وجود تیتانیوم در پلاستیک‌های مصرفی

وجود تیتانیوم در پلاستیک‌های مصرفی

بخش اصلی اشیاء ساخته شده از پلاستیک یک ماتریس پلیمری آلی است اما این پلاستیک حاوی طیف گسترده ای از مواد شیمیایی دیگر مانند افزودنی ها، مواد پردازش شده یا افزوده شده نیز است. درحال حاضر جوامع علمی و نظارتی با چالش هایی ازجمله عدم دسترسی به اطلاعات اولیه درمورد کمیّت و هویت آنها مواجه هستند که در رابطه با سمیّت بالقوه، مدیریت، بازیافت، سرنوشت محیطی و استفاده از منابع بسیار مهم هستند. علاوه براین، یک مشکل دیگر این است که برخی از مواد افزودنی مانند اکسید تیتانیوم (TiO₂) ممکن است در اشکال کریستالوگرافی مختلف وجود داشته باشند که نه تنها نشان دهنده مقدار کل تیتانیوم هستند بلکه بر پلی مورفی بودن آن نیز دلالت می‌کند. دی اکسید تیتانیوم به‌طور گسترده در دو پلی موف مختلف در پلاستیک استفاده می شود: آناتاز و روتیل. در اینجا چندین مزیت میکروطیف سنجی رامان نسبت به طیف‌سنجی رامان معمولی در تشخیص TiO₂ موجود در پلاستیک و منسوجات مصنوعی را بررسی می کنیم. یک مزیت اصلی ناشی از نسبت سیگنال-به-پس زمینه بهتر حجم نمونه برداری کوچک است. در این مطالعه، امکان تشخیص TiO₂ در غلظت‌های مشابه کمتر از 450 میلی گرم/کیلوگرم وجود داشت. علاوه براین، ما اثبات می کنیم که انتخاب لیزر 405 نانومتری کمتر مورد استفاده طیف‌سنجی رامان قرار می گیرد، می‌تواند در برخی موارد بر پس‌زمینه فلورسانس ناخواسته غلبه کند. همچنین به وجود آناتاز در تمام منسوجات تحلیل شده و روتیل در تقریبا تمام پلاستیک های مصرفی نیز اشاره می کنیم.

شناختن ترکیب کلی اجسام پلاستیکی ازجمله افزودنی‌های معدنی در چارچوب معاهده جهانی پلاستیک سازمان ملل متحد که درحال حاضر مورد بحث است و انتظار می رود تا پایان سال 2024 به تصویب برسد، هم تاپیکال است و هم ضروری. این ترکیب شامل توان درک این است که عناصر به چه شکلی یافت می شوند درحالی که ممکن است به اشکال کریستالوگرافی، کمپلکس شده با لیگاندهای آلی یا متصل به ماتریس پلاستیکی مختلف یافت شوند. این نوع اطلاعات معمولا باید توسط تولیدکنندگان ارائه شود اما اغلب اینگونه نیست. علاوه براین، حتی اگر این اطلاعات در دسترس باشد چندان به آن در دگرگونی های احتمالی درحین فرایند ساخت محصولات پلاستیکی یا استفاده از آنها و حتی بازیافت چندان توجه نمی‌شود. دی اکسید تیتانیوم (TiO₂) یکی از 50 ماده شیمیایی تولید شده در جهان است. در سال 2017، استفاده از آن در پلاستیک پس از رنگ و عایق (56 درصد) در رتبه دوم (25.6 درصد) قرار گرفت. خواص دی اکسید تیتانیوم به ویژه پراکندگی بالای نور، بی اثری، پایداری حرارتی، توانایی جذب اشعه ماوراء بنفش و مقرون به صرفه بودن آن را به پرمصرف ترین رنگدانه در تولید پلاستیک تبدیل می کند. بنابراین، از آن نه تنها به عنوان رنگدانه بلکه برای افزایش مقاومت در برابر حرارت، نور، آب و هوا، سختی و همچنین بهبود خواص مکانیکی و الکتریکی می توان استفاده کرد. دی اکسید تیتانیوم در طبیعت به سه شکل آناتاز، روتیل و بروکیت وجود دارد. تمام این ساختارها براساس واحدهای هشت وجهی هستند. آناتاز و بروکیت فازهای ناپایدار هستند و هر دو این فاز تحت فشار، گرما یا شرایط دیگر به فاز روتیل پایدار ترمودینامیکی تبدیل می‌شوند. معمولا، فقط از آناتاز و روتیل استفاده می‌شود درحالی که بروکیت عمدتا به دلیل دشوار بودن دسترسی به فاز خالص کمتر استفاده می‌شود.

