搜索
红外光谱法测定木塑复合材料中木粉和聚丙烯的含量朱天久摘要：本文采用傅里叶变换红外光谱法测定了杨木/聚丙烯（PP）复合材料中木粉和PP的含量，将1055cm-1、1740cm-1作为木材的特征峰，841cm-1、1377cm-1、2838cm-1作为PP特征峰，建立木粉含量、PP含量及二者特征峰高比之间的相关关系，结果表明，I1059/I1377与木粉含量的线性相关性最强，决定系数R2为0.9879，标准曲线方程为y=69.753x-26.669；I841/I1740与PP含量具有较强的线性相关性，R2为0.9582，标准曲线方程为y=60.157x+12.677，方法准确性检验结果表明，木粉含量预测误差在1.44%左右，PP含量预测误差在0.66%左右。关键词：傅里叶变换红外光谱木塑复合材料定量分析一、引言1.1木塑复合材料概述木塑复合材料（WoodPlasticComposites,简称WPC）是一种主要由木材或纤维素与塑料制成的复合材料，是将一定比例的木纤维经过预处理使之与热塑性聚合物树脂或其他材料结合而成的一种新型材料。木塑复合材料兼具有木材和塑料的优点，具有与天然木材相似的外观，易于加工，同时兼有塑料防虫、防腐、尺寸稳定性好等优点。它不仅实现了木材的高效利用，还减少了废旧塑料对环境的污染，因而其广泛应用于各个领域：①建筑领域，也可以制成各种装饰材料，成为装饰材。②汽车领域，在汽车内饰行业运用较多，占木塑复合材料总量的8%，主要为汽车内衬件。③物流领域，各种规格的运输托盘等。木塑托盘产品已经占到近一半市场。④园林领域，室外桌椅、庭院扶手等。⑤室内装璜领域，各种装饰条、天花板等。1.2研究背景近年来，因为木塑复合材料的环保和实用性的日益体现，为提高资源综合利用率，国家颁布许多优惠性政策来为木塑行业提供便利，例如退税、减税等，不法商家为谋取暴利，谎报产品生产过程中使用的木粉含量，而当前国内尚无检测方法可以测定未知WPC中木粉和塑料的配比，国外有学者采用热化学方法测定WPC中木粉和塑料的含量，但误差较大，检测时间长。因此，迫切需要一种快速、准确的检测方法来测定WPC中木粉和塑料含量，为WPC市场的进一步发展提供保证。红外光谱专属性强，提供信息丰富，不仅用于定性识别，还可用于定量分析。近些年来，红外光谱技术不断发展，已实现了从单一物质到多元物质的定量分析。此方法快速准确，操作简便，成本较低，已在各领域得到广泛的应用。因此，本文采用红外光谱法测定WPC中木粉及塑料含量。二、研究内容2.1实验原料与仪器9种不同木粉含量的杨木/PP复合材料，木粉含量分别为30%、33%、36%、40%、44%、48%、50%、54%和58%。SpectrumOne傅里叶变换红外光谱仪，PerkinElmer公司。2.2实验过程2.2.1背景片的制作1)把100mg的溴化钾放至研钵中研磨。2)将研磨后的溴化钾装入压片器中。3)加压至8t，停留20~30s。4)取出背景片，放入红外光谱仪中。5)扫描，波段取4000~400cm-1，扫描信号累加16次。6)将扫描出来结果设置为背景片。2.2.2样品片的制作1)加入样品1~2mg至研钵中研磨。2)待研磨至粉末状时加入100mg溴化钾。3)充分混合溴化钾与样品并继续研磨。4)将混合后粉末装入压片器中。5)加压至8t，停留20~30s。6)取出样品片，放入红外光谱仪中。7)扫描，波段取4000~400cm-1，扫描信号累加16次。8)8.保存谱图。三、结果与讨论3.1红外光谱分析图1由上至下为杨木、不同木粉含量的WPC和PP的红外光谱。图1不同木材、塑料配比的木塑复合材料的图谱仔细对比杨木、PP和WPC的红外图谱发现木材在1055cm-1（综纤维素中碳氧键的吸收峰）及1740cm-1（半纤维素中共轭羰基的吸收峰）处的吸收峰为杨木所特有，PP在841cm-1（聚丙烯中与等规立构结晶状态相关的吸收峰）、1377cm-1（聚丙烯中甲基弯曲振动吸收峰）和2838cm-1（聚丙烯中甲基、亚甲基伸缩振动吸收峰）处吸收峰与WPC在相应波数处的吸收峰有近乎相同的峰型。因此，选取1055cm-1和1740cm-1为杨木的特征峰，841cm-1、1377cm-1和2838cm-1为PP特征峰。