红外光谱快速鉴别可降解塑料材质的方法研究

塑料制品在生产生活中应用广泛，消费者对塑料制品的依赖已经根深蒂固，尤其是近年来发展迅速的外卖、快递等行业，应用的塑料制品更多，塑料包装的难以回收性越来越引起国家的关注。2020年4月10日，国家发展改革委会同有关部门组织起草了《禁止、限制生产、销售和使用的塑料制品目录（征求意见稿）》，意见中明确禁止生产、销售的塑料制品包括厚度小于0.025毫米的超薄塑料购物袋、一次性发泡塑料餐具等;禁止、限制使用的塑料制品包括不可降解塑料袋、不可降解一次性塑料餐具、不可降解一次性塑料吸管、不可降解快递塑料包装（包装袋、编织袋、胶带）等。在这些政策的推动下，市场对可降解塑料的需求不断增加，可降解塑料的应用也从高端领域向一次性塑料制品领域延伸，迎来了前所未有的机遇。

经市场调研以及查阅文献发现，目前市面上常见的可降解塑料购物袋主要由聚乳酸（PLA）、聚对苯二甲酸-己二酸丁二酯（PBAT）、聚甲基乙撑碳酸酯（PPC）、淀粉（ST）中两种或三种加上碳酸钙或滑石粉制成，其中一次性水杯吸管等直接与食品接触的塑料制品的主要成分为PBAT+PLA。

FTIR是近代分析技术中最常用、最成熟的光谱分析技术，因其具有简单、高效、无损等优点，被广泛应用于鉴别塑料聚合物中存在的特殊官能团和分子结构。随着FTIR技术的不断发展，其附件也得到了改进。衰减全反射（Attenuated Total Reflevtancr，ATR）是FTIR的一种操作模式，能够通过物体表面的反射信号获得物体表层有机成分的结构信息。ATR-FTIR具有制样简单、灵敏度高等优点，极大扩大了FTIR的应用范围。

鉴于此，本研究利用衰减全反射 （ATR） 红外光谱法测定所购买生物降解原料以及塑料制品，解析红外特征峰，利用OMNIC Spectra软件鉴别出不同试样的材质组分，建立起前处理简单、无污染，能快速、准确获得多组分材质信息的试验方法。

一、材料与方法

1.仪器与试样。仪器：NicoletiN10傅里叶显微红外光谱仪（含ATR附件， 美国赛默飞世尔科技公司）;切片机（美国赛默飞世尔科技公司）;原料：PBAT颗粒（恒力石化股份有限公司、新疆蓝山屯河科技股份有限公司、金发科技股份有限公司等）、PLA 颗粒（浙江海正集团有限公司、美国natureworks公司等）、PPC颗粒（江苏中科金龙环保新材料有限公司）。样品：标称为可降解塑料的购物袋、一次性可降解杯及一次性可降解吸管的样品。

2.实验方法。（1）样品前处理。将原料样品切成厚度为15-30μm的薄片，备用。成品选择洁净、无褶皱、无痕迹、无针孔且无印刷油墨和胶黏剂部位的均匀材质，裁切为面积不小于4mm×4mm的样块，用无水乙醇擦拭干净并晾干，对样品进行检测。

（2）仪器测试条件。红外光谱仪采用美国Thermo Fisher公司Nicolet iN10 FT-IR红外光谱仪，配备一体化衰减全反射（ATR）检测模块，产品测量参数：扫描次数为32次分辨率为4cm-1，波数范围为4000cm-1-500cm-1。

二、结果与讨论

1.样品检测位置的选择。由于ATR-FTIR在测试时必须接触样品表面，一束红外光通过晶体反射至少一次，其光谱易受样品表面条件影响，试验人员需对样品的各个部位以及正反面进行测定，结果显示，红外光谱图并无区别。为更好地进行结果分析，本实验统一采用内面接触晶体。

