常见塑料的判别红外光谱仪方法研究
发布时间：2025-05-25作者：小编来源：点击：次
塑料是一种由合成或半合成高分子化合物制成的材料，具有一定的可塑性，在一定条件下可以被塑造成各种形状，广泛应用于各个行业。因此，塑料工业在最近的几十年得到了快速发展和广泛应用，已成为现代社会不可或缺的材料。由于塑料的长链分子结构稳定，在自然环境中不易被分解，会对生态环境造成污染。塑料回收是解决塑料污染的重要途经，不同种类的塑料需要不同的回收处理方法。目前，回收塑料的过程中仍然缺乏高效的区分方法。
PE（聚乙烯）、PP（聚丙烯）、EVA（乙烯-醋酸乙烯酯共聚物）、PBT（聚对苯二甲酸丁二酯）、PET（聚对苯二甲酸乙二酯）、PA6（尼龙6）、PA66（尼龙66）、ABS（丙烯腈-苯乙烯-丁二烯共聚物）、PC（聚碳酸酯）和PS（聚苯乙烯）是目前最常用的10种塑料，为了在回收过程中高效区分不同的塑料，本文通过外观观察、透光率、燃烧特性以及红外光谱分析技术，建立了一套系统化的塑料判别方法，可为塑料回收和塑料鉴定提供高效的技术支持。
1试验部分
1.1主要试验原料
试验用主要原料如表1所示。
表1 试验用主要原料
1.2试验设备
1）注塑机：120 t震雄注塑机，其注塑温度视材料而定。PE、PP和EVA的注塑温度为180℃，PBT、PET、PA6、ABS和PC的注塑温度为230℃，PA66的注塑温度为265℃，PS的注塑温度为250℃。
2）拉力机：CMT5305电子万能拉伸机
1.3试验过程
分别将PE、PP、EVA、PBT、PET、PA6、PA66、ABS、PC和PS等原料粒子投入注塑机中，制备成长×宽×厚=130.00 mm×12.50 mm×3.2 mm的长方体样条，并进行检测和判别。
2结果与讨论
2.1塑料的外观及燃烧分析
10种塑料从分子结构上进行讨论，主要分为三种：重复单元主要为CH2的高分子（如PE、PP和EVA）、重复单元带有-CONH-等极性基团的高分子（如PA6和PA66）和重复单元带有苯环结构的高分子（如PBT、PET、ABS、PC和PS）。不同的分子结构决定了各自的性质和用途，最直观的就是塑料外观是否透明。结合图1中的样条数码图片和表2不同塑料在600 nm处的光线透过率可知，EVA、PC和PS具有透光性（透光率>50%),PE和PE具有半透光性（2%<透光率<50%），而PBT、PET、PA6、PA66和ABS具有不透光性（透光率<2%）。塑料的透光性是由其化学结构和形态结构决定的，具有规整分子结构的聚合物更容易形成结晶，结晶区域会散射光线，导致材料呈现不透光性。PBT、PET、PA6和PA66均为易结晶材料，因此，具有不透明性。ABS是丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚物，为非晶态、不透明的三元共聚物，因为共聚物中橡胶相与树脂相为不相容的两个相，不同微相之间的折射率差别造成光散射效应，使得ABS失去了透明性。PE和PP虽然都是高结晶度材料，但二者的非晶相是均匀分布在基体中，因此，二者呈现出半透明的状态。由于PE的分子结构更加规整，而PP分子链中的甲基侧链使得分子链间的排列不如PE规整，因此，PE的整体结晶度比PP高，从而PE比PP展现出更好的不透明性。EVA、PC和PS均为具有透光性的塑料，这与三者的分子结构导致的结晶行为有关。综上所述，从塑料的透明程度，可以分辨出3种结晶性不同的塑料。
表2 不同塑料在600 nm处的光线透过率
图1 10种塑料样条
结合燃烧状态对材料分类进一步分析，图2为不同塑料的燃烧光学数码图片，表3为不同塑料的燃烧状态分析。
图2 10种塑料的燃烧状态
1)PE、PE和EVA燃烧后形成的炭层较少，在燃烧过程中大部分会完全燃烧。PE、PP和EVA的起火时间分别为3、4、12 s,EVA比PE和PP起火更慢。
2)PBT和PET燃烧后表面会形成炭层，这是因为这两类聚酯中均采用对苯二甲酸进行聚合，在重复单元中存在苯环，苯环具有共轭π电子体系，π电子在苯环中离域且均匀分布，形成稳定的电子云。苯环具有较高的能量稳定性[1]，往往会出现不完全燃烧，导致在燃烧区域中形成黑色的炭层。
