Messung von Mikroplastik und Verwendung der Bibliothek für thermisch beschädigte Kunststoffe

Mikroskopischer Kunststoff mit einer Größe von mehreren μm bis 5 mm oder weniger wird als Mikrokunststoff bezeichnet. Als ein marines Umweltproblem, das sich nachteilig auf die Küstenlinien und die marinen Ökosysteme auswirkt und folglich potenziell die menschliche Gesundheit beeinträchtigen kann, sind Mikrokunststoffe in den letzten Jahren zu einem globalen Problem geworden. Da ein frühzeitiges Handeln zum Schutz der globalen Umwelt notwendig ist, werden verschiedene Analysegeräte eingesetzt, um die Quellen von Mikrokunststoffen zu bestimmen und Gegenmaßnahmen zu untersuchen.

Mikrokunststoffe werden in zwei Typen eingeteilt, primäre Mikrokunststoffe und sekundäre Mikrokunststoffe. Primäre Mikroplastiken beziehen sich auf Substanzen, die als Gesetzesmaterialien in industriellen Schleifmitteln, Scheuermitteln und dergleichen verwendet werden. Polyethylen (PE) und Polypropylen (PP) werden häufig in diesen Anwendungen eingesetzt. Sekundäre Mikrokunststoffe hingegen sind Substanzen, die entstehen, wenn große Kunststoffprodukte durch äußere Faktoren wie ultraviolette Strahlung auf eine feine Größe von 5 mm oder weniger reduziert werden, und umfassen verschiedene Arten von Kunststoffen.

Das Fourier-Transformations-Infrarot-Spektrophotometer (FTIR) wird im Allgemeinen bei der qualitativen Analyse von Kunststoffen eingesetzt und wird bereits bei Untersuchungen des tatsächlichen Zustands von Einleitungen in Flüsse verwendet. Da jedoch viele tatsächliche Mikrokunststoffe in der Umwelt, hauptsächlich durch ultraviolette Strahlung, abgebaut werden, kann es bei Analysen mit einer Standard-FTIR-Bibliothek zu keinen Übereinstimmungen kommen.

Diese Applikation stellt die Messung von Mikrokunststoffen mit einer Größe in der Größenordnung von mehreren mm und die Verwendung der Shimadzu-Bibliothek thermisch geschädigter Kunststoffe zur Identifizierung der Proben vor.

Das IRSpirit Fourier-Transformations-Infrarotspektralphotometer hat ein kompaktes, tragbares Gehäuse mit Abmessungen von 390 (B) × 250 (T) × 210 (H) mm und einer Stellfläche, die kleiner als ein Blatt A3-Papier ist. Mit seinem einzigartigen Design, das den Zugang von zwei Seiten ermöglicht, kann es vertikal in engen Räumen mit der 250-mm-Seite als Vorderseite installiert werden. Der IRSpirit bietet nicht nur das höchste SN-Verhältnis und die höchste Auflösung in seiner Klasse, sondern auch den breitesten Probenraum seiner Klasse. Durch die Möglichkeit der Installation von Shimadzu-Zubehör und anderen im Handel erhältlichen Zubehörteilen wird eine hohe Erweiterbarkeit realisiert.

Bei dieser Messung haben wir ein System verwendet, bei dem ein Shimadzu QATR™-S ATR-Messzubehör mit dem Probenraum des IRSpirit in die IRSpirit-Einheit integriert wurde. Abb. 1 zeigt das Aussehen des IRSpirit + QATR-S.

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Abb. 1 IRSpirit™ + QATR™-S

 

 

Messprobe

 

Abb. 2 zeigt Mikrokunststoffe, die an einer Meeresküste gesammelt wurden. Die Mikroplastiken haben verschiedene Formen, darunter kugel- und pelletartige und weisen auch verschiedene Farben auf.

Abb. 2 An der Meeresküste gesammelte Mikrokunststoffe

 

Messverfahren: ATR-Methode

In der ATR-Methode, die bei der FTIR verwendet wird, ist ATR eine Abkürzung für „Attenuated Total Reflection“ (abgeschwächte Totalreflexion). Ein Absorptionsspektrum einer Probenoberfläche kann erhalten werden, indem die Probe auf das ATR-Prisma gelegt und das von der Probenoberfläche reflektierte Gesamtlicht gemessen wird. Die Lichteindringtiefe bei der ATR beträgt mehrere μm. Abb.3 zeigt den Zustand der Messung.

Abb. 3 ATR-Messung

Bibliothek für thermisch beschädigte Kunststoffe

Die Shimadzu-Bibliothek thermisch geschädigter Kunststoffe ist eine Bibliothek, die Spektraldaten für 13 Kunststofftypen im unbeheizten Zustand und bei Erwärmung auf verschiedene Temperaturen von 200 °C bis 400 °C enthält.

