食品保鲜袋用聚乙烯变温红外光谱研究

于宏伟，张惠珍，顾丹丹，叶莉蓉，马钟义，李　丹

(1.石家庄学院化工学院，石家庄 050035;2.石家庄学院图书馆，石家庄 050035)

聚乙烯是五大合成树脂之一[1-4]，是最常见的高分子材料，被广泛用于制造薄膜、中空制品、管材、纤维和各类杂品等。食品保鲜袋的主要成分是聚乙烯，一维红外光谱是研究其结构的最主要的方法[5-7]，但常规的一维红外光谱的分辨率不高，而二阶导数红外光谱和去卷积红外光谱的分辨率优于传统的一维红外光谱[8-9]。笔者利用变温红外技术，在 20～120 ℃温度范围内，通过测定不同温度下聚乙烯食品保鲜袋的一维红外光谱、二阶导数红外光谱和去卷积红外光谱，确定了食品袋中聚乙烯的分子结构，并进一步研究了温度对聚乙烯分子结构的影响，该研究方法未见相关文献报道。

1　实验部分

1.1　原料与仪器

聚乙烯食品保鲜袋，广东省江门市鑫峰发展有限公司。

Spectrum 100型红外光谱仪(Spectrum v 6.3.5操作软件)，美国 PE 公司；SYD TC-01变温控件(控温精度为 ± 0.1 ℃)，英国 Eurotherm 公司。

1.2　实验方法

将单层聚乙烯食品保鲜袋固定在红外光谱仪的变温附件上，每次实验对信号进行16次扫描累加，测定范围4 000～400 cm-1，测温范围20～120 ℃，变温步长10 ℃。

一维红外光谱数据采用 PE 公司 Spectrum v 6.3.5 操作软件；二阶导数红外光谱数据采用 PE公司Spectrum v 6.3.5操作软件，平滑点数为 13；去卷积红外光谱数据的获得采用PE公司Spectrum v 6.3.5 操作软件，其中参数部分Gamma为2.0，Length=10。图形处理采用 Origin 8.0。

2　结果与分析

聚乙烯食品保鲜袋的主要成分为聚乙烯，其红外光谱如图1所示，在3 500～400 cm-1范围内有3组较强的红外吸收峰。

图1　食品袋的红外光谱(3 500～400 cm-1)

2.1　亚甲基伸缩振动模式的红外光谱

3 000～2 800 cm-1区域的一维红外光谱如图2(a)所示,主要是亚甲基C—H伸缩振动模式的红外吸收峰，其中2 924和2 853 cm-1处的强红外吸收峰分别归属于亚甲基的不对称伸缩振动模式νas(CH2)和对称伸缩振动模式νs(CH2)。相对应的二阶导数红外光谱和去卷积红外光谱如图 2(b)和2(c)所示。随着测定温度的升高，νas(CH2) 和 νs(CH2) 处红外吸收峰的强度略有下降，但吸收频率及峰型无明显变化。

图2　食品袋的红外光谱(3 000～2 800 cm-1)

2.2　亚甲基变角振动模式的红外光谱

1 480～1 450 cm-1区域主要是亚甲基的变角振动模式(δCH2)的红外吸收峰。相应的一维红外光谱如图 3(a)所示。亚甲基在1 472 cm-1和1 463 cm-1处裂分为双峰，这主要是因为聚乙烯的结晶度高，1个晶胞中的2个大分子会产生偶合振动，引起亚甲基变角振动谱带分裂。相应的二阶导数红外光谱和去卷积红外光谱如图3(b)和图3(c)所示，分辨率高于传统的一维红外光谱，δCH2裂分双峰可以得到很好的区分。随着测定温度的升高，δCH2的红外吸收峰的强度略有下降，但吸收频率及峰型无明显变化。

图3　食品袋的红外光谱(1 480～1 450 cm-1)

2.3　甲基对称变角振动模式的红外光谱

1 400～1350 cm-1区域的红外光谱如图4所示。由一维红外光谱可见，1 377 cm-1附近较弱的吸收峰归属于甲基对称变角振动δs(CH3)的红外吸收峰。相应的二阶导数红外光谱和去卷积红外光谱的分辨率显著提高，在1 377 cm-1附近可以明显发现δs(CH3)的红外吸收峰。这主要是因为聚乙烯制品中的聚乙烯不是完全线性的，特别是低密度聚乙烯支链更多,这些支链通常带有乙基侧链。随着测定温度的升高，δs(CH3)的红外吸收强度略有下降，但吸收频率及峰型没有变化。

图4　食品袋的红外光谱(1 350～1 400 cm-1)

2.4　烯烃基团中亚甲基及次甲基面外弯曲振动模式的红外光谱

图5　食品袋的红外光谱(1 000～900 cm-1)

2.5　亚甲基面内摇摆振动模式的红外光谱

750～700 cm-1区域的红外光谱如图6所示，主要是亚甲基面内摇摆振动模式(ρCH2)的红外吸收峰。由一维红外光谱可见，亚甲基在731 cm-1和720 cm-1附近裂分为双峰，但该双峰没有完全分开。这主要是因为聚乙烯的结晶度高，1个晶胞中的2个大分子会产生偶合振动，引起聚乙烯中亚甲基的面内摇摆振动谱带分裂。而相应的二阶导数红外光谱和去卷积红外光谱的分辨率高于传统的一维红外光谱，ρCH2裂分双峰可以得到很好的区分。随着测定温度的升高，731 cm-1和 720 cm-1处的红外吸收峰的强度略有所下降，吸收频率及峰型没有变化。

图6　食品袋的红外光谱(750～700 cm-1)

综合分析后确定食品袋中聚乙烯的分子结构如图 7 所示。

图7　食品保鲜袋中聚乙烯的分子结构

3　结语

采用变温红外技术，在 20～120 ℃ 温度范围内，通过一维红外光谱、二阶导数红外光谱和去卷积红外光谱对食品保鲜袋中聚乙烯分子的结构进行了表征。研究结果表明，聚乙烯分子含有乙烯侧基和端乙烯基，并具有良好的热稳定性。

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