一、技術(shù)原理

分子振動(dòng)吸收特性近紅外光（波長范圍 780~2500 nm）對(duì)應(yīng)分子中含氫基團(tuán)（如 C-H、O-H、N-H）的倍頻與合頻振動(dòng)。不同塑料因化學(xué)結(jié)構(gòu)（如聚乙烯、聚丙烯、聚苯乙烯等）和官能團(tuán)差異，對(duì)特定波長的光吸收不同，形成獨(dú)特的指紋光譜。

       例：聚乙烯（PE）以 C-H 伸縮振動(dòng)為主，光譜中 700~1200 nm 區(qū)域有特征吸收；聚苯乙烯（PS）因含苯環(huán)，在 1450 nm、1900 nm 附近有獨(dú)特吸收峰。

反射光譜檢測機(jī)制

漫反射模式：光照射塑料表面后，部分光被吸收，部分經(jīng)內(nèi)部散射后反射。通過光纖光譜儀采集反射光強(qiáng)度，可計(jì)算樣品的漫反射率（R），公式為：R=I入射I反射

反射光譜的形狀和強(qiáng)度直接反映樣品的化學(xué)組成和結(jié)構(gòu)差異。

二、塑料種類鑒別的關(guān)鍵流程

1. 樣品準(zhǔn)備

· 樣品形態(tài)：適用于粉末、顆粒、薄膜或塊狀固體（需表面平整，避免顏色、粗糙度干擾光譜）。

· 預(yù)處理：

· 清潔表面灰塵或油污（用無水乙醇擦拭）；

· 粉碎均勻（針對(duì)不規(guī)則樣品），減少顆粒度效應(yīng)引起的光譜偏差。

2. 光譜采集

· 儀器配置：

· 近紅外光譜儀（波長范圍 800~2500 nm，分辨率優(yōu)于 10 nm）；

· 漫反射探頭（含光纖光源和檢測器），距離樣品表面 5~10 mm，確保光入射角度一致（通常 45°）。

· 參數(shù)設(shè)置：

· 掃描次數(shù)：累加 16~32 次以降低噪聲；

· 背景校正：每次測量前掃描標(biāo)準(zhǔn)白板（反射率 100%）扣除儀器漂移。

· 光譜示例：

3. 數(shù)據(jù)處理與建模

· 光譜預(yù)處理：

· 消除基線漂移：采用Savitzky-Golay 濾波或多元散射校正（MSC）；

· 歸一化：通過 ** 標(biāo)準(zhǔn)正態(tài)變量變換（SNV）** 消除顆粒度和光程差異影響。

· 化學(xué)計(jì)量學(xué)建模：

· 定性分析方法：

· 主成分分析（PCA）：降維后可視化不同塑料的光譜聚類（如圖 1）；

· 偏最小二乘判別分析（PLS-DA）：建立分類模型，輸入未知樣品光譜預(yù)測類別；

· 人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（ANN）：通過訓(xùn)練集光譜特征（如峰值位置、強(qiáng)度）構(gòu)建非線性分類器。

· 模型驗(yàn)證：使用獨(dú)立驗(yàn)證集計(jì)算準(zhǔn)確率、召回率等指標(biāo)，通常要求準(zhǔn)確率＞95%。

4. 未知樣品鑒別

將待測樣品光譜輸入已訓(xùn)練的模型，通過匹配光譜數(shù)據(jù)庫或分類算法，快速判定塑料種類（如 PE、PP、PVC 等），甚至區(qū)分同種類塑料的牌號(hào)（如高密度 PE 與低密度 PE）。

三、應(yīng)用優(yōu)勢與挑戰(zhàn)

優(yōu)勢

1. 快速無損：單次測量＜10 秒，無需化學(xué)試劑，適合在線檢測；

2. 高通量：可批量處理樣品，適用于塑料回收分揀線；

3. 多組分分析：同時(shí)鑒別聚合物基質(zhì)、添加劑（如阻燃劑、增塑劑）。

挑戰(zhàn)

1. 樣品干擾：

· 顏色：深色樣品（如黑色塑料）因光吸收強(qiáng)，反射信號(hào)弱，需增加光源功率或采用透射模式；

· 表面狀態(tài)：粗糙表面易產(chǎn)生散射噪聲，需標(biāo)準(zhǔn)化預(yù)處理流程。

2. 模型泛化性：

· 不同生產(chǎn)工藝（如注塑、吹膜）可能導(dǎo)致同材質(zhì)光譜差異，需擴(kuò)大訓(xùn)練集覆蓋范圍；

· 混合塑料（如復(fù)合材料）的光譜重疊，需結(jié)合其他技術(shù)（如拉曼光譜）輔助鑒別。

四、典型應(yīng)用場景

1. 塑料回收行業(yè)：

· 在自動(dòng)化分揀線上安裝近紅外光譜探頭，實(shí)時(shí)識(shí)別塑料種類（如 PET 瓶、HDPE 容器），提高分揀效率；

· 案例：某回收廠采用漫反射近紅外光譜技術(shù)，將塑料分類準(zhǔn)確率從人工分揀的 85% 提升至 98%。

2. 質(zhì)量控制：

· 塑料生產(chǎn)中監(jiān)控原料純度（如區(qū)分再生料與新料），通過光譜相似度分析（如余弦相似度）判定批次一致性。

3. 環(huán)境監(jiān)測：

· 檢測土壤或水體中的微塑料種類，輔助評(píng)估污染來源（需結(jié)合顯微技術(shù)定位微塑料顆粒）。

五、儀器選型與注意事項(xiàng)

· 儀器選型：優(yōu)先選擇便攜式近紅外光譜儀（如布魯克 MIRA、海洋光學(xué) STS），便于現(xiàn)場快速檢測；

· 數(shù)據(jù)管理：建立企業(yè)級(jí)塑料光譜數(shù)據(jù)庫，定期更新不同牌號(hào)樣品光譜；

· 法規(guī)合規(guī)：在食品包裝等領(lǐng)域應(yīng)用時(shí)，需確保光譜數(shù)據(jù)符合 FDA、GB 等標(biāo)準(zhǔn)對(duì)塑料安全性的要求。

通過近紅外反射光譜技術(shù)與化學(xué)計(jì)量學(xué)的結(jié)合，可實(shí)現(xiàn)塑料種類的高效、準(zhǔn)確鑒別，為塑料循環(huán)經(jīng)濟(jì)和質(zhì)量管控提供關(guān)鍵技術(shù)支撐。