Die Zersetzung von Kunststoffen beginnt mit der Bildung von kohlenstoffzentrierten Radikalen als Folge der Dissoziation von Wasserstoff aus Kohlenstoff-Wasserstoff-Bindungen, die durch die Energie von Wärme oder Licht verursacht wird. Wenn Sauerstoff mit den Radikalen reagiert, kommt es in einer Art Kettenreaktion zur Bildung zusätzlicher Radikale und zur Dissoziation von Wasserstoff, und durch die Bindung zwischen Radikalpaaren entstehen auch inerte Stoffe. Kunststoffe werden durch diesen Prozess, der von Molekülspaltung und -vernetzung begleitet wird, abgebaut (1). Obwohl beim ultravioletten Abbau und beim thermischen Abbau große Unterschiede im Abbaufortschritt zu erkennen sind, sind die Faktoren, die den Abbaufortschritt bestimmen, im Wesentlichen die gleichen (2). Da die Veränderungen, die im Infrarotspektrum auftreten, oft ähnlich sind, kann die Bibliothek der thermisch geschädigten Kunststoffe in vielen Fällen auch zur qualitativen Analyse von ultraviolett-abgebauten Mikrokunststoffen verwendet werden.

Abb. 4 zeigt die Infrarotspektren von Acrylnitril-Butadien-Styrol (ABS)-Harz bei Bestrahlung mit ultraviolettem Licht, und Abb. 5 zeigt die Infrarotspektren von ABS-Harz bei Erwärmung. Im Falle von ABS erscheinen sowohl unter ultravioletten als auch unter thermischen Bedingungen Peaks, die mit der Streckschwingung des OH-Radikals und des C=O-Radikals verbunden sind, was zeigt, dass der oxidative Abbau durch die Einwirkung von ultravioletter Strahlung und Wärme erfolgt.

Abb. 4 Infrarotspektren von ABS-Harz (Ultraviolettbestrahlung) (oben) Abb. 5 Infrarotspektren von ABS-Harz (Erwärmung) (unten)

 

Messergebnisse

Unter den an der Meeresküste gesammelten Mikroplastiken wurden solche mit einer Größe von 5 mm oder weniger gemessen. Tabelle 1 zeigt die Messbedingungen, und Abb. 6 und Abb. 7 zeigen Bilder der Proben und die Messergebnisse für zwei Proben.

 

Aus den Ergebnissen in Abb. 6 wurde aus der Bibliothek der thermisch geschädigten Kunststoffe ein Treffer für Polypropylen (PP), das für 4 h auf 200 °C erhitzt wurde, für den weißen Mikrokunststoff und aus Abb. 7 ein Treffer für Polyethylen (PE), das für 2 h auf 200 °C erhitzt wurde, für den roten Mikrokunststoff erhalten. Es lässt sich ableiten, dass beide Mikrokunststoffe durch oxidativen Abbau durch ultraviolette Strahlung abgebaut wurden.

Abb. 6 Messergebnis und Bibliothekssuchergebnis für weißen Mikrokunststoff (oben) Abb. 7 Messergebnis und Bibliothekssuchergebnis für roten Mikrokunststoff (unten)
Tabelle 1: Messbedingungen
InstrumenteIRSpirit-T, QATR-S (Diamantprisma)
Auflösung4 cm-1
Akkumulation 40 Mal
ApodisierungsfunktionHapp-Genzel
DetektorDLATGS

Fazit

Mikrokunststoffe, die an einer Meeresküste gesammelt wurden, wurden mit einem kompakten IRSpirit FTIR gemessen. Eine einfache und leichte Messung war mit der ATR-Methode möglich. Eine schnelle qualitative Analyse von degradierten Mikroplastiken war auch durch die Verwendung der Shimadzu-Bibliothek für thermisch geschädigte Kunststoffe möglich.

In Fällen, in denen eine qualitative Analyse nach einer sichereren Methode erwünscht ist, empfehlen wir die Messung von Kunststoffen, die absichtlich durch ultraviolette Bestrahlung abgebaut wurden und den Vergleich dieser Probe mit der tatsächlichen Probe.

 

Referenz
(1) Hiroshi Yamanoi (2007), The Mechanisms of Polymer Degradation Discoloration and Stabilization, Journal of the Materials Life Society, Japan, 19(3), 103-108.
(2) Yoshio Oki (1973), Degradation of Plastic Materials, Journal of the Metal Finishing Society of Japan, 24(4), 229-238.

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