3)PA6在燃烧后会形成较浅的黄色熔滴物，而PA66在燃烧后会形成较深的黄色熔滴物。这因为PA6是己内酰胺缩聚而成的产物，在每个重复单元中存在一个酰胺基团（-CONH-）。当PA6在高温下发生热氧化反应时，酰胺基团会形成含有双键或醌类具有发色团结构的产物，因此，展现出黄色。而PA66是己二酸和己二胺缩聚而成，在每个重复单元中存在2个酰胺基团，在热氧化反应下产生了更多黄色产物，从而导致更明显的黄变现象。综上所述，PA的燃烧特征、火焰特点和燃烧气味特征，使得尼龙材料成为最好分辨的塑料之一。
4)ABS、PC和PS材料在燃烧后都在表面形成了一层浓密的黑炭，因为这三种材料重复单元中均存在相邻的苯环结构。ABS和PS的点燃时间分别为3 s和4 s，易燃，而PC的点燃时间为12 s，这归咎苯乙烯结构和丁二烯结构具有易燃性。值得注意的是，PS不仅易燃，在形成黑炭的过程中还伴随着熔融滴落，依此现象可以判别出透明塑料PC和PS。
表3 不同塑料的燃烧情况分析
2.2塑料的FT-IR分析
尽管基于外观和燃烧特性的塑料判别方法操作简便、快速，但其主观性限制了判别精度。为了提高准确性，本研究引入红外光谱分析法，从分子层面对本文的10种塑料进行精确区分。
PP比PE多一个CH3结构，因此，PP的C-C键与C-H键的组合方式比PE多。其中，PE的特征峰在720 cm-1处，主要因为非晶态PE摇摆震动产生的特征峰。PP的特征峰在841、1 374 cm-1处，可以采用FT-IR对PP和PE进行判别[2]。在EVA的红外光谱图中，1 740 cm-1处为C=O键的特征峰，1 243 cm-1处为C-O键的特征峰，因此，可以根据这两个特征峰对EVA进行判别。
对比PA6和PA66的红外光谱图的共同特征，区分PA66和PA6的主要依据为800～1 400 cm-1间弱峰的差别。PA66在900～1000cm-1范围内存在2个特征吸收峰，分别为935 cm-1和901 cm-1。其中，935 cm-1处属于中等强度吸收，901 cm-1处为弱吸收。PA6在该范围处也存在2个吸收峰，分别在959、928 cm-1附近。同时，PA66在1 275 cm-1处存在吸收峰，而PA6在1 263 cm-1处存在吸收峰。因此，，可以根据以上特征峰对PA6和PA66进行判断和分辨[3]。
从整体宏观地看，PBT和PET的红外光谱图几乎一致，因此，需要对其进行详细地解析。1 345 cm-1处只有PET存在明显的特征峰，而PBT在此处却无明显特征峰，这是因为1 345 cm-1处可能是亚甲基的非对称伸缩和弯曲振动引起的。因此，该特征峰不仅可以辨别PBT和PET材料，而且可以根据特征峰的高度变化定量分析不同复合比PET/PBT复合材料的组分变化[4]。
从ABS的红外光谱图中可以看出，1 060 cm-1出现了苯环上C-H的弯曲振动峰。1 000 cm-1处出现了聚丁二烯的红外特征峰，为1,4-反式二取代烯烃中=C-H的面外弯曲振动峰。750 cm-1和800 cm-1处为苯环上C-H的面外弯曲振动所产生较强的特征峰。
从PC的红外光谱图中可以看出，在2 970、2 910、2 855 cm-1处的特征峰分别为甲基、亚甲基和次甲基的C-H伸缩振动。PC的酯键特征峰在1 780 cm-1处，因为碳酸二酯碳基向高波数移动。此外，1 215、1 185、1 080、1 010 cm-1处为C-O-C基团的特征峰[5]。
3结论
本研究建立了一种基于物理和化学特性的塑料判别方法，有效区分了PE、PP、EVA、PBT、PET、PA6、PA66、ABS、PC和PS等10种常见塑料。通过外观观察、透光率、燃烧特性和红外光谱分析，该方法展现了高准确性和操作便捷性，为塑料回收和鉴定提供了可靠的技术支持。本文对提升塑料回收效率、促进塑料循环利用具有重要价值，对环境保护和资源节约有积极贡献。
图2 不同塑料的红外光谱图
