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    手持拉曼可快速鉴别违禁塑料

    2021-01-13 17:16:18  来源:卓立汉光

    在过去的几十年中,塑料垃圾已成为危害环境的主要污染物。实施了12年的“限塑令”已于2020年12月底在部分城市升级为“禁塑令”,30多地 “禁塑令”枪响。

    由于多数塑料粒子和塑料制品的成分从外观上很难区分,但是在不少应用场景下快速识别塑料成分却是个必须的过程,例如塑料制品回收、塑料粒子进料检验、进货检验等。目前,对塑料的分析方法主要有目视分析法、光谱法 (如傅立叶变换红外光谱法和拉曼光谱法)、热分析法以及其他分析方法等 (如质谱法以及扫描电子显微镜-能谱仪联用法)。其中,拉曼光谱分析,由于具有无破坏性、低样品量测试、高通量筛选等特点,成为检测和鉴别塑料的主要分析技术之一。

    卓立汉光手持式拉曼光谱仪便携,可以高效快速地对塑料制品进行分析,此外,仪器搭载的实用软件和简单的操作方式,使得用户不需要拥有分析化学知识,就可在现场应用中使用手持式拉曼设备,方便非光谱人员在现场进行快速鉴别。在本文中,将探索利用手持式拉曼光谱仪来鉴别塑料制品,以期为“禁塑令”通行,提供一定助力。

    『实验部分』

    2.1实验仪器及样品

         实验仪器:Finder Edge 1064nm手持式拉曼光谱仪(北京卓立汉光分析仪器有限公司)、某实验室搭建的科研拉曼光谱仪。

         手持式拉曼实验条件:1064nm激光器,激光功率300mW-350mW,光谱范围200cm-1-2500cm-1,采集时间5s。

         科研式拉曼实验条件:1064nm激光器,激光功率200mW-250mW,光谱范围200cm-1-2500cm-1,采集时间15s。

    2.2实验样品

    纯材质塑料、不同配比的混合塑料样品及市场上塑料制品,包括纯PE、纯PP、纯PS、纯PVC、纯EVA、纯PET等,不同配比的混合塑料样品及市场上商品包装袋(不同颜色购物袋、日用塑料袋、纸塑复合包装袋)、不同颜色垃圾袋、一次性餐具(饭盒、碗、碟、盘子、饮料杯、不同颜色吸管等)等共计400余种,下面选取几种典型的PE、PP、PS、PVC、EVA、PET六种常见塑料制品进行结果分析。

    2.3实验方法

    将待测样品放在样品测试区(固定或粉末样品采用固体测试头, 样品紧贴测试头),实验中对每一个样品测定三次,取平均值。

    『结果分析』

    3.1根据纯样品拉曼光谱标准图谱对设备进行可靠性验证

    首先将样品聚丙烯(PP)的手持式和科研式拉曼光谱图与其拉曼光谱标准图谱(见图1)[1]进行比对。

    图1 聚丙烯的拉曼光谱标准图谱

    聚丙烯有2954cm-1、2923cm-1、2903cm-1、2885cm-1、2841cm-1、2723cm-1、1459cm-1、1438cm-1、1360cm-1、1330cm-1、1167cm-1、1167cm-1、1147cm-1、973cm-1、842cm-1、810cm-1、529cm-1、456cm-1、399cm-1的特征振动峰。3000-2600cm-1的谱峰多为CH3和CH2中C-H键的伸缩振动峰;1500-800cm-1的谱峰多为C-C键的伸缩振动和C-H的弯曲振动峰,550-300cm-1的谱峰多为聚丙烯碳链骨架的摇摆振动峰[2]。

    图2为样品PP,利用手持式拉曼和实验室科研拉曼进行对比,谱图基本一致。

    图2 纯样品PP的拉曼光谱图谱

    图3 六种纯样品用手持拉曼测试的谱图信息

    同时测试了另外5种纯样品,经分析基本与标准谱图一致,且手持式和科研式的匹配度≥90%。

    3.2不同配比混合样品拉曼光谱标准图谱对设备进行可靠性验证

    任选上述六种材质的一种做不同配比的结果分析,以PS-PLA为例。

    (1)图4为PS:PLA=1:9混合样品,利用手持式拉曼和实验室科研拉曼进行对比,匹配度为0.93599。

    手持式                                科研式

    图4 PS:PLA=1:9混合样品的拉曼光谱图谱

    (2)图5为PS:PLA=5:5混合样品,利用手持式拉曼和实验室科研拉曼进行对比,匹配度为0.97962。

    手持式                                科研式

    图5 PS:PLA=5:5混合样品的拉曼光谱图谱

    (3)图6为PS:PLA=9:1混合样品,利用手持式拉曼和实验室科研拉曼进行对比,匹配度为0.97622。

    手持式                                科研式

    图6 PS:PLA=9:1混合样品的拉曼光谱图谱

    3.3不同塑料制品的拉曼光谱图谱对设备进行可靠性验证

        选取市面上用量很多且污染严重的各种塑料袋进行结果分析。

    (1)图7为黄色医疗废弃物专用袋,利用手持式拉曼和实验室科研拉曼进行对比,匹配度为0.97977。

    手持式                                科研式

    图7 黄色医疗废弃物专用袋的拉曼光谱图谱

    (2)图8为绿色塑料袋,利用手持式拉曼和实验室科研拉曼进行对比,匹配度为0.9679。


    手持式                                科研式

    图8 绿色塑料袋的拉曼光谱图谱

    (3)图9为白色塑料袋,利用手持式拉曼和实验室科研拉曼进行对比,匹配度为0.92689。


    手持式                                科研式

    图9 白色塑料袋的拉曼光谱图谱

    (4)图10为红色塑料袋,利用手持式拉曼和实验室科研拉曼进行对比,匹配度为0.95685。

    手持式                                科研式

    图10 红色塑料袋的拉曼光谱图谱

    测试了典型的10余种样品,经分析比对手持式拉曼与实验科研型拉曼的匹配度均≥90%,因此手持拉曼光谱仪可以作为快速高效鉴别违禁塑料的检测仪器。
     

    『结束语』

    基于拉曼光谱的塑料快速鉴别技术对塑料生产质量控制和回收时进行塑料分类具有重要作用。聚合物的拉曼峰明显而尖锐,能够将其作为该材料的特征信号,在工厂,实验室或其他地方都能够快速获取该信号从而实现 该材料的无损鉴别。该方法简便快速,结果准确可靠,且无损样品。检测方法简单易操作,结果直观明了,根据检验结果可以对塑料制品进行分类,为“禁塑令”的有效执行提供帮助。 
     

    『参考文献』

    [1]陈和生,孙育斌.几种塑料的傅里叶变换拉曼光谱分析[J].塑料科技,2012(6):69-72.

    [2]杨遥,黄正粱,王靖岱,蒋斌波,等.利用拉曼光谱检测丙烯共聚物的性质[J].光谱学与光谱分析,2012(12):3262-3266.
     

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