现象需要使用多种分析仪测量劣化面积的复杂分析方法。
AIST 已材料诊断平台”的系统并响应公司的要求，使用各种尖端分析技术评估塑料质量并诊断劣化进展情况。最近，我们一直在开发一种利用光来诊断塑料劣化的技术（2020 年 7 月 20 日 AIST 新闻稿），我们通过结合X射线散射和近红外吸收来扩展这项技术以阐明降解机制，并且还在世界上首次开发出同步测量。
新开发的技术将X射线和近红外光照射到被测塑料内的同一位置，并同时测量X射线如何散射以及近红外光在穿过样品时被吸收的波长。通过使用两种方法测量同一区域，可以获得更准确的数据。图 1 显示了所开发设备的概述。
图1 X射线散射和近红外吸收同时测量系统概述
X 射线散射揭示了塑料晶体结构的尺寸。另一方面，近红外光的吸收揭示了构成晶体的聚合物链的长度。通过结合这两种测量数据，可以测量聚合物链的结构变化如何聚集在一起并导致晶体结构的变化，最终可以详细阐明影响塑料制品强度和耐久性的机制。
该测量技术应用于塑料制品主要成分之一聚丙烯的结构分析。聚丙烯是一种聚合物，具有通过规则地组装螺旋缠绕的聚合物链形成晶体的特性。如图2所示，因劣化而变脆的聚丙烯的X射线散射数据表明，聚丙烯晶体的厚度因劣化而变长，即晶体结构的量增加。另一方面，近红外吸收数据表明，随着材料的劣化，晶体部分中聚合物链形成的“螺旋”数量增加。结合两次测量数据发现，随着聚丙烯的劣化，其晶体结构内部的聚合物链形成更多的“螺旋”，导致晶体厚度增加，从而导致柔韧性和抵抗机械变形的无定形结构减少，使其变脆，容易断裂。一旦我们了解了这一机制，我们将能够通过采取措施抑制晶体结构的变化来设计出具有更长寿命的塑料产品。
图2 使用同时X射线散射和近红外吸收测量系统进行塑料劣化分析的示例
这种分析技术不仅可以应用于聚丙烯，还可以应用于大量生产的其他塑料，例如聚乙烯和尼龙，并且有望成为一种新的劣化诊断技术。
未来，我们愿意与企业积极合作，推广我们开发的分析技术。此外，“材料诊断平台”集成了包括该技术在内的各种诊断技术，通过各种化学分析诊断材料的状况，并提出适当的治疗建议。作为“材料综合医院”，我们响应企业的广泛诊断要求。