熱點應用丨ATR-FTIR技術在鑒別塑料制品中的應用

2024-12-10 08:15:11 52閱讀次數

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塑料是世界上使用最多的產品之一，2020年全球塑料產量估計為3.67億噸^[1]。塑料因生產成本低、耐用、輕便和設計自由的特點，具有諸多用途，幾乎在各行各業都可以發現他們的身影。從食品工業（包裝）到電氣、電子行業（絕緣）以及建筑行業的密封、包層等。

然而，塑料的大量使用逐漸形成了“一次性文化”，塑料污染成為最普遍的環境問題之一。防止塑料污染的一個解決方案是改善廢品管理系統和回收利用。因此，根據塑料的類型進行分類，確保其適當的處理和再利用，顯得至關重要。為了方便塑料的分類，塑料工業協會推出了塑料識別代碼（PIC）（可以在塑料表面觀察到）。表1顯示了PIC符號的首字母縮略詞、全名和應用示例。當PIC標識符不存在時，光譜技術如傅里葉變換紅外光譜(FTIR)，可以快速識別和分類回收塑料。

表1：塑料的PIC符號、首字母縮寫、全名和應用示例^[2]

FTIR是一種強大的定性和定量分析工具。當塑料吸收紅外輻射時，產生的信號是代表其分子“指紋”的光譜。不同的塑料樣品會產生不同的指紋圖譜，可以輕松實現塑料的識別。本文使用配備衰減全反射（ATR）附件的愛丁堡傅里葉變換紅外光譜儀IR5來識別不同的塑料。

實驗與方法

樣品：四種塑料樣品（可生物降解袋、電子產品包裝袋、軟飲料瓶、果汁瓶）。

切割為大約2×2平方厘米的大小。

使用愛丁堡傅里葉變換紅外光譜儀IR5（配備ZnSe晶體的ATR附件）對樣品進行分析。ATR附件不需要復雜的樣品制備，可以獲得可靠、高質量的光譜。為了獲得一致性較高的光譜，可以使用ATR附件的頂針對樣品施加壓力，確保晶體和樣品之間保持一致的接觸。用過KnowItAll光譜庫（紅外光譜）識別塑料類型。

圖1 愛丁堡傅里葉變換紅外光譜儀IR5（基礎款）

結果與討論

四種塑料樣品的光譜以4cm^-1的分辨率獲得，平均5次掃描，每個光譜的總采集時間約為15秒。

光譜庫識別出可生物降解袋樣品（圖2）為高密度聚乙烯（HDPE），匹配度為94%。HDPE是一種“純”的PE，其聚合物鏈不含甲基（CH₃）側鏈，僅含有CH₂基團。通過這種方式，聚合物鏈可以更緊密地聚集在一起，從而產生更致密的材料。位于1465cm-1處的峰是HDPE的特征峰。位于2915cm^-1、2848 cm^-1和719cm^-1處的峰，分別對應于不對稱C-H伸縮振動、對稱C-H伸縮振動和擺動模式下的亞甲基(CH₂)基團振動^[3~5]。從表1可以看出，HDPE樣品是PIC“2”標記材料，可回收。

圖2 可生物降解袋樣品的紅外光譜圖

電子產品包裝袋的紅外光譜如圖3所示。與光譜數據庫比對表明，該袋子的主要化合物為聚對苯二甲酸丁二酯（PBT）。PBT是一種熱塑性聚酯材料，其成分和性能與PET相似。它比PET結晶快，主要用于汽車和電氣市場的包裝、工業模型。3000cm^-1~2800cm^-1之間的吸收峰屬于O-H伸縮振動，1711cm^-1和728cm^-1的較窄峰分別屬于C=O和C-H伸縮振動。

圖3 電子產品包裝袋的紅外光譜圖

軟飲料和果汁瓶的紅外光譜如圖4所示。兩個樣品都被鑒定為PET（PIC1，可安全回收），果汁瓶樣品的光譜匹配度為77%，軟飲料瓶樣品的光譜匹配度為85%。IR5分辨出PET的特征波段分別為1713cm^-1（C=O伸縮振動）、1241cm-1和1094cm^-1（C-O伸縮振動）、723cm^-1（芳香C-H面外彎曲振動）^[6]。

圖4 軟飲料和果汁瓶的紅外光譜圖

結論

高效、適當地處理和回收塑料對更清潔、更環保的地球至關重要。ATR-FTIR光譜是一種簡單的技術，可以根據塑料的紅外光譜特征有效地識別塑料。使用愛丁堡傅里葉變換紅外光譜儀IR5得到的高質量紅外光譜，可以幫助我們快速識別四種塑料樣品。

參考文獻

1.EU plastics production and demand – first estimates for 2020 Plastics Europe;

2.Plastic Recycling & Resin Identification Codes | Maxpack;

3.C.Smith, Electromagnetic radiation, spectral units, and alkanes. Spectrosc. (Santa Monica) 30, (2015);

4.C.Smith, The Infrared Spectra of Polymers II: Polyethylene. Spectroscopy 24–29 (2021);

5.C.Smith, The infrared spectra of polymers, part I: Introduction. Spectrosc. (Santa Monica) 36, 17–22 (2021);

6.R. Jung et al., Validation of ATR FT-IR to identify polymers of plastic marine debris, including those ingested by marine organisms. Mar. Pollut. Bull. 127,704–716 (2018).