2.单一生物降解粒子定性分析。对5份PBAT样品进行红外分析，样品的FTIR谱图如图1所示。可以看到，5批次样品分别在C-H对称与不对称引起的振动峰（2954cm-1）、C=O收缩振动峰（1712cm-1）、CH 3的反对称引起的振动峰（1467cm-1）及苯环上C-O-C基团的伸缩振动峰（1268、1164、1120cm-1）出现吸收峰，故5批次原料粒子均为纯度较高的PBAT。

实验人员对来自不同厂家的4种PLA原料进行分析，见图2。可以看到，4批次样品分别在C=O伸展振动峰（1750cm-1）、C-H 伸展振动峰（1384cm-1）、C-O-C特征吸收峰（1083cm-1 ）出现了吸收峰，故4批次原料粒子均为纯度较高的PLA。

实验人员对PPC原料进行分析，见图3。我们可以看到，该批次样品分别在C-H振动峰（2927cm-1）、C=0伸展振动峰（1728cm-1）、C-O-C特征吸收峰（1083cm-1）、C-O-C基团的伸缩振动峰（1220cm-1）出现了吸收峰，故该批次原料粒子为PPC。

3.多组分样品定性分析。对7组标识均为降解塑料购物袋的样品进行分析，样品的FTIR谱图如图4所示。从图4（a）可以看到，1#和7#样品出现了CH2-振动峰（2915，2848，1462，728cm-1），判断2批次样品含聚乙烯（PE）成分，1#样品在1422cm-1、873cm-1、713cm-1还出现了CaCO3具有的特征峰，故该样品材质为PE+CaCO3;7#样品在3400cm-1附近出现了淀粉的O-H或N-H对称和不对称伸缩振动叠加峰，在1017cm-1出现了淀粉O-H弯曲振动峰（强峰），故其材质为PE+ST。

对图4（b）进行分析，可知样品2#-6#中含有PBAT及PLA组分。2#和6#样品在3326cm-1附近出现了淀粉的O-H或N-H对称和不对称伸缩振动叠加峰，在1017cm-1出现了淀粉O-H弯曲振动峰（强峰），故其材质为PLA+PBAT+ST;5#样品除出现PBAT和PLA的特征峰外，还出现了PPC的特征峰（2918cm-1、1250cm-1），故其材质为PLA+PBAT+PPC;4#样品除出现PBAT和PLA的特征峰外，还出现了CaCO3特征峰（1422cm-1、873cm-1、713cm-1），故该样品材质为PLA+PBAT+CaCO3。

同样对样品8#-10#进行红外谱图解析，可知8#、9#样品为PLA单组分产品，10#样品为PLA+PBAT产品。

4.混合物软件进行多组分分析。将单一生物降解粒子经红外分析所得的图谱保存建立谱库，利用OMNIC Spectra进行混合物分析。通过软件得出的分析报告可以看出，4#样品经过软件分析可得出该样品材质组分为PBAT+PLA+CaCO3，5#样品经过软件分析可得出该样品材质组分为PBAT+PLA+PPC，将10批次样品与解谱分析结果进行比较，见表1，由此可见OMNIC Spectra能够较为快速地鉴别出多组分混合物中的主要成分。

三、结论

实验人员用ATR-FTIR对可降解原料及塑料制品进行分析，得到了PBAT、PLA、PPC等原料及其制品红外光谱的特点;通过对所涉及的可降解材料建立相应红外谱库，利用OMNIC Spectra软件对10 批次可降解塑料的红外谱图进行混合物组分分析，结果显示该软件能够快速鉴别出多组分可降解塑料包装的主要材质，该方法整体性能稳定、测量准确度高、检测过程高效便捷、整体测试成本低。

现阶段市场流通的降解塑料购物袋主要使用PBAT、PLA、PPC、ST中两种或三种加上碳酸钙或滑石粉制成，而一次性水杯吸管等直接与食品接触制品的主要成分为PABT和PLA，1#、7#样品材质定性分析结果显示其并不满足双J可降解塑料标识的使用要求，说明生产企业存在乱用标识现象。