聚乙烯（PE）與混合材料的成分分析

聚乙烯（PE）的特性與常見用途

聚乙烯（polyethylene，PE）是由乙烯聚合而成的熱塑性塑膠，加熱後可軟化、熔融，再加工成不同形狀。PE 的特性會隨分子結構與材料等級而改變：低密度聚乙烯（LDPE）較柔軟，常用於包裝薄膜、塑膠袋與可擠壓的容器；線性低密度聚乙烯（LLDPE）也廣泛用於包裝膜、農業膜及袋材；高密度聚乙烯（HDPE）通常較硬挺，常見於瓶罐、桶槽與管材。因此，日常使用的柔軟薄膜與硬質塑膠容器，都可能屬於 PE，卻具有不同的加工與使用特性。INEOS：聚乙烯介紹、ExxonMobil：聚乙烯材料與用途資料。

材料混合的來源與 FTIR 分析需求

PE 材料可能包含不同種類的樹脂、填料或添加劑。有些組合是為了調整產品性能而設計，例如混合不同類型的 PE，以改變薄膜的硬挺程度；另一些則來自回收過程中不同來源的塑膠混合，或分選後仍殘留其他材質。以 PE 回收料為例，聚丙烯（PP）就是需要注意的混入成分。

傅立葉轉換紅外光譜（FTIR）適合用來分析這類成分問題，因為不同的分子結構會呈現不同的紅外吸收特徵，搭配衰減全反射（ATR）附件時，許多塑膠顆粒、薄膜或製品表面可直接與晶體接觸量測，適合用於材料初步辨識及批次比較。

PE量測分析中常見的問題

使用 FTIR 分析聚乙烯（polyethylene，PE）時，光譜可能同時包含多種成分的訊號，部分吸收訊號可能重疊，影響判讀。微小異物的單獨量測也較為困難。此外，材料或污染物在加工、使用過程中發生化學變化後，其光譜可能與資料庫中的參考光譜不同，增加成分辨識的難度。

吸收訊號重疊與干擾

回收 PE 可能因分選不完全而混入 PP 或其他塑膠。紅外吸收訊號與分子中化學鍵的振動有關。PE 的鏈段以亞甲基（–CH₂–）為主；PP 的主鏈也含有 –CH₂–，並帶有甲基（–CH₃）側基。兩者都有大量 C–H 鍵，因此在約 3000–2800 cm⁻¹ 的 C–H 伸縮振動區會出現相近的吸收峰。PE／PP 吸收波段比較

當 PE 與 PP 混合時，量得的光譜會同時包含兩者的訊號。位置相近的吸收峰可能疊在一起，使峰高或形狀改變，難以直接分辨各成分的貢獻。若 PP 含量較低，這些變化可能更不明顯，因此需要尋找其他較容易區分的特徵峰。

純 PE、純 PP 與不同混合比例的 ATR-FTIR 實測光譜
圖 1｜PE／PP 混合物的 ATR-FTIR 光譜。黑線為 100% PP，紫線為 0% PP（純 PE），其餘曲線為不同 PP 比例的混合物。約 3000–2800 cm⁻¹ 的吸收區域相近，但較低波數區仍可看到差異。來源：Specac AN19-04，Figure 1。

在 PE 中辨識 PP 時，PP 的甲基（CH₃）在約 1375 cm⁻¹ 附近有吸收，但 LDPE 的分枝結構也會產生相近訊號。義大利米蘭理工大學的回收 PE 光譜判讀研究，在回收 HDPE 薄膜的穿透光譜中比對純 PP 的特徵，並以約 950–1000 cm⁻¹ 指紋區的 PP 吸收訊號，作為辨識混入 PP 的依據。

進一步定量時，該研究將已知比例的 HDPE／PP 混合物及回收料壓製成約 100 μm 的薄膜，使用 FTIR 進行穿透量測。為避開中紅外區強峰飽和與訊號重疊的影響，作者選擇近紅外區中分離較清楚的 PP 與 HDPE 吸收峰，以兩者的峰高比建立校正曲線，估算回收料中的 PP 含量。薄膜製樣與近紅外定量方法

