Plastic Analyzer - 應用資訊
Plastic Analyzer 塑膠分析系統
異物分析 (加工品中異物)
利用 FT-IR 搭配熱劣化塑膠資料庫分析電鍍加工品中的半透明淡褐色異物。可以發現異物的 FT-IR 光譜和標準聚乙烯 (PE) 的光譜相比有明顯差異。
經 Plastic Analyzer 分析可以推斷此異物為加熱劣化之後的 PE 材料。利用加熱劣化資料庫對於塑膠異物的「受熱履歷」判斷有非常大的幫助。
劣化樣品分析
塑膠受到熱或光的能量後，可能因為產生分子化學鍵斷裂或架橋而伴隨劣化的發生。故障分析、不良品分析即是對於劣化的樣品進行物理性質的解析。
下圖為聚丙烯 (PP) 經過 UV 光照射後的 FT-IR 光譜圖，經過 UV 光照射，FT-IR 光譜的形狀產生改變。
右圖則是將長時間在屋外受到 UV 光曝曬的白色塑膠 (材質為 PP) 經過 Plastic Analyzer 分析，經過資料庫比對的結果。
由於經 UV 光照射的樣品其 FT-IR 光譜與標準品圖譜並不相同，如果使用一般標準資料庫比對可能會得到「聚丁烯 (Polybutene)」的錯誤結果。而使用 Plastic Analyzer 則可以比對出 PP 才是正確的材料。
汽車車燈蓋劣化分析
不知道各位有沒有購買中古車或者賣車的經驗。當汽車經過長期使用之後，車燈的燈殼會由一開始的透明無色變成黃色。如果購買了一輛中古車或者想要讓自己的舊車看起來賣相好一點，如果不願意把燈殼整顆換掉，就只能把外殼拿去拋光了。到底「黃化」的燈殼發生了什麼事呢？為什麼產生黃化的都是燈殼外側而不是裡面呢？
新車的燈殼
黃化了的燈殼
要分析黃化的塑膠燈殼到底怎麼了，使用具備資料庫比對功能的 FT-IR 自然是一個相當適合的方式。而 Shimadzu 的 Plastic Analyzer 除了標準資料庫，還標配了獨家的熱劣化塑膠資料庫 (Thermal-damaged Plastic Library) 與 UV 光照劣化塑膠資料庫 (UV-damaged Plastic Library)。利用此資料庫可以更準確分析塑膠材料之外，更可以了解材料經過何種環境產生劣化變質的現象。
分析結果
仔細觀察出現黃化狀況的燈殼 (如右圖)，發現除了明顯出現黃化的中間區域 (紅色圓圈所示) 之外，在邊緣的區域 (藍色圓圈所示) 則沒有出現任何變色狀況。於是我們將燈殼中紅色圓圈與藍色圓圈的部分以刀子切割下來，並以 FT-IR 分析朝屋外一側的燈殼樣品，並以熱劣化塑膠資料庫與UV光照劣化資料庫進行比對。
將經 Plastic Analyzer 分析後的黃變部 (紅色圖譜) 與透明部 (黑色圖譜) 光譜圖疊圖比較 (右圖)。從光譜比較判斷透明部的成分為黃變部+某一成分。
將黃變部光譜進行資料庫比對，由比對結果 (右圖) 判斷黃變部成分為劣化的聚碳酸酯 (PC) 材質。
為了確認透明部除了 PC 以外的成分為何，將透明部的圖譜與黃變部圖譜相減 (下方左圖)，將相減得到的光譜進行資料庫比對 (下方右圖)，由比對結果判斷透明部中 PC 以外的成分可能為經 UV 光照射後的 PMMA。
一般而言，PC 材質雖然具備高機械強度，且在切割時不會產生粉狀物性質的優點，但對於 UV 光的耐受性並不佳。而 PMMA 即使照射 UV 光也不會產生物理性質的變化，判斷因此被用來當作 PC 燈殼上的抗 UV 保護膜。同時我們也推測，燈殼上的黃變部因為長時間風吹雨打，PMMA 的保護膜因此剝落，沒有了保護膜的 PC 燈殼長期受 UV 光照射，因此劣化變黃；而透明部的 PMMA 因為位於燈殼邊緣並沒有剝落，所以仍然可以維持透明的外觀。但從光譜上可以發現在 3400 cm-1 附近仍然出現代表 O-H 官能基的伸縮震動 (Stretching Vibration) 的吸收峰，判斷透明部雖然沒變色，但其實已經處於氧化劣化中的狀態了。
防止燈殼黃化，可以怎麼做？
汽車頭燈的燈源可分為鹵素燈、HID 氙氣放電燈、LED、以及較為新型的雷射頭燈。不論何種燈源，由於燈泡都使用 UV 光極難穿透的玻璃材質，因此燈殼內側不會受到 UV 照射產生劣化。這也和上述的實驗結果，以及以往只要將外殼拋光就可以恢復透明的經驗相吻合。因此防止燈殼黃化的重點，在於避免使燈殼在車輛未使用時照射到外在環境的紫外線。換言之，在不開車的時候將車停在室內停車位，或者使用可以遮蓋全車的車罩，會是保護車燈殼免於黃化最究竟的方式。
