不同塑料材质检测中红外光谱技术的运用

　　摘    要：　红外光谱技术是用于有机化合物结构分析的技术，可以应用于化合物鉴定以及混合物解析等方面，具有应用范围广、特征性强、不受样品物态限制等优点，该技术在塑料领域研究方面得到了广泛的应用，发展应用前景十分广阔。文章主要介绍红外光谱技术在不同塑料材料的检测分析中的研究成果以及应用，旨在促进红外光谱技术应用及发展。

　　关键词 :     红外光谱技术;塑料;应用;

　　Abstract：　Infrared Spectroscopy is a technology used for structural analysis of organic compounds, which can be applied to compound identification and mixture analysis, etc. It has many advantages such as wide application range, strong characteristics, and no restriction of sample state, and has been widely used in the research of plastics. Its development and application prospects are very broad. This paper mainly introduces the research results and applications of infrared spectroscopy in the detection and analysis of different plastic materials, aiming at promoting the application and development of infrared spectroscopy.

　　Keyword：　infrared spectroscopy technology; plastics; application;

　　1、 前言

　　红外光谱(Infrared Spectroscopy,IR)技术的研究开始于20世纪初期，在有机化学中有着广泛的应用。由于有机物分子中，化学键和官能团的原子组成不同且其原子处于不断振动的状态，频率与红外光的频率相当。当有机物分子被红外光照射时，由于不同化学键或官能团的吸收频率差异，可以在红外光谱上显示出不同的吸收峰。随着科学的发展和一些新技术的出现，红外光谱技术得以更加迅速地发展与进步。红外光谱仪可以分为三代，第一代和第二代均属于色散型红外光谱仪，第三代出现傅里叶变换红外光谱仪，其光源发出的光先经过迈克尔逊干涉仪成为干涉光，再利用干涉光照射样品，检测器仅获得干涉图。

　　如今，塑料行业发展势头迅猛，大量产品涌入我们的生活，给人类的生活带来极大的便利，塑料材料产品在一定程度上也有着提升空间。塑料是以单体为原料经过加聚或缩聚反应而形成的高分子聚合物，其中含有各种填料、增塑剂、稳定剂、色料等原料，其成分复杂多变。红外光谱技术可以对塑料成分进行检验与分析，以便于探究塑料材料成分以及含量，并以此进行改善与提高。

　　2 、应用

　　2.1、 在塑料包装材料中的应用

　　塑料包装材料在日常生活中应用范围极广。近年来，许多研究者利用傅里叶变换红外光谱仪对塑料包装材料进行了研究。徐源等人[1]采用红外光谱法结合朗伯比尔定律，建立了特征峰的吸光度与薄膜厚度之间工作曲线，快速测得了聚乙烯塑料包装薄膜的厚度。张庆飞等人[2]利用红外光谱法对聚乙烯(PE)制品中分子结构和化学键分析，通过和标准化合物的红外光谱对比能快速分析定性分析PE制品是否含有再生料。市场上包装塑料多种多样，根据红外光谱仪可判断塑料种类，对于食品包装材料，多用红外光谱技术鉴定其材料成分。张磊等人[3]利用红外光谱技术对食品用塑料包装袋的种类进行了快速鉴别。王兴等人[4]采用索氏提取-红外光谱对乳制品塑料包装中添加剂定性分析，鉴别了不同厂家生产的材料。张美多[5]利用傅里叶变换红外光谱仪对市场销售的不同饮料瓶的塑料成分进行了检验和分析，通过对比所有样本并分析发现：大部分饮料瓶样本由聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)和PE组成，不同的饮料瓶的某些红外特征吸收峰的位置、强度及相对比例有明显的区别，同品牌的饮料瓶的某些特征吸收峰的峰高比例也存在一定的差异。增塑剂是一种功能性高分子塑料助剂，主要指邻苯二甲酸酯类物质，用于增加延展性、弹性及柔软度，若增塑剂在食品包装材料中出现，则有可能从包装材料迁移到食物中，严重影响人们的身体健康[6]。李京辉等人研究发现，红外光谱法是一种能够对快餐盒中的邻苯二甲酸酯及其含量进行快速检验的非破坏性方法[7]。

