拉曼光谱法检验泡沫塑料的研究

拉曼光谱法检验泡沫塑料的研究

姜红;鞠晨阳;盘永平;马枭;李春宇;陈敏璠

【摘 要】建立一种简便快速、准确无损的检验泡沫塑料的方法,利用RT2000拉曼

检测仪,对40个不同品牌、不同用途的泡沫塑料样品进行分析检验.依据拉曼光谱

图中拉曼特征峰的不同,对每个样品的拉曼光谱图进行分析比较,根据所用塑料及填

料的不同,可以对泡沫塑料样品进行区分.该检验方法操作简便,结果准确可靠,无需特

殊的前处理且无损样品,为公安机关实际办案提供一种有效的分析方法.

【期刊名称】《上海塑料》

【年(卷),期】2019(000)002

【总页数】6页(P48-53)

【关键词】拉曼光谱法;泡沫塑料;填料;比较分析

【作 者】姜红;鞠晨阳;盘永平;马枭;李春宇;陈敏璠

【作者单位】中国人民公安大学刑事科学技术学院,北京100038;中国人民公安大

学刑事科学技术学院,北京100038;中国人民公安大学刑事科学技术学院,北京

100038;中国人民公安大学刑事科学技术学院,北京100038;中国人民公安大学刑

事科学技术学院,北京100038;同方威视技术股份有限公司,北京100084

【正文语种】中 文

【中图分类】TQ320.7

0 前言

泡沫塑料是以塑料为基本组成、内部具有无数微小气孔结构的复合材料[1]，它具

有密度小、导热性低、吸音减震、抗压强度高等特性。随着人民生活水平的不断提

高，泡沫塑料的应用越来越广泛，目前已被广泛应用于交通、建筑、包装等行业中。

因此，在各类案件现场经常能提取到泡沫塑料，通过对提取到的泡沫塑料进行检验，

可以为侦查破案提供线索，指明方向，为证实犯罪提供科学的依据。

在一次案件中，有人报案称某公园里发现一名遇害女孩的尸体。女孩只穿了一只鞋，

警方推断这很可能是抛尸现场，现场未遗留其他物证。经过仔细勘查，在女孩的袜

子上发现了极少量的白色小颗粒。送到技术部门经过刑技人员检验，确定该白色小

颗粒为泡沫塑料，警方结合案情，推断嫌疑人是用装家电的包装箱进行抛尸的[2]。

这个发现为侦查破案提供了有利的线索，该案迅速得以破获。目前已有人利用红外

光谱法对聚苯乙烯(EPS)泡沫塑料进行了检验研究[3]，笔者利用拉曼光谱法对泡沫

塑料进行了检验研究，取得了较好的实验结果。拉曼光谱法具有简便、快速、无损

等特点，在很多领域已得到广泛的应用[4]。

1 实验部分

1.1 实验仪器及条件

实验仪器：RT2000便捷式拉曼检测仪，北京同方威视技术股份有限公司。

实验条件：激光波长为785 nm，激光功率为80 MW，积分时间为50 s，光谱采

集范围为200～3 500 cm-1，电压为220 V，采集方式为点扫描。

1.2 实验样品

不同品牌、同一品牌不同用途的泡沫塑料样品40个(见表1)。

2 实验方法

2.1 重现性实验

为考查实验方法的稳定性和样品的均匀性，随机选取8#样品，在上述实验条件下，

对样品的同一部位用拉曼光谱仪平行测定5次。对10#样品的正面、反面和侧面

分别进行测定。

2.2 最小检出量实验

为了考查该方法的灵敏度，进行最小检出量实验。选择15#样品，用剪刀分别剪

取面积依次为1.0 cm×1.0 cm、0.8 cm×0.8 cm、0.5 cm×0.5 cm、0.3 cm×0.3

cm的A、B、C、D 4块大小不同的样品，在同一实验条件下，分别对其进行拉曼

光谱检测。

2.3 利用拉曼光谱法对泡沫塑料样品进行检验

在上述实验条件下，利用拉曼检测仪分别对收集到的泡沫塑料样品进行测定。

3 结果与分析

3.1 实验的可行性分析

