热点应用丨ATR-FTIR技术在鉴别塑料制品中的应用

2023-08-31 19:48:25, 天美天美仪拓实验室设备（上海）有限公司

塑料是世界上使用最多的产品之一，2020年全球塑料产量估计为3.67亿吨^[1]。塑料因生产成本低、耐用、轻便和设计自由的特点，具有诸多用途，几乎在各行各业都可以发现他们的身影。从食品工业（包装）到电气、电子行业（绝缘）以及建筑行业的密封、包层等。

然而，塑料的大量使用逐渐形成了“一次性文化”，塑料污染成为最普遍的环境问题之一。防止塑料污染的一个解决方案是改善废品管理系统和回收利用。因此，根据塑料的类型进行分类，确保其适当的处理和再利用，显得至关重要。为了方便塑料的分类，塑料工业协会推出了塑料识别代码（PIC）（可以在塑料表面观察到）。表1显示了PIC符号的首字母缩略词、全名和应用示例。当PIC标识符不存在时，光谱技术如傅里叶变换红外光谱(FTIR)，可以快速识别和分类回收塑料。

表1：塑料的PIC符号、首字母缩写、全名和应用示例^[2]

FTIR是一种强大的定性和定量分析工具。当塑料吸收红外辐射时，产生的信号是代表其分子“指纹”的光谱。不同的塑料样品会产生不同的指纹图谱，可以轻松实现塑料的识别。本文使用配备衰减全反射（ATR）附件的爱丁堡傅里叶变换红外光谱仪IR5来识别不同的塑料。

实验与方法

样品：四种塑料样品（可生物降解袋、电子产品包装袋、软饮料瓶、果汁瓶）。

切割为大约2×2平方厘米的大小。

使用爱丁堡傅里叶变换红外光谱仪IR5（配备ZnSe晶体的ATR附件）对样品进行分析。ATR附件不需要复杂的样品制备，可以获得可靠、高质量的光谱。为了获得一致性较高的光谱，可以使用ATR附件的顶针对样品施加压力，确保晶体和样品之间保持一致的接触。用过KnowItAll^®光谱库（红外光谱）识别塑料类型。

图1 爱丁堡傅里叶变换红外光谱仪IR5（基础款）

结果与讨论

四种塑料样品的光谱以4cm^-1的分辨率获得，平均5次扫描，每个光谱的总采集时间约为15秒。

光谱库识别出可生物降解袋样品（图2）为高密度聚乙烯（HDPE），匹配度为94%。HDPE是一种“纯”的PE，其聚合物链不含甲基（CH₃）侧链，仅含有CH₂基团。通过这种方式，聚合物链可以更紧密地聚集在一起，从而产生更致密的材料。位于1465cm-1处的峰是HDPE的特征峰。位于2915cm^-1、2848 cm^-1和719cm^-1处的峰，分别对应于不对称C-H伸缩振动、对称C-H伸缩振动和摆动模式下的亚甲基(CH₂)基团振动^[3~5]。从表1可以看出，HDPE样品是PIC“2”标记材料，可回收。

图2 可生物降解袋样品的红外光谱图

电子产品包装袋的红外光谱如图3所示。与光谱数据库比对表明，该袋子的主要化合物为聚对苯二甲酸丁二酯（PBT）。PBT是一种热塑性聚酯材料，其成分和性能与PET相似。它比PET结晶快，主要用于汽车和电气市场的包装、工业模型。3000cm^-1~2800cm^-1之间的吸收峰属于O-H伸缩振动，1711cm^-1和728cm^-1的较窄峰分别属于C=O和C-H伸缩振动。

图3 电子产品包装袋的红外光谱图

软饮料和果汁瓶的红外光谱如图4所示。两个样品都被鉴定为PET（PIC1，可安全回收），果汁瓶样品的光谱匹配度为77%，软饮料瓶样品的光谱匹配度为85%。IR5分辨出PET的特征波段分别为1713cm^-1（C=O伸缩振动）、1241cm-1和1094cm^-1（C-O伸缩振动）、723cm^-1（芳香C-H面外弯曲振动）^[6]。

图4 软饮料和果汁瓶的红外光谱图

结论

高效、适当地处理和回收塑料对更清洁、更环保的地球至关重要。ATR-FTIR光谱是一种简单的技术，可以根据塑料的红外光谱特征有效地识别塑料。使用爱丁堡傅里叶变换红外光谱仪IR5得到的高质量红外光谱，可以帮助我们快速识别四种塑料样品。

参考文献

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).