　　2.2、 在塑料助剂中的应用

　　塑料助剂能够改善聚合物加工性能或改善树脂本身性能不足，是塑料成型加工必不可少的成分。红外光谱仪和气相色谱/质谱联用仪联合分析鉴定塑料助剂的组成[8]，根据谱图和分子结构关系进一步探讨使光谱资料更加丰富，可以解决大多数定性和半定量分析问题。在热塑性塑料加工过程中，常通过润滑剂来降低树脂粒子与树脂分子熔体及加工设备间的摩擦。罗枝伟等人[9]采用傅里叶变换衰减全反射光谱快速分析三组塑料母粒中的润滑剂种类，同时，进一步分析发现润滑剂成分分别为N,N-亚乙基双硬脂酰胺、芥酸酰胺、硬脂酸和三硬脂酸甘油酯。抗氧剂是一种重要的塑料稳定化助剂，主要用于抑制聚合物树脂的热氧化降解。聚丙烯广泛应用于不同领域，但因聚丙烯中大分子链容易老化断裂而影响到材料和制品的性能，加入抗氧剂对延长聚丙烯制品寿命是最有效的方法[10]。陈键等人[11]利用红外光谱法快速测定了聚丙烯(PP)样品中抗氧剂168的含量及其在加工过程中的消耗量。李建军等人[12]利用红外光谱技术对聚乙烯光解塑料母粒中添加剂的含量进行了测定，同时也对聚乙烯塑料的支化度进行了定量分析。在聚丙烯塑料制品中，常选用滑石粉作为填充剂来提高聚丙烯的品质，宋小娇等人[13]通过测定含不同质量分数滑石粉标样的溴化钾红外光谱图[14]，并建立相关工作曲线，以实现汽车保险杠塑料中滑石粉含量的测定。

　　2.3、 在复合材料中的应用

　　复合材料是人们运用先进的材料准备技术将不同化学性质材料组合成的新材料，红外光谱技术对其检测有着广泛的应用。随着经济的飞速发展，单一树脂形成的塑料已无法完全满足生产与生活的需求，因此塑料合金产品的开发与研究逐渐成为了热点。李卫领等人[15]利用显微红外光谱仪特有的可视化显微镜定区域扫描功能及较高的红外光谱扫描的灵敏度有效地实现了聚丙烯/聚苯乙烯、聚苯乙烯塑料合金中各组分的相分布的表征。木塑复合材料克服单一材料缺陷，发挥了木材和塑料的优点，木材与塑料的配比影响木塑复合材料的价格，劳万里等人[16]利用红外光谱法建立了木粉含量、聚丙烯含量与两者红外吸收峰峰高比例之间的关系，从而定性识别并定量分析木塑复合材料中木粉和塑料含量。Charaf Lazrak等人研究发现，采用傅里叶变换光谱法有助于回收塑料制造木塑复合材料板[17]。塑料是仿制宝石的三大人工材料之一，红外反射光谱技术能够根据光谱特征分析有效区别塑料仿制品和真实宝石[18]，在人工宝石鉴定方面也有着较高的价值。

　　2.4、 在塑料的回收中的应用

　　塑料的广泛使用，随之带来的是塑料污染问题，红外光谱技术可以根据塑料中成分进行检验分类回收。常用塑料水管有PP塑料管、ABS塑料管，PP管硬度高、韧性差、耐高温，ABS管有较好的抗沉积性不易沾油结块，更适合作为下水管。两种材质的下水管在外观上难以分辨[19]，两者样品经红外光谱仪检测可对比发现光谱特征峰的不同，从而简捷准确鉴别材料。聚乙烯是一种比较常见的高分子化合物，广泛应用于各个领域，PE性质稳定，自然降解周期长，因此PE塑料废旧包装造成了严重污染。为防止再生塑料的滥用，侯玉磊等人[20]建立了近红外一致性模型和以羰基指数为指标的红外光谱识别法联合用于识别聚乙烯再生塑料，相互佐证有效减少误判。随着现代信息科技产业的迅速发展，废旧电子产品逐年递增，印刷线路板是电子产品中重要组成部分，而热解方法处理固体废物现已成为控制固体废弃物增长的有效手段。郭庆杰等人[21]利用热重曲线结合红外光谱对废弃电路板的热解动力学方程及其相关产物进行了研究，该研究为废弃电路板的成分分析与回收利用提供了重要技术手段。

