[發(fā)明專利]一種快速、智能的廢舊塑料分類方法

在審

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• 申請日: 2013-10-23
• 公開（公告）號(hào): CN103499552A
• 公開（公告）日: 2014-01-08
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 卞希慧;王秋男;郭玉高;譚小耀
• 申請（專利權(quán)）人: 天津工業(yè)大學(xué)
• 主分類號(hào): G01N21/3563
• 分類號(hào): G01N21/3563
• 代理公司: 暫無信息
• 代理人: 暫無信息

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于分析化學(xué)領(lǐng)域的無損分析技術(shù)，涉及廢舊塑料的智能分類問題。

背景技術(shù)

隨著塑料制品的廣泛應(yīng)用，廢舊塑料的污染問題越來越成為目前亟待解決的一大難題。為消除塑料廢棄物，人們曾采用填埋、焚燒、高溫降解、再生利用等方法來緩解環(huán)境污染。其中填埋、焚燒、高溫降解等方法不能從根本上解決廢舊塑料的污染問題，還容易產(chǎn)生二次污染。廢舊塑料的再生利用既可保護(hù)環(huán)境，又可開辟新材料，近年來已成為世界各國研究、開發(fā)和生產(chǎn)的熱點(diǎn)。

但是廢舊塑料來源豐富，種類繁多，不同的塑料在物理、化學(xué)性質(zhì)上都相差較大，用途也各異。如果把不同種類的廢舊塑料混在一起，不加辨別就進(jìn)行利用，容易導(dǎo)致新產(chǎn)品性能下降、處理過程效率低，技術(shù)復(fù)雜性增加，甚至出現(xiàn)廢品，產(chǎn)生二次污染。因此，在對廢舊塑料回收利用之前，必須首先進(jìn)行鑒別分類，以便根據(jù)不同的塑料類別選擇相應(yīng)的加工產(chǎn)品方向和加工工藝，使廢舊塑料得到更好的利用。

傳統(tǒng)的塑料鑒別方法主要有外觀鑒別法、燃燒鑒別法、密度鑒別法、溶劑鑒別法、浮選鑒別法、風(fēng)篩鑒別法等，這些方法大多采用人工分析，不僅費(fèi)時(shí)費(fèi)力，而且只能對塑料制品進(jìn)行粗略的分類，要想弄清塑料的確切成分，還需依靠精確的儀器分析方法。應(yīng)用到塑料鑒別上的現(xiàn)代儀器分析測試技術(shù)主要有：X射線熒光、質(zhì)譜、等離子體發(fā)射光譜、激光發(fā)射光譜、差熱掃描量熱分析法、中紅外光譜、近紅外光譜、拉曼光譜等。其中紅外光譜以其特征性好、對樣品顏色不敏感、測樣速度快等特點(diǎn)，成為塑料鑒別的重要技術(shù)手段。但由于塑料難以溶解、研磨，所以采用傳統(tǒng)紅外光譜技術(shù)鑒別塑料種類，制樣是很大的難題。衰減全反射附件的出現(xiàn)解決了這一問題，使得固體樣品無需預(yù)處理就可以直接進(jìn)行快速無損測量，因此特別適用于廢舊塑料的回收利用系統(tǒng)。

分子的紅外光譜是由各原子基團(tuán)振動(dòng)和轉(zhuǎn)動(dòng)的吸收峰組成，通過這些吸收峰確定原子基團(tuán)，可以分析出分子的化學(xué)組成。然而對每個(gè)吸收峰進(jìn)行歸屬常常是繁瑣和困難的，尤其對摻雜各種添加劑的塑料制品更是如此。一種簡單的方法是將測得的未知物近外紅外光譜與已知紅外紅外光譜對照，如果完全吻合，就可直接確定分子的歸屬。理論上峰的位置和強(qiáng)度都必須吻合，但實(shí)際上峰強(qiáng)度常難以一致，它與樣品的厚度有關(guān)，在某種程度上還取決于所用儀器的種類。另外，由于塑料結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性，即使是簡單的均聚物，也不能期望其有完全相同的吸收峰。對于共聚物，由于序列分布引起的分子結(jié)構(gòu)差異，以及分子堆砌方式或分子形狀的影響等多種因素疊加在一起，將使譜圖解析更為困難。因此，非常有必要發(fā)展智能的譜圖鑒別方法。

化學(xué)模式識(shí)別技術(shù)是利用統(tǒng)計(jì)學(xué)、信號(hào)處理、數(shù)學(xué)等工具從化學(xué)量測數(shù)據(jù)中找出樣品的特征，進(jìn)而對樣品進(jìn)行識(shí)別和歸類的一門技術(shù)。該方法根據(jù)已測的樣品譜圖信息以及類別信息，利用特定的算法，將樣品進(jìn)行聚類或者判別。如果將模式識(shí)別技術(shù)引入到廢舊塑料的鑒別中，則可實(shí)現(xiàn)譜圖鑒別的智能化。

綜上，發(fā)展廢舊塑料的快速智能分類方法是目前亟待解決的問題。而本發(fā)明以衰減全反射傅立葉變換紅外光譜儀器作為檢測手段，采用化學(xué)模式識(shí)別技術(shù)，解決廢舊塑料快速智能分類問題。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明的目的是針對上述存在的問題，提供一種廢舊塑料快速、準(zhǔn)確、智能的鑒別方法，以使廢舊塑料得到更好的回收利用。

為實(shí)現(xiàn)本發(fā)明所提供的技術(shù)方案包括以下步驟：

1)收集不同種類的廢舊塑料樣品，利用衰減全反射傅立葉變換紅外光譜儀器測試樣品的紅外光譜，得到樣品的紅外光譜數(shù)據(jù)矩陣X(m×n)，其行數(shù)m為樣品個(gè)數(shù)，列數(shù)n為波長點(diǎn)數(shù)。

2)將光譜矩陣X進(jìn)行列標(biāo)準(zhǔn)化處理，即用每列數(shù)減去該列數(shù)的平均值再除以該列的方差，以消除由于樣本顆粒不均勻所帶來的影響，標(biāo)準(zhǔn)化的光譜矩陣記為D1(m×n)。

3)采用主成分分析(PCA)對矩陣D1(m×n)進(jìn)行降維，得到矩陣D2(m×l)。

利用主成分分析降維的具體計(jì)算過程為：首先采用奇異值分解函數(shù)svd將矩陣D1分解為三個(gè)矩陣U，S和V，其中U*S為得分矩陣，V為載荷矩陣。S為特征值矩陣，其對角線元素的數(shù)值為特征值。用前p個(gè)特征值平方的加和除以總特征值平方的加和得到前p個(gè)主成分的累積貢獻(xiàn)率。根據(jù)累積貢獻(xiàn)率的大小確定保留的主成分?jǐn)?shù)l，那么得分R的前l(fā)列即為采用主成分分析方法降維后的矩陣D2(m×l)。

4)對矩陣D2進(jìn)行系統(tǒng)聚類