引言 多層高分子膜在各行業(yè)中應(yīng)用非常廣泛,。其中一 個(gè)主要用途是食品和消耗品的包裝材料,。由于包 裝膜需要滿足各種需求來保護(hù)其內(nèi)部的產(chǎn)品，所 以多層膜通常結(jié)構(gòu)非常復(fù)雜。包裝材料必須能夠 包裹住內(nèi)部的產(chǎn)品,，有足夠的強(qiáng)度和密封能力,，其生產(chǎn)必須機(jī)械化操作而且成本合理。 對(duì)于食品包裝材料,，還要能夠保護(hù)內(nèi)部的食品防止外界的環(huán)境對(duì)食品的質(zhì)量和安全造 成影響,，從而增加儲(chǔ)存時(shí)間。多層膜中的每一層膜都有不同阻隔作用以保護(hù)外界不同 因素可能造成的影響,，比如濕度,、光、氧氣,、微生物和其他化學(xué)物質(zhì),。 總的來說，傳統(tǒng)的高分子材料例如PET,、PE,、PS和PP都可以用作包裝材料。這些包裝材 料中有很大一部分最后都被扔至垃圾場或者被回料加工廠回收,。這些材料中很多都只 能緩慢的生物降解或者不能被生物降解,，對(duì)環(huán)境污染非常大。因此,，使用很多可生物降 解聚合物或可分解聚合物來做包裝材料成為了人們的關(guān)注點(diǎn),。生物基材料由部分可再 生或全部可再生材料制成，例如纖維素,、淀粉或聚乳酸,。這些生物基塑料是可生物降解 的，但并不是無條件的,。在有水,、二氧化碳和生物能量的情況下，可分解塑料能夠被微 生物生物降解,。這些環(huán)境友好材料將來的發(fā)展前景更加廣闊,。
紅外顯微已經(jīng)成為表征多層聚合物膜結(jié)構(gòu)的最重要的一種 技術(shù)了。紅外光譜能夠鑒別材料的結(jié)構(gòu),，而一臺(tái)紅外顯微 鏡可以對(duì)最小10μm的樣品進(jìn)行分析,，包括可以鑒別多層 膜中每層膜的結(jié)構(gòu)。本文介紹了紅外顯微鏡在傳統(tǒng)多層膜 和新型可分解材料上的應(yīng)用,。
聚合物多層膜的紅外顯微鏡分析 聚合物膜的紅外顯微分析可以使用透射或者ATR技術(shù),。使 用透射測試需要樣品非常薄，厚度最大20-30μm,，這就需 要使用顯微鏡切片機(jī)進(jìn)行切片預(yù)處理,。樣品可以固定在可 透紅外光的窗片上,，例如KBr來對(duì)樣品進(jìn)行透射分析。由于 ATR是一種測試材料表面的技術(shù),，因此樣品可以很厚,，樣品 需要樹脂包埋或者固定于夾具上測試。相比透射測試,，顯 微ATR能在更高的空間分辨率下得到紅外譜圖,。
聚合物多層膜的透射分析 使用顯微鏡切片機(jī)將一個(gè)高聚物多層膜樣品切至25μm 厚，用膠帶把樣品貼在7mm直徑的KBr窗片上,。將樣品固 定在PerkinElmer公司的SpotlightTM200i紅外顯微鏡的顯微 鏡樣品架上,。圖1是樣品的可見圖像，選取的范圍大約為 350μm（從上到下）,。如果需要每層結(jié)構(gòu)的詳細(xì)信息,，可以設(shè)置一個(gè)線掃描，每 個(gè)間隔收集一張譜圖,。使用每隔3μm步進(jìn),，光斑大小使用 5μm，共收集140張光譜圖,。線掃描的數(shù)據(jù)見圖2,。
