利用傅立葉轉換近紅外光譜儀（FT-NIR）分析聚乙烯樣品的密度與共聚物含量

研究 1：聚乙烯密度分類與定量預測

本研究使用 Antaris II MDS 系統的積分球模組配合旋轉樣品杯，分析了三組具有不同密度範圍的聚乙烯樣品（表 1）。這些材料分類如下：

線性低密度聚乙烯（LLDPE）：密度範圍為 0.9170–0.9200 g/cm³
中密度聚乙烯（MDPE）：密度範圍為 0.9260–0.9400 g/cm³
高密度聚乙烯（HDPE）：密度範圍 > 0.941 g/cm³

本研究光譜範圍介於 10,000 至 4000 cm⁻¹ 之間，並使用 TQ Analyst™ 軟體建立化學計量學模型。經判讀後分析了 6000 至 5700 cm⁻¹ 之間的一階微分光譜（如圖 3），該區間內三組材料的光譜有顯著差異。在進行化學計量建模之前，光譜套用了 Norris 微分平滑濾波器。

圖 3 HDPE, MDPE及LLDPE在5700-6000 cm-1的一階微分光譜

主成分得分圖（圖 4）顯示不同密度類別之間具有極佳的分離度。主成分用於描述判別分析中的光譜變異。第一主成分（PC1）解釋了標準光譜中的大部分變異，後續的每個主成分則解釋剩餘的變異。圖 4 繪製了第一與第二主成分的光譜分佈圖。分佈圖中不同密度聚乙烯之間的分離表明，透過 Antaris NIR 可對這些材料進行分類。

圖 4 HDPE, MDPE及LLDPE的主成分得分圖，顯示了不同密度的聚乙烯可利用該技術分類

除了定性分類不同的聚乙烯材料外，本研究也對 MDPE 樣品進行了定量分析。利用偏最小平方法（PLS）化學計量模型，重新分析了 11 個密度範圍在 0.9340 至 0.9395 g/cm³ 之間的 MDPE 樣品。未經處理的原始光譜在 10,000 至 6200 cm⁻¹ 範圍內進行分析，並在 8840 cm⁻¹ 處採用單點基線校正。化學計量模型計算值與實際值的繪圖顯示密度可被準確預測（圖 5）。選定的驗證光譜預測均方根誤差（RMSEP）為 0.0005 g/cm³，相關係數達 0.97699。

圖 5 MDPE 樣品密度之擬合回歸圖（計算值 vs. 實際值，RMSEP = 0.0005 g/cm³，相關係數 0.97699）

表 1：所分析聚乙烯材料的密度與分類結果