通过对8#样品5次测定结果进行分析，发现5次测定的拉曼光谱图的峰数、峰位、

峰形和峰强基本一致(见图1)，表明利用拉曼光谱法检验泡沫塑料的方法重现性很

好，实验结果准确可靠。

图1 8#样品的重现性实验拉曼光谱图

通过对10#样品3个不同部位的测定结果进行分析，发现样品的正面、反面及侧

面其拉曼光谱图基本一致(见图2)，说明同一种泡沫塑料样品的均匀性较好。

图2 10#样品的3个不同部位的拉曼光谱图

3.2 最小检出量结果分析

用拉曼检测仪分别对4块大小不同的样品进行检测，实验结果见图3。忽略宇宙射

线和尖锐峰等其他因素的干扰，A、B、C样品的拉曼光谱的峰数、峰位、峰形、

峰强基本一致，而D样品的拉曼光谱图峰数、峰位、峰形明显发生变化，造成了

实验测量的误差，其原因可能是检材大小小于激光光斑面积,导致激光的非弹性散

射产生的拉曼效应不足[5]。因此，该实验的最小检出量应为0.5 cm×0.5 cm。

3.3 泡沫塑料的拉曼光谱分析

3.3.1 泡沫塑料样品的分类与填料分析

通过分析发现，泡沫塑料样品大体可以分为两大类：第Ⅰ类为EPS泡沫塑料，第

Ⅱ类为聚乙烯(PE)泡沫塑料，分类结果见表2。

EPS泡沫塑料的拉曼特征峰主要有622 cm-1、790 cm-1、1 000 cm-1、1 029

cm-1、1 152 cm-1、1 177 cm-1和1 590 cm-1。2#泡沫塑料样品的拉曼光谱

图在622.90 cm-1、795.00 cm-1、1 002.83 cm-1、1 032.56 cm-1、1 156.25

cm-1、1 182.17 cm-1、1 601.60 cm-1处的特征峰(见图4)符合EPS的标准拉

曼光谱图的特征峰[6]。

表1 泡沫塑料样品表样品编号样品名称样品来源及用途1EPS半硬发泡体泡沫塑料

山东恒丰多功能搅拌机外包装2EPS半硬发泡体泡沫塑料广东广州南陵立式冷藏柜

外包装3EPS半硬发泡体泡沫塑料山东济河食用菌养殖园外包装4EPS半硬发泡体

泡沫塑料苏泊尔电水壶外包装5EPS半硬发泡体泡沫塑料陕西宝鸡开元果业水果包

装箱6EPS半硬发泡体泡沫塑料云南玉溪孙氏蔬菜包装箱7EPS半硬发泡体泡沫塑

料万邦国际物流农贸市场包装箱8EPS半硬发泡体泡沫塑料海尔空调器外包装

9EPS半硬发泡体泡沫塑料美的微晶板电磁炉外包装10EPS半硬发泡体泡沫塑料郑

州家庭烘焙用品包装箱11EPS半硬发泡体泡沫塑料TV乐视液晶电视外包装

12EPS半硬发泡体泡沫塑料樱花牌恒温燃气热水器外包装13EPS半硬发泡体泡沫

塑料创宇烧烤炉外包装14EPS半硬发泡体泡沫塑料天津顺发保鲜泡沫箱15EPS半

硬发泡体泡沫塑料好太太家用燃气灶具外包装16EPS半硬发泡体泡沫塑料樱花帝

王电热水器外包装17EPS半硬发泡体泡沫塑料爱妻爱我家吸油烟机外包装18EPS

半硬发泡体泡沫塑料上海精密仪器分析天平外包装19EPS半硬发泡体泡沫塑料靓

家好太太吸油烟机外包装20EPS半硬发泡体泡沫塑料拓普康金钻仪外包装21EPS

半硬发泡体泡沫塑料樱花帝王家用保洁柜外包装22中密度EPS泡沫塑料板中国心

清物流包装厂23高密度EPS泡沫塑料板中国心清物流包装厂24超高密度EPS泡

沫塑料板中国心清物流包装厂25U形槽EPS气泡膜泡沫塑料中国心清物流包装厂

26珍珠棉圆管装饰泡沫塑料泰中花园垃圾站包装箱27EPS半硬发泡体泡沫塑料泰

中花园垃圾站包装箱28EPS半硬发泡体泡沫塑料旱瓜、黄瓜专用包装箱29泡沫

塑料苹果好连锁超市苹果拼盘包装箱30泡沫塑料顺丰海鲜包装箱31EPS半硬发

泡体泡沫塑料惠普笔记本电脑外包装32EPS半硬发泡体大颗粒泡沫塑料宜赋居落

