紅外光譜衰減全反射法結合熱分析法分析PP再生料

黃愛萍 趙金堯 萬富 柳阿芳 李厚 錢榮敬

摘要：采用紅外光譜衰減全反射法（ATR-FTIR）、差示掃描量熱法（DSC）、熱重分析法（TGA）三種方法，對不添加與添加不同比例回收料的5種PP塑料進行測試。結果表明，再生料均有少量PE成分，且再生料中回收料比例越高，其5%的熱分解溫度越低，殘留量越大。衰減全反射紅外光譜結果與熱分析的實驗數(shù)據(jù)相吻合，這給再生料鑒別及其成分分析提供一定的技術支撐。

關鍵詞：聚丙烯；回收；DSC

中圖分類號：TB48， F416.7， TQ325.1+4 文獻標識碼：A 文章編號：1400 （2020） 05-0048-03

基金項目：湖南省市場監(jiān)督管理局科技計劃項目，項目編號（2017KYJH21）。

ATR-FTIR Combined with Thermal Methods to Analyze PP Recycled Materials

HUANG Ai-ping， ZHAO Jin-yao， WAN Fu， LIU A-fang， LI Hou， QIAN Rong-jing（The Hunan Research Institute of Commodity Quality Supervision and Inspection， Changsha 410000， China）

Abstract： Using three methods of infrared spectral attenuation total reflection （ATR-FTIR）， differential scanning calorimetry （DSC）， and thermogravimetric analysis （TGA） to test 5 kinds of PP plastics without adding or adding different proportions of recycled materials. The results show that the recycled materials have a small amount of PE components， and the higher the proportion of recycled materials in the recycled materials， the lower the thermal decomposition temperature of 5% and the larger the residual amount. The results of ATR-FTIR are consistent with the experimental data of thermal analysis， which provides a certain technical support for the identification of recycled materials and their component analysis.

Keywords： Polypropylene； recycle； DSC

聚丙烯是一種性能優(yōu)良的熱塑性塑料，具有耐化學性、耐熱性、高強度機械性能、價格低廉等優(yōu)點，被廣泛用于食品和藥品的包裝、汽車工業(yè)、電子設備等[1-3]，但在給人們帶來方便的同時，其廢棄物也給人們帶來了嚴重的環(huán)境污染問題，同時為構建經濟發(fā)展和資源環(huán)境的良性循環(huán)體系，PP塑料回收再利用已經形成相當規(guī)模。在美國、歐盟等國家不允許再生聚丙烯塑料直接接觸食品或者成為食品的包裝容器，在中國雖然沒有明確的規(guī)定，但按照再生聚丙烯塑料降級的原則，不允許將回收的聚丙烯塑料用于食品包裝材料[4]。然而部分不良企業(yè)在利益的驅動下，將經消費者使用過的塑料廢棄物作為回收料進行再加工直接用于食品包裝材料，這不但擾亂了國民經濟秩序，更給廣大消費者健康帶來危害甚至造成生命威脅。因此，開展食品用塑料制品中摻雜回收塑料的識別研究是一個亟待解決的問題。傳統(tǒng)的物理鑒別法主要包括觀察外觀、火焰試驗、熱解試驗、溶解性試驗、顯色反應等，但這些鑒別方法操作時間較長且精準度低[5]。

本文以不添與添加不同比例回收料的PP塑料為研究對象，采用衰減全反射紅外光譜（ATR）、差示掃描量熱儀（DSC）和熱重分析儀（TGA）對其進行鑒別和系統(tǒng)分析，該方法具有制樣簡單、方便快捷、準確的優(yōu)點，可為再生塑料的快速分析鑒別提供參考，也在塑料制品的品質把控方面提供經驗。

1 實驗部分

1.1樣品制備

將回收的PP塑料制品經粉碎、熔融擠出、剪切造粒子后，在PP原料中按照質量比加入不同比例的回收料，制成厚度均勻的片樣，并分別編為0#（0%），1#（40%），2#（60%），3#（80%），4#（100%）。

1.2 ATR試驗

用帶衰減全反射的紅外光譜儀（Nicolet is50）對樣片進行測試，測試時，參數(shù)設為掃描次數(shù)64次，掃描頻率4HZ，動鏡速度0.4747cm/s。將樣品剪成2 cm*2 cm樣片，樣片待測面朝下，用壓頭將樣片壓緊，使之與鍺晶體緊密接觸，然后采集樣品的紅外譜圖。

1.3 DSC試驗

利用差示掃描熱量儀（0 DSC204F1）對樣片進行測試。將樣片修剪成適合坩堝大小的樣片，然后稱質量，樣品質量一般為8～10mg；將樣品裝入鋁坩堝中，并封上打過孔的鍋蓋，放置在自動進樣器上準備進行測試；設置升溫程序，試驗采用三段式：1升溫速度10℃/min，升溫范圍50～200℃，保溫5min；2降溫速度50℃/min，溫度范圍200～20℃，保溫5min；3升溫速度10℃/min，升溫范圍20～200℃。