河流中塑膠微粒分析
塑膠微粒已經成為當今最受到矚目的環境議題之一了。塑膠微粒的可怕除了量大又難以被分解之外，也會導致如紋藤壺等小型潮間帶生物下一代的死亡率倍增，更可怕的是塑膠微粒被河川或海洋生物攝食之後，隨著食物鏈也可能進到人類的體內。塑膠微粒上可能含有的雙酚A或吸附上去的多環芳香烴 (PAH) 等化合物也可能造成人體的危害。到底這些塑膠微粒是怎麼來的? 塑膠微粒的成分是什麼? 塑膠微粒存在在環境多久了? 這些問題可以讓 FT-IR 來告訴我們。
河流中塑膠微粒的收集與量測實例
以日本的 Shimadzu 原廠所做的塑膠微粒收集與量測分析為例，實際在日本京都府的幾處河川進行採樣，再分別以 2 mm 與 0.1 mm 的篩過濾，將 0.1 mm 篩子上的殘留物以 30% 雙氧水溶解夾雜物，再以清水清洗之後，最後加入 NaI 碘化鈉水溶液進行比重分離。將塑膠微粒自上清液取出。
分析結果
將其中一顆自然風乾後的塑膠微粒以 Shimadzu Plastic Analyzer 進行分析。以 FT-IR 進行量測並比對資料庫之後，發現與 UV 光照劣化資料庫中，經過 UV 光加速老化測試機照射 550 小時的聚乙烯 (PE) 圖譜相近。其中特別是圖譜中黃色框位置 3400 cm-1 的 O-H 伸縮震動 (Stretching) 與 1750 cm-1 的 C=O 伸縮震動吸收峰，可以判斷此塑膠微粒受到環境中的紫外線照射導致發生氧化的劣化現象。而由藍色框位置 1050 cm-1 的吸收峰推斷，此塑膠微粒可能還混合了矽酸鹽。
在此 UV 光老化測試方法中，550 小時的照射量相當於真實世界中約 10 年的紫外線曝曬量。
分析對象塑膠微粒外觀
塑膠微粒比對資料庫的結果
結語
利用 Shimadzu Plastic Analyzer 中的 UV 光照劣化資料庫，可以推斷出塑膠微粒的成分與可能的存在歷史。藉由圖譜比對，看到了即便經過 10 年以上，塑膠微粒仍然好端端地存在於這個環境中。人類對於塑膠垃圾，乃至於是各種類型的廢棄物，或許也應該要更小心地對待處置，避免污染這片你我共同生存的環境吧！
FT-IR 與硬度計分析塑膠劣化
台灣的氣候基本上溫熱而潮濕。汽車零件、建材、工業用品、農業用品等戶外使用的塑膠製品，由於會經年累月受到太陽光、雨水等氣候變化導致發生劣化。為了確保產品能夠長時間耐得住這樣的天候，必須在了解材料的先天限制 (例如受太陽的紫外線曝曬是否會容易破裂損壞) 下加入適當的如：抗氧化劑或填充劑等添加劑。這對於高機能性材料而言是相當重要的。
在汽車的零件中，聚丙烯 PP 常被用來作為保險桿的材料，而聚碳酸酯 PC 則是常用來製成汽車頭燈燈殼。這些零件都是位於車外部長期處在日曬雨淋的環境。因此以這兩種材質為例，探討在紫外線曝曬下的化學與物理性值變化。
PP 材質的汽車保險桿
PC 材質的汽車頭燈燈殼
將 PP、PC 兩種塑膠材料利用 UV 光加速老化測試機分別照射 1 小時與 100 小時，可以發現隨著 UV 光照射時間的增加，FT-IR 光譜圖中黃色框 1750 cm-1 附近 PP 的吸收峰強度愈來愈高，而 PC 在該處的吸收峰則是變得愈來愈寬。顯示隨著 UV 光照射時間愈長，化學結構發生改變，氧化產生的劣化也愈明顯。
隨著微觀的化學性質產生變化，巨觀的物理性質也可能會隨之改變。利用 Shimadzu DUH-210 動態超微小硬度計依循 ISO/TB 19278 進行塑膠硬度的分析，以觀察 UV 光照射對於材料的物理性質影響。
Shimadzu DUH-210
動態超微小硬度計
硬度計分析條件
由分析結果可以發現，與完全沒有照射 UV 光的 PP 與 PC 材料相比，僅僅一小時的 UV 光照射，兩種材料都顯著地產生硬化現象。由此可知，長期曝曬太陽光可能因為紫外線的照射，造成塑膠材料化學上的結構改變帶來的劣化，使得塑膠材料原本具有的柔軟性變差，進而容易出現龜裂、破損、遭受撞擊之後直接斷裂等情形發生。如果要避免這樣的狀況發生，添加劑的使用就不可或缺了。