سمیّت‌های مختلف و بازیافت را باید از دلایل انگیزه شناسایی پلی‌مورف‌های TiO₂ در اجسام پلاستیکی دانست. درحال حاضر، مطالعات بسیاری به بررسی اثرات سمی نانوذرات TiO₂ پرداخته اند اما نتایج حاصل از آنها اغلب بحث برانگیز است؛ که می‌توان آن را به تنوع تجاری اشکال نانو و میکرو TiO₂ با مشخصات فیزیکوشیمیایی مختلف یا اشکال کریستالی متفاوت نسبت داد. به طور کلی، آناتاز بیشتر از نانوذرات روتیل سیتوتوکسیک است. طیف سنجی رامان یکی از پرکاربردترین تکنیک‌ها برای شناسایی پلیمرها و میکروپلاستیک است. در این نرم افزار گاهی اوقات به دلیل وجود مواد افزودنی معدنی تداخل گزارش شده است؛ وجود این مواد افزودنی می‌تواند مانع از شناسایی ترکیب پلیمری میکروپلاستیک شود. درمقابل، در این مطالعه از پاسخ طیفی رامان به TiO₂ درجهت شناسایی پتانسیل این روش برای بررسی اینکه کدام یک از اشکال کریستالوگرافی آن در انواع پلاستیک های مصرفی وجود دارد بهره می گیریم. اگر چه طیف سنجی رامان از دیرباز برای مطالعه TiO₂ کاربرد داشته است اما کاربرد سیستماتیک آن برای اشیاء پلاستیکی با این مشکل مواجه است که ماتریس‌های دارای طیف رامان یا فلورسنت گزارش نشده اند. علاوه براین، در اینجا ما از مزیت میکروطیف‌سنجی رامان نیز استفاده می‌کنیم که در آن یک پرتو لیزر توسط یک عدسی میکروسکوپ به اندازه 1 میکرومتر فعال است. میکروسپکتروسکوپی رامان به دلیل حجم نمونه برداری کم، نسبت سیگنال-به-پس زمینه بهتری دارد درحالی که طیف‌سنجی رامان سنتی ممکن است سیگنال موردنظر را به دلیل بزرگ بودن سیگنال‌های پس زمینه از دست بدهد.

شکل زیر طیف رامان روتیل و آناتاز را نشان می دهد.

شکل 1:

طیف رامان به طور گسترده از اواسط قرن گذشته مورد استفاده قرار گرفته و به خوبی شناخته شده است. در شکل بالا نمونه هایی از طیف رامان پلی مورفی در اجسام پلاستیکی ارائه شده است. پیک های آناتاز یا روتیل در پلاستیک معمولا بدون توجه به محیط آنها (یعنی پلاستیک‌های مختلف) دقیقا در یک موقعیت ظاهر می شوند. شکل زیر همچنین طیف سه جسم پلی اتیلن سنگین (HDPE) حاوی غلظت‌های مختلف تیتانیوم تعیین شده با Ti، بین 8.66 تا 450 میلی گرم در کیلوگرم را نشان می دهد.

شکل 2:

در این مطالعه همچنین طیف اجسام پلاستیکی ساخته شده از پلیمرهای مختلف ازجمله پلی پروپیلن (PP)، پلی وینیل کلرید (PVC)، پلی اتیلن (PE)، پلی یورتان (PU) و PET نشان داده شده است. موقعیت پیک های رامان TiO₂ بدون توجه به محیط های مختلف پلیمری یکسان باقی می ماند. پراکندگی رامان یک پراکندگی غیرکشسان است که هنگام تعامل نور و مواد رخ می‌دهد. باتوجه به این که مواد موردنظر نور را جذب نمی کنند (نه فرایند تک فوتون و نه فرایند چندفوتون)، هیچ آسیبی نباید رخ دهد. با این حال، برخی از مواد پلاستیکی مورد مطالعه ممکن است رنگی باشند. این مواد همچنین توسط قدرت لیزر بیش از حد آسیب می بینند؛ این آسیب به دلیل حرارتی است که پس از جذب نور توسط مواد ایجاد می شود.

آنچه در این تحقیق بیان شد

در این مطالعه به بررسی کاربرد میکروطیف‌سنجی رامان به منظور مطالعه پلی‌مورف‌های TiO₂ در پلاستیک و منسوجات (یعنی هر دو شکل آناتاز و روتیل) پرداخته ایم. اگرچه طیف سنجی رامان به عنوان تکنیکی برای تشخیص پلی مورف های TiO₂ شناخته شده است، میکروسپکتروسکوپی رامان نسبت به روش‌های امروزی مزایایی دارد. حساسیت بالای رامان به دلیل حجم نمونه برداری کمتر است که نسبت سیگنال-به-پس زمینه را به طور قابل توجهی بهبود می بخشد. ما در اینجا همچنین نشان دادیم که امکان اختصاص پلی‌مورف‌های TiO₂ در غلظت‌های کمتر از 450 میلی گرم Ti وجود دارد. آناتاز در تمام منسوجات و روتیل در بیشتر پلاستیک های مصرفی یافت می شود. انتخاب طول موج لیزر یک پارامتر حیاتی در تشخیص موفقیت آمیز TiO₂ در پلاستیک است و ارتباط مستقیمی با میزان پس زمینه فلورسانس ناخواسته دارد. اگرچه یک رویکرد معمولی برای اجتناب از پس زمینه فلورسانس استفاده از لیزر با طول موج طولانی تر است، در اینجا اثبات شد که لیزر 405 نانومتری می تواند یک استراتژی جایگزین در برخی مواد باشد.