1.4 TGA試驗

利用熱重分析儀（TG209F1）對樣片進行測試。將樣品修剪成適合坩堝大小的樣片，然后稱質量，樣片質量一般為8～10mg；將樣品小心放入陶瓷坩堝中，使樣片盡可能與坩堝底部接觸良好。設置溫度程序：升溫速度20℃/min，升溫范圍50～550℃。

2 結果與討論

2.1 FTIR-ATR分析

對0#～4#進行傅里葉變換衰減全反射的紅外測試，見圖1。

由圖1可初步判斷這5種樣品中，0#的組分單一，為聚丙烯，其余四種除聚丙烯外，還有聚乙烯成分。2951cm-1是甲基的對稱伸縮振動峰，2918cm-1是亞甲基的不對稱伸縮振動峰，2867cm-1是甲基的不對稱伸縮振動峰，2838cm-1是亞甲基的對稱伸縮振動峰，1457cm-1是亞甲基的彎曲振動峰，1375cm-1是甲基的彎曲振動峰，1165cm-1是甲基面外搖擺振動吸收峰，加之997、971、840cm-1是聚丙烯的特征吸收峰，以上的峰均在5種樣品中存在，可以確定5種樣均含有PP，但1#～4#圖譜線中還有718cm-1、730cm-1的吸收峰，此兩個峰原是720cm-1即—（CHn）—（n≥4）面內搖擺振動峰分裂成兩個尖銳的吸收峰，是聚乙烯的特征吸收峰，且是結晶型PE的特征吸收峰，由此可以得出1#～4#樣品主要由聚丙烯和少量聚乙烯組成。

2.2 DSC熱分析

對5種樣品進行第2次升溫曲線，見圖2。

由圖2可以看出，曲線0#只有1個熔融峰，熔融溫度Tm為146.4℃，回收料的DSC曲線出現(xiàn)了明顯的熔融雙峰，a點處的熔點介于125.5℃～126.7℃范圍內，與聚乙烯的熔點125℃[6]相近，b點處的熔點介于154.6℃～162.7℃范圍，與聚丙烯的熔點相近，結合圖1結果，可以判斷添加了不同比例的回收料的PP再生料均含有PE成分。

2.3 TG熱分析

對5種樣品進行熱失重分析，其失重5%時的熱分解溫度和殘留量如表2所示。

從上表2的熱分解溫度數(shù)據(jù)中不難發(fā)現(xiàn)，4#（100%回收料）在失重5%時的熱分解溫度（421.5℃）與0#（0%回收料）PP原料相差9.1℃，添加了不同量回收料的1#～4#PP再生料在失重5%時的溫度均低于不添加回收料的PP原料失重5%時的溫度，并且隨著回收料的增加，其溫度呈降低趨勢，造成再生塑料熱穩(wěn)定性降低的原因應該是PP再生料在加工過程中出現(xiàn)裂解，使PP再生料的支鏈增加，一般支鏈越多其越易分解。而表2殘留量的數(shù)據(jù)顯示，0#的殘留量最小0.96%，4#的殘留量最大7.07%，其他再生料在隨添加回收料比例增加殘留量呈增大趨勢，這與回收料中無機填料物的含量有關。

3 結論

1）通過ATR-FTIR圖譜中均含有718cm-1、730cm-1的PE特征吸收峰，初步得出添加了回收料的PP再生料，均含有PE成分，差示掃描量熱儀器的檢測進一步顯示添加了回收料的樣品均有雙熔融峰現(xiàn)象，且其中一個的熔點與PE相近，與紅外光譜檢測的判定一致。熱重分析結果顯示添加了回收料的再生PP料，5%熱分解溫度隨著回收料比例的增加而降低，殘留量呈現(xiàn)升高趨勢。

2）ATR-FTIR、DSC、TGA三種方法聯(lián)合對PP再生料進行的檢測，具備制樣簡單、用量少、速度快、準確等優(yōu)點，在鑒定和綜合分析再生料方面是行之有效的。

參考文獻：

[1]王晶，傅勇，徐振明.中空吹塑用PP專用樹脂的流變性能和力學性能[J].現(xiàn)代塑料加工應用.2017，29（5）：49-51.

[2]吳長江.聚丙烯技術新進展[J].石油化工. 2006， 35（3）： 289-294.

[3] YANG J，HUANG Y， LV Y， etal. The synergistic mechanism of thermally reduced grapheme oxide and antioxidant in improving the thermo-oxidative stability of polypropylene[J]. Carbon， 2015， 89： 340-349.

[4]董軍剛.再生聚丙烯塑料的檢測技術進展研究[J].塑料工業(yè). 2019， 47（8）： 20-26.

[5]童曉梅.廢舊塑料種類鑒別方法探討[J].塑料科技. 2007， 35（3）： 76-79.

[6] Mark JE. Polymer data handbook[M]. Oxford： Oxford University Press， 1999.