傅里叶变换红外光谱法检验EPS泡沫塑料的研究

王剑侠，姜 红，张晓璐

(中国人民公安大学 刑事科学技术学院，北京 100038)

傅里叶变换红外光谱法检验EPS泡沫塑料的研究

王剑侠，姜 红，张晓璐

(中国人民公安大学 刑事科学技术学院，北京 100038)

此次实验是为犯罪案件侦查等公安工作提供一种对EPS泡沫塑料快速、无损的检验方法。利用傅里叶红外光谱仪，采用Smart Performer采样器，对30个不同厂家以及同一厂家不同用途的EPS泡沫塑料样本进行分析检验。依据红外光谱图中吸收峰的不同，可以将EPS泡沫塑料样本加以区分。该检验方法操作简便快捷，结果准确可靠且无损检材，可用于公安基层实际办案。

傅里叶变换红外光谱法； EPS泡沫塑料； Smart Performer采样器； 比较； 分析

Abstract：The experiment is to provide a quick and nondestructive testing method about expandable polystyrene foamed plastics EPS for the public security work in criminal investigation.Fourier transform infrared spectroscopy and Smart Performance sampling were used to examine and analyze the 30 kinds of EPS made from different manufacturers and from the same factory.According to different absorption peaks of infrared spectra,EPS foamed plastics samples can be distinguished.This method is simple,rapid,accurate and reliable,which can be used in the actual investigation of the police.

Keywords：Fourier transform infrared spectrometer； expandable polystyrene foamed plastics； Smart Performer sampler； comparative； analysis

0 前言

EPS泡沫塑料即可发性聚苯乙烯泡沫塑料，是以聚苯乙烯为主要成分并加入发泡剂等填料，采用发泡工艺制成的一种高分子材料。其内部有无数闭孔型气体微孔，缓冲性能优异，易于模塑成型，温度适应性强，是目前使用最多的一种缓冲、保温材料。可发性聚苯乙烯泡沫塑料大量用于建筑业[1]，也常用于包装各种家用电器、精密仪器、玻璃、陶瓷制品和美术工艺等产品，制成的泡沫箱还可配合冰袋用于长距离冷藏运输。这种白色的塑料泡沫在日常生活中常见，多见于各种电器销售厂家、废品回收站和新装修的房屋等场所。但由于EPS泡沫塑料耐老化、抗腐蚀[2]，大量废料会造成环境污染，所以目前生产和使用该材料的主要是已注册登记的企业(部分是一些小工厂)。因此，可以对犯罪现场、抛尸现场遗留的可疑EPS泡沫塑料进行检验鉴定并进行分析比较，推断生产和使用的厂家，进而利用购买、销售的记录，为犯罪侦查提供线索,指明方向。

目前，检验塑料的方法有很多，如：热分析法、红外光谱法、裂解气相色谱法、薄层色谱法、X射线荧光光谱法等。本文利用傅里叶变换红外光谱法对30个EPS泡沫塑料样品进行分析检验，实验结果准确可靠，重现性好，且不破坏检材[3]。

1 实验仪器和样本

1.1实验仪器和测定参数

傅立叶变换红外光谱(FTIR)仪：Nicolet 6700，美国赛默飞世尔公司；

Smart Performer采样器：美国赛默飞世公司。

测定参数：扫描次数为32次；波数范围为4 000～600 cm-1；分辨率为4 cm-1。

1.2实验试剂

无水乙醇：分析纯，北京化工厂。

1.3实验样本

不同厂家以及同一厂家不同用途的EPS泡沫塑料样本30个，见表1。

表1 EPS泡沫塑料样本

2 实验过程

2.1实验方法

利用反射法进行检验。在EPS泡沫塑料样本的内部无污染区域用裁纸刀裁取面积为0.5 cm×0.5 cm的样品，置于Smart Performer采样器上，拧紧探头至刻度4，采集样本谱图。