由图1可见，随着木粉含量的升高，1055cm-1处吸收峰峰高逐渐升高，相反1377cm-1处吸收峰峰高逐渐降低。原因是样品红外特征峰峰高（吸收强度）与样品浓度呈正相关，所以峰高的相对变化可以直接反映出WPC中木粉与PP含量的变化。3.2木塑复合材料中的定量分析3.2.1峰高的选取实验员实验过程中个人习惯如样品用量、研磨粗细、混合的均匀程度不同，所以定量分析不宜选用直接峰高，因此，本实验采用校正峰高。即峰顶到所绘制基线的直线距离。表1特征峰校正峰高3.2.2木塑复合材料中木粉及塑料的校正峰高在spectrumv5.0.1中计算杨木及PP特征吸收峰峰高，基线为3800cm-1-2400cm-1两点连线，及1870cm-1-780cm-1两点连线。数据如表13.2.3确定木塑复合材料中木材与塑料的数量关系取木粉含量为30%、36%、40%、44%、50%、54%以及58%这七个WPC样品作为校正集，用校正集数据绘制各组木材/塑料的一元线性回归方程即木粉含量预测标准曲线，塑料/木材的一元线性回归方程即塑料含量预测标准曲线并分别得到各组数据的相关系数，数据见表2，表3表2木粉含量预测曲线R2表含量%/峰位1055cm-11740cm-1841cm-11377cm-12838cm-1300.48400.13330.11410.61290.4690360.42550.12070.08810.47640.3545400.50760.14220.10740.52840.3930440.38930.10400.06010.38000.2794500.41260.12150.06390.37720.2579540.67840.20630.09550.58170.4308580.81960.23960.09840.69170.5297330.31840.08970.06870.37220.2749480.39080.10730.05870.37020.2830峰高比1055/13771055/28381055/8411740/13771740/28381740/8412R0.98790.90440.91630.95710.89180.9522表3塑料含量预测曲线R2表峰高比1377/10551377/17402838/10552838/1740841/1055841/17402R0.95510.95210.88200.89420.92290.95823.2.4确定预测曲线的准确性取33%与48%这两组数据作为检验集，取木粉含量预测标准曲线以及塑料含量预测标准曲线中相关系数最高的三组进行检验，计算偏差与相对偏差，数据见表4，表5表4木粉含量预测曲线准确性检验样品名称1055/13771740/13771740/841Y-33-pp偏差/%-0.06-1.52-2.34相对偏差/%-0.19-4.62-7.10Y-48-pp偏差/%0.683.66-2.34相对偏差/%1.447.682.73表5塑料含量预测曲线准确性检验样品名称841/17401377/10551377/1740Y-33-pp偏差/%2.310.401.69相对偏差/%3.780.662.76Y-48-pp偏差/%0.760.18-2.17相对偏差/%1.650.39-4.673.3结论本实验初步研究结果表明，采用红外光谱法测定杨木/PP复合材料中杨木和PP含量是可行的。I1059/I1377、I1740/I1377与木粉含量的线性相关性最强，R2分别为0.9879、0.9571，标准曲线方程分别为y=69.753x-26.669、y=195.05x-12.545。I841/I1740与PP含量具有较强的线性相关性，I1377/I1055次之，R2分别为0.9582和0.9551，预测等式分别为y=60.157x+12.677、y=65.347x-15.731。方法精密性和准确性检验结果表明，方法可重复能力强，预测精度高，木粉含量预测最大相对误差在1.44%左右，PP含量预测最大相对误差在0.66%左右。虽个别样品预测相对误差较大，但与热化学方法相比，预测精度已有较大提高，且红外光谱分析法操作简便、分析成本低。因此，使用红外光谱对WPC中生物质和塑料进行定量分析，具有重要的实践意义。四、参考文献待补