如果只需要對(duì)多層膜的層結(jié)構(gòu)進(jìn)行檢測和辨別，可以使用 Spectrum 10軟件中的Analyze Image功能,。這個(gè)功能可以 全自動(dòng)分析樣品的可見圖像,，檢測每層膜結(jié)構(gòu)，將每層膜的 測試區(qū)域大化,。對(duì)于多層膜樣品,，會(huì)收集每層膜的紅外 譜圖，相比紅外圖像和線掃描而言,，這種方法會(huì)有更高的 信噪比和更少的分析時(shí)間,。圖5顯示了一個(gè)5層膜結(jié)構(gòu)的樣 品。
檢測多層膜后,，會(huì)自動(dòng)掃描記號(hào)點(diǎn)位置上對(duì)應(yīng)的紅外譜圖（ 圖6所示）,。通過普圖庫自動(dòng)檢索可以看出每層結(jié)構(gòu)分別為 PET（第一層和第五層），EVA共聚物（第二層和第四層）,，硅 偶聯(lián)聚乙烯（第三層）,。
聚合物多層膜的ATR分析 ATR是一種快速而簡單測試材料紅外光譜的方法。紅外顯 微鏡上的ATR可以測試幾個(gè)μm大小樣品的紅外譜圖,。顯 微ATR附件已經(jīng)用來檢測食品包裝多層膜的結(jié)構(gòu)了,。相比 透射測試，ATR能夠在更高的空間分辨率下得到紅外譜 圖,。對(duì)于顯微ATR測試,，需要對(duì)樣品進(jìn)行樹脂包埋,，然后切 出一個(gè)光滑而平坦的表面。相比簡單的夾具固定樣品,，樹 脂包埋樣品可以防止在ATR的壓力下樣品的變形。 使用Spotlight200i紅外顯微鏡,，顯微ATR附件對(duì)一個(gè)傳統(tǒng) 聚合物制成的多層食品包裝膜進(jìn)行測試,。圖7顯示了此樣品 的可見圖像，此多層膜的寬度大約為200μm,，由多種聚合 物層所構(gòu)成,。
顯微ATR的晶體固定在可接觸整個(gè)樣品范圍的位置，使用 5μm*5μm的光斑,，步進(jìn)5μm對(duì)多層膜進(jìn)行線掃描,，結(jié)果 如圖8所示。
樣品中可以看出含有幾種不同的聚合物類型,。圖9顯示了主 要層結(jié)構(gòu)的紅外譜圖,。通過聚合物譜圖庫鑒別出每層的結(jié) 構(gòu)分別為PP、PET,、PE和改性PE,。
傳統(tǒng)的聚合物包裝材料已經(jīng)被一種新型生物降解聚合物材 料所替代。使用Spotlight 200i對(duì)此可降解包裝材料進(jìn)行分 析,，用紅外顯微ATR進(jìn)行測試,，制樣方式與上述傳統(tǒng)包裝材 料相同。 圖11是樣品的可見圖像,，可以看出此膜的寬度大約為 80μm,，由少數(shù)幾層膜所構(gòu)成。
樣品的紅外譜圖見圖13,。每一層樣品的紅外譜圖看起來都 很類似,，他們在1700-1760cm-1都呈現(xiàn)C=O鍵吸收峰。這是 PLA基的共聚物材料,，大約有60μm的區(qū)域沒有呈現(xiàn)紅外 吸收譜圖,，因?yàn)檫@也是一層很薄的金屬層。
小結(jié) 包裝材料尤其是食品包裝材料,，為了滿足各種保護(hù)內(nèi) 部食品的要求,，其結(jié)構(gòu)是非常復(fù)雜的。多層膜是一種能 夠滿足此要求的材料,。但是,，食品包裝材料的降解對(duì)環(huán) 境污染是一個(gè)很大的問題，而使用生物可降解包裝材 料是一個(gè)有效的解決辦法,。
從文中我們可以看出紅外顯微技術(shù)無論對(duì)傳統(tǒng)多層膜 包裝材料還是新型生物可降解多層膜包裝材料都能提 供很好的表征,。對(duì)于不同樣品我們可以使用透射或者 ATR來對(duì)樣品進(jìn)行分析
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