2.2 EPS泡沫塑料样本的红外光谱检验分析

根据不同样本的红外光谱图中谱带的数目、位置、形状和强度等因素的不同对其加以区分。

(1) 对所有样本进行红外光谱分析。

(2) 对不同厂家使用的EPS泡沫塑料样本进行红外光谱分析和比较。

(3) 对同一厂家不同用途的EPS泡沫塑料样本进行红外光谱分析和比较。

2.3最小检出量实验

选择21#样本(佰味魔)，用手术刀分别裁取面积为1.0 cm×1.0 cm、0.8 cm×0.8 cm、0.5 cm×0.5 cm、0.3 cm×0.3 cm、0.2 cm×0.2 cm的5块不同大小的样品检材，并分别对其进行红外光谱检测。

2.4重现性实验

选择23#样本(冠雅)，剪取一块面积为0.5 cm×0.5 cm的样品，利用反射法，在相同检测条件下重复测定5次。

3 结果与讨论

3.1傅里叶变换红外光谱法检验EPS泡沫塑料的理论依据

实验中收集的样本均为日常生活中常用的EPS泡沫塑料，其原料的基本成分均为聚苯乙烯树脂，各自加入不同组成和配比的发泡剂，制成可发性聚苯乙烯珠粒(或先制成聚苯乙烯颗粒再加入发泡剂发泡成型)再模塑成型[4]。可发性聚苯乙烯因生产厂家不同,所用的发泡剂种类可能不同，并且各厂家使用的生产设备和发泡助剂等因素也会导致成品存在诸多差异。而同一厂家生产的用于不同商品包装的EPS泡沫塑料，其原料种类可能相同但因配比不同，其密度、含水量[5]也可能存在一定的差异。

3.2所有样本的红外谱图分析

本次实验所收集的样本均为EPS泡沫塑料，所以经傅里叶变换红外光谱仪检测所得的谱图大致相同，一些主要峰位和峰形在所有样本谱图中均有体现，实验中选择22#(艺美)样本的红外光谱图作为代表(见图1)。所有谱图经过谱图检索后得出的匹配结果相同，均为Polystyrene(聚苯乙烯)，匹配度范围为60%～90%。通过对所有样本的红外光谱图进行分析比较后，发现这些EPS泡沫塑料样品检出结果还是存在一定的差别的。可以在样本谱图的800～1 000 cm-1、1 500～1 800 cm-1、2 800～3 100 cm-1和3 500～3 950 cm-1这4个区域内进行分析，进而对其加以区分，并判断样本中添加的不同发泡剂、助剂等。

3.3不同厂家样本的红外光谱分析

图1 22#样本(艺美)的红外光谱图

图2 21#样本(佰味魔)的红外光谱图

以3#样本(樱花帝王)为例的这一类样本在800～1 000 cm-1的频率范围内吸收峰差异性表现明显(见图3)。在图3中，976 cm-1和951 cm-1两处是分别由SO42-对称伸缩和PO43-对称伸缩形成的弱吸收峰，说明该样本中添加了含有硫酸的表面活性剂以及含有磷酸的树脂硬化剂[4]。937 cm-1处吸收峰是羧酸中COH面外弯曲振动形成的吸收峰，推测该样本中加有聚丙烯酸PAA有机助剂或者是含有羧酸的表面活性剂。878 cm-1是由碳酸根CO32-面外弯曲振动形成的吸收峰，应该是该泡沫塑料生产过程中加有CaCO3[7]。850 cm-1以及827 cm-1两处是有机硅Si—C伸缩振动形成的吸收峰，这说明该样本生产过程中加入了滑石粉[6]。810 cm-1处是磺酸酯R1—SO2—OR2中C—S—O反对称伸缩振动形成的吸收峰，表明加入了二丁基萘磺酸钠表面活化剂[4]。所以，此类样本的生产厂家在制造过程中相比其他厂家还添加了滑石粉、表面活性剂和树脂硬化剂。