地镜子外包装33珍珠棉泡沫塑料保护条中国人民公安大学四号楼垃圾桶外包装

34EPS半硬发泡体泡沫塑料百世快递速冻玉米粒包装箱35泡沫塑料特步鞋内部鞋

撑36EPS半硬发泡体泡沫塑料易果集团旗下品牌安鲜达包装箱37泡沫塑料华润

超市特拉特女鞋内部鞋撑38珍珠棉包装泡沫塑料顺丰包装箱39EPS半硬发泡体

泡沫塑料北京嘉鑫长辉蔬菜销售公司包装箱40EPS半硬发泡体泡沫塑料优质圣女

果包装箱

图3 15#泡沫塑料样品的拉曼光谱图表2 泡沫塑料分类结果

类别样品编号第Ⅰ类1#、2#、3#、4#、5#、6#、7#、8#、9#、10#、11#、

12#、13#、14#、15#、16#、17#、18#、19#、20#、21#、22#、23#、24#、

27#、28#、31#、32#、34#、36#、39#、40#第Ⅱ类25#、26#、29#、30#、

33#、35#、37#、38#

图4 2#泡沫塑料样品的拉曼光谱图

PE泡沫塑料的拉曼特征峰主要有1 059 cm-1、1 125 cm-1、1 289 cm-1和1

429 cm-1。38#泡沫塑料样品的拉曼光谱图(见图5)符合PE的标准拉曼光谱图的

特征峰。

图5 38#泡沫塑料样品的拉曼光谱图

EPS泡沫塑料中还含有滑石粉、硬脂酸钙、丁烷等。滑石粉的拉曼特征峰为107

cm-1、192 cm-1、289 cm-1、360 cm-1、430 cm-1、465 cm-1、674 cm-1、

1 049 cm-1、1 097 cm-1[7]；硬脂酸钙的拉曼特征峰为891.59 cm-1、1

063.44 cm-1、1 129.96 cm-1、1 296.27 cm-1、1 441.80 cm-1、1 465.36

cm-1、2 845.74 cm-1、2 880.38 cm-1；丁烷的拉曼特征峰主要为2 945～2

956 cm-1(环丁烷及其单取代衍生物不对称伸缩)、2 975～2 985 cm-1(环丁烷及

其单取代衍生物对称伸缩)。

EPS泡沫塑料拉曼光谱图(见图6)中1 590 cm-1处的特征峰是苯环内碳原子间非

对称伸缩振动，1 177 cm-1处的特征峰是苯环与碳链原子间非对称伸缩振动，1

152 cm-1处的特征峰表明存在苯环与碳链原子间伸缩振动，1 029 cm-1处的特

征峰是苯环内碳原子间对称伸缩振动，1 000 cm-1处的特征峰是由苯环环呼吸振

动引起的，790 cm-1处的特征峰表明存在苯环与碳链原子间伸缩振动，622 cm-

1处的特征峰是由苯环内碳原子间弯曲振动引起的。

图6 EPS泡沫塑料的主要拉曼特征峰

PE泡沫塑料拉曼光谱(见图7)中1 429 cm-1处的特征峰是由碳与氢原子间非对称

弯曲振动引起的，1 289 cm-1 处的特征峰是由碳与氢原子间摇摆振动引起的，1

125 cm-1处的特征峰是碳原子间对称伸缩振动，1 059 cm-1处的特征峰是由碳

原子间非对称伸缩振动引起的。

在泡沫塑料成型过程中经常会加入一些化学发泡剂，如碳酸氢钠、碳酸铵、偶氮二

甲酰胺，其中碳酸氢钠的主要拉曼特征峰为90 cm-1、111 cm-1、141 cm-1、

684 cm-1、1 045 cm-1、1 267 cm-1。伯酰胺类的主要拉曼特征峰为1 636～1

686 cm-1(酰胺谱带振动)，仲酰胺类的主要特征峰为1 650～1 660 cm-1(酰胺谱

带振动)[8]。

图7 PE泡沫塑料的主要拉曼特征峰

3.3.2 EPS泡沫塑料的拉曼光谱分析

抽取的1#、2#、4#、5#4个样品的主要拉曼特征峰与EPS泡沫塑料的主要拉曼