回收料中的其他成分也可能影響計算。西班牙胡安卡洛斯國王大學的回收 HDPE 中 PP 定量研究，使用 FTIR 搭配 ATR 量測，在 1200–1600 cm⁻¹ 區間進行基線校正，再以 1378 與 1465 cm⁻¹ 的峰高比建立 PP 含量校正曲線。然而，實際回收料在約 1650 cm⁻¹ 的額外訊號仍可能使基線傾斜，影響峰高及含量估算。

研究另採用溫度梯度交互作用層析（TGIC），將樣品溶解於鄰二氯苯，使用填充多孔石墨碳的 Hypercarb 管柱與控溫程序分離 HDPE 和 PP，再以 IR4 紅外偵測器量測流出的聚合物，根據分離峰的面積估算含量。研究將 Hypercarb 管柱配置於 Polymer Char 的 TREF 系統中，並以 TGIC 結果與 ATR-FTIR 比較。TGIC 設備、方法與限制

若要進一步估算混入成分的含量，就需要選擇合適的吸收峰並建立校正關係。義大利的里雅斯特大學與 MaterialScan 在一項回收 PE 成分分析研究中，使用鑽石 ATR 量測，經基線校正後，以特徵峰與參考峰的強度比建立校正曲線，再估算五批回收粒料中的 PP、PS 與 PET 含量。這提供了利用光譜差異分析混合材料的實際方法。

微小異物的成分辨識

微小異物可能只出現在 PE 顆粒或薄膜的局部位置。若量測範圍涵蓋周圍的 PE，取得的光譜就可能混有母材訊號，難以單獨辨識異物。FTIR 顯微分析可利用光學影像定位異物，再針對選定區域量測；可取出的異物，也能先與 PE 分離後分析。

Thermo Fisher Scientific 的回收塑膠異物分析案例先在顯微鏡下，從回收 HDPE 顆粒表面分離異物，放到玻璃載片，再以鍺（Ge）晶體尖端進行微區 ATR-FTIR 量測，辨識出纖維素、PET 等纖維狀成分。

回收 HDPE 顆粒表面分離出的纖維素纖維顯微影像回收 HDPE 顆粒表面分離出的 PET 纖維顯微影像
回收 PE 顆粒中的纖維素纖維與 PET 纖維。來源：Thermo Fisher AN1141，Figure 3A、3B。

若異物留在薄膜中，也可採穿透式 FTIR 顯微分析。同一份應用報告在再生 LDPE 袋的異物位置取得光譜後，扣除 PE 背景訊號，再與資料庫比對，辨識出纖維素。扣譜可降低 PE 訊號對判讀的影響，但無法恢復因吸收飽和而失去的資訊。LDPE 袋異物的穿透量測與扣譜

化學變化對光譜判讀的影響

污染物受熱後，可能發生脫水或化學鍵斷裂，使原有吸收峰減弱或消失。若資料庫中的參考光譜來自未經這些變化的材料，即使污染物來源相同，比對分數也可能降低。

在前述回收 HDPE 案例中，研究者將黑色粒子分離後，以微區 ATR-FTIR 量測。資料庫比對指向纖維素，但匹配值偏低，因此作者進一步比較黑色粒子與纖維素的吸收特徵：

回收 HDPE 顆粒中的黑色異物顯微影像
回收 PE 顆粒中的黑色異物。來源：Thermo Fisher AN1141，Figure 4 插圖。
吸收區域黑色粒子相較於纖維素的變化
約 3600–3100 cm⁻¹，O–H 伸縮振動訊號消失或明顯減弱
約 900 cm⁻¹，與 β-糖苷鍵相關的吸收訊號消失
約 1428、1370 與 1034 cm⁻¹，與纖維素環結構相關的吸收訊號仍保留，但強度降低

作者將這些變化解讀為脫水及纖維素結構破壞的線索，據此推測黑色粒子可能是焦化纖維素。黑色粒子的光譜比較與判讀

結語

雖然都是分析 PE，但樣品的來源與成分不同，分析方式也可能大不相同。回收料或再生料可能混有其他成分，經過化學變化的樣品也會呈現不同的光譜特徵。FTIR 搭配 ATR 是常見的分析方式，必要時也可結合其他量測方法，進一步做定性或定量分析。

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