　　2.5、 在塑料材质检验中的应用

　　塑料材质检验对于其在各个领域的应用有着良好的促进作用，红外光谱技术具有制样简单、方法准确、快捷、灵敏度高等优点，在塑料材质检验中发挥着重要作用。李焕新等人[22]利用衰减全反射红外光谱技术结合热分析技术对空调用继电器推杆、电子器件支架、排水管部件进行了检测与分析，为产品的可靠性提供了重要的技术支撑，为企业对塑料部件的质量控制提供了便利手段。张嘉楠等人根据红外特征吸收峰的差异将塑料饮料瓶进行分类[23]，并推断饮料种类以及来源。红外光谱技术虽然可以快速便捷、有效地鉴定塑料材质，但是当塑料中有填充无机物或者其他高分子材料时，红外光谱图复杂不能完整反映真实材质[24]，因此需要溶解将其进行分离并采用差热分析等辅助手段进行分析。尉念伦等人[25]采用红外光谱技术观察聚苯乙烯结构，且经过变温红外光谱技术证明聚苯乙烯的良好热稳定性。塑料编织袋主要用于包装，使用范围极为广泛，国内生产编织袋成分主要是聚丙烯高分子材料。傅里叶变换光谱仪可以检测塑料编织袋，尤其对微量化合物的检验，并通过实验[26]证明：红外光谱技术在不破坏检测材料的同时，对塑料编织带样品检验鉴别。快递已经成为我们日常生活中不可缺少的一部分，常见快递袋主要成分有聚乙烯、聚丙烯和聚氯乙烯等[27]，可以通过傅里叶变换红外光谱仪分析快递塑料包裹袋样品的特征吸收峰的不同来进行检验区分，从而向侦查破案提供线索[28]。同样，塑料拖鞋也时常出现在犯罪现场的证据[29]，通过红外光谱技术对样品进行检验，结合红外光谱图特征峰分析对比不同厂家塑料拖鞋样品进行区分，从而提供线索快速破案。

　　2.6 、红外光谱仪与其他检测仪器联用

　　随着科学进步与发展，红外光谱仪可以和气相色谱、液相色谱、薄层色谱等仪器联用[30]，充分发挥各仪器性能、弥补不足。红外光谱仪可以与显微镜进行联用形成显微红外光谱仪，从而进行显微红外光谱分析。其主要特点：灵敏度高，几纳克的样品就可以获得较好的红外光谱图；能够进行微区分析，显微镜目测孔径8微米至以下；分析过程中保持样品原样不被破坏。王娟娟等人[31]利用显微红外光谱技术验证标有聚乙烯成分磨砂洗面奶中添加的微小塑料颗粒，测试结果与标注成分一致。红外光谱技术可以和X-射线荧光技术结合获得电缆塑料护套的成分及元素含量，对其达到更好地区分效果[32]。Yixin Chen等人[33]利用同步辐射衰减全反射傅里叶变换红外光谱检验了半焦样品官能团变化，并结合X射线光电子能谱研究了焦炭形成过程中化学结构的变化。

　　3 、总结

　　红外光谱技术是一种常用的分析检测技术，具有快捷高效、灵敏可靠、应用范围广、特征性强、不破坏样品且不受样品物态限制等优点。红外光谱能够提供化合物官能团、类别、立体结构、取代基的数目以及位置等多种结构信息，根据这些信息可以确定塑料及其复合材料中的成分并进行定性和定量分析。同时，红外光谱技术还可以结合其他技术在塑料研究中取得突破与发展。

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