特征峰622 cm-1、790 cm-1、1 000 cm-1、1 029 cm-1、1 152 cm-1、1

177 cm-1、1 590 cm-1基本相符，但又有所区别。1#样品的拉曼光谱图在1

299.3 cm-1和1 444.4 cm-1处出现特征峰，表明样品中含有硬脂酸钙。2#样品

没有出现上述填料的特征峰。4#样品的拉曼光谱图在1 452.9 cm-1、2 846.0

cm-1处出现特征峰，表明存在硬脂酸钙和丁烷。5#样品在1 446.0 cm-1和2

881.7 cm-1处出现特征峰，表明存在硬脂酸钙和丁烷，但4#和#5样品出现硬脂

酸钙的峰位有所不同。

3.3.3 PE泡沫塑料的拉曼光谱分析

25#、26#、33#、38#样品均为PE泡沫塑料，4个样品的拉曼光谱图见图8。通

过分析可知，4个样品的主要拉曼特征峰与PE的标准拉曼光谱图基本一致，均在

1 059 cm-1、1 125 cm-1、1 289 cm-1、1 429 cm-1处形成特征峰。观察33#

样品可知：在1 062.1 cm-1、1 295.8 cm-1、1 439.2 cm-1、2 879.8 cm-1处

形成的特征峰，可作为硬脂酸钙的识别；在425.1 cm-1、460.4 cm-1处形成的

特征峰，可识别滑石粉的存在。

图8 25#、26#、33#、38#泡沫塑料样品的拉曼光谱图比较

3.3.4 同一厂家的EPS泡沫塑料的拉曼光谱分析

22#、23#、24#样品均为同一厂家生产的EPS泡沫板，分别为中密度、高密度、

超高密度泡沫板，其拉曼光谱图见图9。由图9可知：超高密度泡沫板没有拉曼特

征峰，其原因可能是该样品密度过高；在1 465.1 cm-1、2 885.3 cm-1处形成的

特征峰，表明存在硬脂酸钙；23#样品高密度泡沫板形成的拉曼特征峰与EPS的

标准拉曼特征峰一致，表明是EPS泡沫塑料，其在1 455 cm-1处形成的特征峰

表明含有硬脂酸钙。

图9 22#、23#、24# 泡沫塑料样品的拉曼光谱图比较

3.3.5 同一品牌的EPS泡沫塑料的拉曼光谱分析

16#和21#样品为同一品牌，其拉曼光谱图所呈现的主要特征峰基本是一致的，说

明同一品牌的泡沫塑料，所用填料基本一致(见图10)，但仍然存在细小差异。

图10 16#和21#泡沫塑料样品的拉曼光谱图

21#和16#2个样品，可从600～1 000 cm-1、1 000～1 601 cm-1、1 601～3

000 cm-1区域进行比较。在600～1 000 cm-1，不论是621 cm-1还是790

cm-1处的特征峰，21#样品的峰位较为密集，峰强更强；在1 000～1 601 cm-1，

21#样品在1 196.5 cm-1、1 212.6 cm-1、1 242.8 cm-1、1 316.6 cm-1、1

344.7 cm-1、1 349.9 cm-1、1 396.5 cm-1均出现了特征峰，表明该样品掺杂

了更多的杂质，两样品间存在一定的差异。通过比较21#与16#样品在1 601～3

000 cm-1的峰强同样可进行区分。

4 结语

利用拉曼光谱法对40个不同厂家、同一厂家不同用途的泡沫塑料样品进行检验分

析，实验结果表明：不同品牌的泡沫塑料，其塑料种类、填料、发泡剂等也存在差

异，而同一厂家生产的不同用途的泡沫塑料，也存在一定的差异。因此,可以利用

拉曼光谱法对泡沫塑料进行检验区分，该方法简便快速、结果准确可靠，样品无需

特殊的前处理，且无损样品[9]，可用于公安机关实际办案。

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