图3 3#样本(樱花帝王)的红外光谱图

前两类EPS泡沫塑料样本在1 580～1 700 cm-1和3 500～3 950 cm-1两个区域内大多存在一系列低强度、多位置的弱吸收峰，分别是泡沫塑料样本中的结晶水H2O变角振动和气态H2O振-转所形成的特征吸收峰。而第三类样本的红外谱图在1 580～1 700 cm-1和3 500～3 950 cm-1内几乎没有吸收峰或者仅有少数弱吸收峰存在，典型代表为17#样本(苏泊尔)，如图4所示。这说明所有实验样本中有一部分EPS泡沫塑料中含水量很少，这些泡沫塑料样本在其生产过程中水的添料配比较小，或制造工艺令水大量蒸发。因此根据检材中H2O特征吸收峰的检出结果也可对部分不同厂家的样本进行区分。

图4 17#样本(苏泊尔)红外光谱图

3.4同一厂家的不同型号商品样本的红外光谱分析

图5 樱花帝王不同型号电器所用EPS泡沫塑料红外谱图比较

3.5最小检出量实验

对21#样本(佰味魔)中不同面积的5个样品进行测定。实验结果显示，当检测样品的面积为0.2 cm×0.2 cm时，谱图吸收峰开始发生较大变化。因此该实验中样品最小检出量为0.3 cm×0.3 cm。

3.6重现性实验结果

对23#样本(冠雅)在相同条件下重复测定5次。5次测定的红外光谱吸收峰的峰数、峰位和峰形基本一致(见图6)，峰值相对标准偏差均不超过1%，表明使用傅里叶变换红外光谱仪检验EPS泡沫塑料的方法重现性很好。

图6 23#(冠雅)样本的重现性实验红外光谱图

4 结论

本文利用傅里叶变换红外光谱法对30个不同厂家以及同一厂家不同用途的EPS泡沫塑料样本进行分析检验，实验结果表明，可从谱图的800～1 000 cm-1、1 500～1 800 cm-1、2 800～3 100 cm-1和3 500～3 950 cm-1这4个区域内进行分析比较而加以区分。不同厂家的EPS泡沫塑料添加的发泡剂、助剂有所不同，而同一厂家生产的不同用途的EPS泡沫塑料的添料配比可能不同。在刑事案件中发现可疑EPS泡沫塑料时，可利用傅里叶变换红外光谱法进行检验，对检材无损，检验快捷，结果可靠。

[1] 李焉,张玉川.发展EPS泡沫塑料的新机遇——EPS泡沫塑料在建筑上应用的调研[J].塑料,2001(4)：23-28.

[2] WANG C Q,WANG H,GU G H，et al.Ammonia modification for flotation separation of polycarbonate and polystyrene waste plastics[J].Waste Management,2016，51：13.

[3] 冯计民.红外光谱在微量物证分析中的应用[M].北京：化学工业出版社，2010：62-67.

[4] 黄锐.塑料成型工艺学[M].北京：中国轻工业出版社,2005：267-275.

[5] 苑建林.EPS泡沫塑料制品在继电器产品包装上的应用[J].继电器,1993(3)：63-65.

[6] 田燕晨.王文广.塑料配方大全[M].北京：化学工业出版社，2002：407-410.

[7] 姜红.微量物证检验及应用[M].北京：中国人民公安大学出版社,2011：113-122.

[8] 翁诗甫.傅里叶变换红外光谱仪[M].北京：化学工业出版社，2005：320-326.

[9] KASTEK M,TKOWSKI T P,TRZASKAWKA P.Infrared imaging fourier transform spectrometer as the stand-off gas detection system[J].Metrology and Measurement Systems,2011,18(4)：607-620.

ResearchofExpandablePolystyreneFoamedPlasticsbyFTIR

WANGJian-xia，JIANGHong，ZHANGXiao-lu

(School of Forensic Science,People’s Public Security University of China,Beijing 100038，China)

TQ 325.2

A

1009-5993(2017)03-0027-06

姜 红(1963—)，女，硕士，教授，主要从事大学化学与微量物证分析的教学和研究工作。

2017-05-09)

王剑侠(1995—)，男，主要从事刑事技术研究。