用NIR光谱分选塑料树脂

作者：Yvette Mattley，博士

塑料树脂是由多种聚合物构成的。树脂的大小和形状非常相似，光靠肉眼难以区分。 在本应用说明中，近红外（NIR）光谱被用于分选由不同聚合物构成的彩色树脂。在NIR波段内测量漫反射，以采集由于独特的聚合物组成方式，而产生的明显的光谱差异，同时避免由于树脂颜色造成的光谱差异。

背景

NIR光谱能以不破坏样品的方式进行快速分析，另外，只需很少或无需样品制备，因此它的用途十分广泛，比如测量血液中的氧气，鉴定燃料真伪，或农产品的质量控制。  配合多参数校正技术 ，一张NIR光谱图就能提供多个样品组分的定量组成信息。

塑料中使用的聚合物有独特的NIR指纹光谱，可用于在材料使用寿命期限内的分选和质量保证。 在进入挤出工序之前，NIR光谱能对共聚物树脂进行分选和鉴定，随后可以迅速筛选出可以利用的树脂。 在本应用说明中，我们描述了用NIR光谱来区别有色塑料树脂。

方法

在900-1700 nm的波段内用配备521-像元的InGaAs检测器的NIR光谱仪进行漫反射测量。 该系统还包括光源的卤钨灯、一个用反射探头支架（RPH-1)固定为45°角、芯径400 μm光纤反射探头（QR400-7-VIS-NIR）和漫反射标准品（WS-1）。

测量了7种颜色和聚合物组成各不相同的树脂。 包括4个丙烯酸树脂（透明、橙色、红色和半透明）、两个聚丙烯树脂（黑色和白色）和一个尼龙树脂。 为获得典型性光谱数据并消除样品的不均匀性的影响，在每种树脂的不同位置进行6次测量，下图显示的是平均光谱。

如图1所示，NIR漫反射光谱可用于区分丙烯酸、聚丙烯和尼龙这三种共聚物。 光亮-透明和哑光-半透明的丙烯酸树脂的光谱也有差异。 此类光谱差异可用于分选入库的原料或分选再生塑料。

图1. 共聚物树脂的NIR漫反射光谱显示了由于化学组成和表面特征造成的差异性。

图2显示了不同颜色的光亮丙烯酸树脂的光谱数据。 虽然反射强度略有不同，但NIR波段光谱的整体形状没有变化。 如光谱所示，在NIR波段，浅色塑料树脂的光谱数据与颜色无关。 这些光谱说明了使用NIR波段以聚合物类型分选塑料是有优势的，而这些判定与树脂颜色无关。

虽然光亮、浅色的丙烯酸树脂的光谱形状类似，但哑光面半透明丙烯酸树脂的漫反射ZG，表现出某些独特的光谱特征。 哑光树脂以45°角反射出的光线多于光亮树脂，而光亮树脂主要以90°角进行镜面反射。 哑光和光亮树脂的数据说明了NIR反射光谱是判定树脂表面光泽或亮度的有效工具。

虽然较浅的颜色不会明显影响NIR漫反射光谱的形状，但在光亮、红色丙烯酸树脂中观察到的ZD的漫反射是来自颜色Z深的丙烯酸树脂。 您可以观察到较深的颜色是如何降低漫反射强度并使光谱特征平坦化的。

图2. NIR波段浅色塑料树脂的光谱数据表现出一些差异，而这些差异与色彩特征无关。

图3还显示了深色对聚丙烯漫反射光谱的影响。 吸收NIR光的黑色或深色样品导致反射强度变低，光谱特征丢失，从而表现漫反射强度的明显差异。 因此，深色树脂和塑料样品对基于NIR的分选方法而言是一个挑战。

图3：基于NIR的分选方法对深色样品的效果稍差，因为深色吸收的NIR更多。

结论

正如不同共聚物树脂的光谱数据所示，在塑料的使用寿命内，NIR光谱分析可用于在多种平台上进行分选、鉴定和质量控制。NIR光谱可用来鉴定入库树脂的成分和质量。这为分析树脂和挤压成型件以确定产品组分提供了有效数据，也可作为成品质量控制的手段。 当塑料被重复利用时，NIR光谱可按共聚物的类型进行再生塑料分选，方便将再生塑料制成其他塑料产品。