塑膠材料的快速分析與前處理應用(上)

2019-09-06

塑膠材料的快速分析與前處理應用(上)

無論是免洗餐具、塑膠袋、電子用品、醫療器材、保鮮膜、各式日常用品、玩具……塑膠製品儼然已成為人類生活中不可或缺的一部份。每年有上億公噸的塑膠被製造生產,要如何快速進行塑膠材料的成分分析,測定其中的塑化劑、添加劑、水份、灰分與重金屬含量,以控管產品的品質與安全性,即成為非常重要的課題。

索氏萃取、超音波萃取與高溫灰化爐、紅外線……技術皆為以往用來進行塑膠的分析的與前處理技術,此系列文章將介紹有別於以往、更快速的塑料前處理與分析技術,包含了塑膠中添加劑的萃取、水分與灰分測定、重金屬檢驗前處理。

為什麼要進行塑膠製品的材料檢驗分析

塑化劑的檢測已成為常規檢測的項目:美國消費品安全委員會(Consumer Product Safety Commission,CPSC)訂定了兒童用品中鄰苯二甲酸酯的含量限值、行政院環保署已將引發食安問題的塑化劑列為毒性化學物質加以管理、衛生福利部食品藥物管理署也限制食品器具中的塑化劑添加含量,而檢驗塑膠製品中的水份、灰分含量,氧化劑、填充劑等其餘添加劑成份,也都是塑膠製程中重要的一環。除此之外,需要染色的塑膠製品容易含有重金屬,因此塑膠製品中的重金屬含量限制也為民眾所關心的議題。

塑膠材料中的添加成份

為了讓生產的塑膠產品符合要求的特性,製造的過程中或多或少都會加入添加劑。用於塑膠製品的添加劑(Plastic Additives)種類繁多,有抗氧化劑(Antioxidants)、填充劑(Fillers)、安定劑(Stabilizers)、抗靜電劑(Antistatic Agent),還有塑化劑(Plasticizers),其中塑化劑也稱為增塑劑或可塑劑。

鄰苯二甲酸酯(Phthalates,PAEs)為最常使用的塑化劑成份之一, 鄰苯二甲酸酯易釋放到環境中,對動物與人類生殖系統均有毒性,也可能影響孩童生長發育的速度。

以往塑膠材料分析檢驗的瓶頸

以往要進行各式塑膠成份的分析,最大的瓶頸在於冗長的樣品前處理過程。 以萃取塑膠製品中的添加劑為例,因塑膠製品的熔點普遍較低,且不同的塑膠材質又各自有不同的熔點;為了避免塑膠熔化,萃取時無法在極高溫條件下進行,但又必須將添加劑溶出至萃取液中。此外,萃取過程需花費許多時間,超音波萃取(Sonication)與傳統索氏萃取(Soxhlet Extraction)更是需要長達一天甚至兩天的時間,且需使用大量的溶劑,也因為冗長的萃取過程,增加了萃取實驗的變異性。

萃取塑膠材料中的添加劑

EDGE全自動加壓流體萃取系統(Automated Extraction System)結合加壓溶劑萃取與固相離散萃取技術,能自動添加溶劑,透過加熱與溶劑的攪動進行萃取,萃取後快速冷卻與自動過濾,使用40 mL的溶劑於20分鐘內即可完成塑膠中添加劑的萃取。

Polyvinyl chloride(PVC)中塑化劑的萃取

使用30 mL的Isopropanol/Cyclohexane(混合比例1:1),以80 °C加熱10分鐘,即可萃取PVC中的塑化劑,表1可見塑化劑回收率皆達80%以上。

表1 使用EDGE全自動加壓流體萃取系統萃取PVC中塑化劑回收率
塑化劑種類平均回收率% (n=6)相對標準偏差(RSD)
Dimethyl Phthalate861.9
Diethyl Phthalate831.5
Bis (2-ethylhexyl) Phthalate881.5
Butylbenzyl Phthalate861.7
Di-n-butyl Phthalate842.5
Di-n-octyl Phthalate1011.7
圖1 (左圖) 塑化劑的高效液相層析圖譜 ; (右圖) EDGE全自動加壓流體萃取系統

圖2 塑化劑的氣相層析圖譜

 

Polypropylene(PP) 與Polyethylene(PE)中添加劑的萃取

使用40 mL的Isopropanol,以80 °C或120 °C萃取15分鐘萃取PP中的添加劑、以90°C 萃取PE中的添加劑。

表2說明了以不同溫度萃取PP所得到的添加劑回收率,可見不同種類的添加劑有其適合萃取的溫度,如BHT為在高溫下不穩定的物質,因此不適合以高溫萃取,而Erucamide則是需要高溫才能萃取出的物質。由此數據我們可得知,萃取條件需根據待測添加劑種類的不同而調整。

表2 比較全自動加壓流體萃取系統設定於不同溫度下,PP中添加劑萃取回收率
添加劑種類EDGE萃取回收率 % (80 °C, n=4)相對標準偏差(RSD)EDGE萃取回收率 % (120 °C, n=4)相對標準偏差(RSD)
BHT9034N/AN/A
ErucamideN/AN/A904.2
Irganox 3114865.6813.1
Vitamin E936.7982.9
Irganox 10107511782
Irganox 1076883.1832.8
Irgafos 168 OX Phosphite991310719
Irgafos 168926.3984.1
Irgafos Total936.3984.1

由表3可看出,無論是萃取PP或是PE中的添加劑,以EDGE全自動加壓流體萃取系統進行萃取,回收率皆高於ASTM D6043-09與 D6953-11方法。

表3 ASTM方法與EDGE全自動加壓流體萃取系統添加劑萃取回收率比較(萃取PP與PE)
添加劑種類ASTM方法回收率 % (樣品:PP)EDGE回收率 % (樣品:PP)ASTM方法回收率 % (樣品:PE)EDGE回收率 % (樣品:PE)
BHT799162111
Erucamide65904886
Irganox 311458865891
Vitamin E63986367
Irganox 101054784563
Irganox 107659885275
Irgafos 168 OX Phosphite671074075
Irgafos 16854985193
Irgafos Total56984887

以往萃取塑膠中的添加劑需要數小時甚至數天的時間,以EDGE全自動加壓流體萃取系統進行萃取只需20分鐘,並可得到良好的回收率。有關其他塑膠製品的快速檢驗及前處理(水份、灰份、重金屬),將於下篇進行介紹。

想了解更多細節?

欲了解更多的儀器資訊與實驗細節,歡迎來電洽詢 02-2728-2767或 來信與我們聯繫

欲了解更多的儀器資訊與實驗細節,歡迎來電洽詢 02-2728-2767來信與我們聯繫

參考文獻