材料分析如何提高塑料的可持續(xù)性？

2025-03-20

塑料是一種功能全面且用途廣泛的材料，也是構(gòu)成無數(shù)日常用品不可或缺的一部分。然而，塑料的耐用性、壽命和低成本給其處理和可持續(xù)性帶來了巨大的挑戰(zhàn)。為了解決該問題，需要在更容易回收的新塑料（如生物塑料）的回收和開發(fā)方面提供創(chuàng)新解決方案。

對制造商而言，為了跟上當(dāng)前不斷發(fā)展的環(huán)境，需要欣然接受進(jìn)步?；厥丈锼芰鲜且粋€相對較新的趨勢，該趨勢在近年來保持強(qiáng)勁勢頭?；瘜W(xué)回收和解聚工藝的進(jìn)步正改變塑料行業(yè)，由此可以更有效地回收塑料。

材料分析在這些活動中發(fā)揮著至關(guān)重要的作用，原因是材料分析能夠確保生物塑料和回收塑料滿足其預(yù)期應(yīng)用的必要性能標(biāo)準(zhǔn)。通過嚴(yán)格的測試和質(zhì)量保證，制造商能夠確保其制造的產(chǎn)品在保證可持續(xù)的前提下保持高質(zhì)量，由此推動向更可持續(xù)的塑料生命周期過渡。

在再生塑料的使用方面有何規(guī)定和限制？

鑒于超過35%主要用途的塑料專用于包裝，許多長期立法專門針對這一領(lǐng)域。例如，歐盟包裝材料指令94/62/EC對市場上的所有包裝都提出了明確要求。此類要求包括最大限度地減少包裝重量和體積，以及最大限度地減少有害物質(zhì)的含量，并確保盡可能重復(fù)使用或盡可能回收包裝材料。

作為《歐洲綠色協(xié)議》和《循環(huán)經(jīng)濟(jì)行動計劃》的一部分，法規(guī)(EU) 2022/1616關(guān)注食品包裝和回收塑料的安全性。該法規(guī)規(guī)定，從家庭收集的塑料包裝只有在使用適當(dāng)或新型技術(shù)凈化后才能再次用于食品。

要了解材料分析如何幫助克服回收中的這些挑戰(zhàn)，我們有必要了解塑料的生命周期。

回收塑料的生命周期

如圖所示，塑料來源于原油或天然氣，且塑料的新來源包括回收的塑料單體和植物材料。對塑料進(jìn)行加工后，塑料獲得最終產(chǎn)品（如食品包裝、服裝或電子產(chǎn)品）的特定性能。這些產(chǎn)品在使用后可以修復(fù)、回收再利用或送往填埋場。

幸運(yùn)的是，當(dāng)前塑料的回收正大幅增加。塑料回收可以采取兩種不同的方法。第一種方法是機(jī)械回收；在機(jī)械回收過程中，在不改變塑料化學(xué)結(jié)構(gòu)的前提下，塑料被制成新產(chǎn)品。另一種方法是化學(xué)回收；在化學(xué)回收過程中，塑料被分解為單體，且創(chuàng)造出新聚合物用作原料。在塑料生命周期結(jié)束時，塑料的另一個用途是能量回收；在能量回收過程中，塑料燃燒產(chǎn)生的熱量驅(qū)動渦輪機(jī)發(fā)電。

生物塑料生命周期

生物塑料是指由可再生生物質(zhì)來源制成的塑料類材料，此類來源通常是植物，如甘蔗或玉米。生物塑料生命周期的第一步是采購此類原材料。其次，提取淀粉，之后通過使用細(xì)菌或通過發(fā)酵形成單體或聚合物。與標(biāo)準(zhǔn)塑料一樣，對生物塑料進(jìn)行的下一階段的擠壓加工和添加各種化合物能夠確保其具有適合其最終用途的特性。

使用后，由于生物塑料通常是可進(jìn)行生物降解的材料，因此其可以被運(yùn)往垃圾填埋場，在垃圾填埋場分解后回歸土壤，或被用作堆肥，可以作為堆肥中的養(yǎng)分被用于新植物的生長，從而完成循環(huán)。

熱分析和XRF在塑料生命周期中發(fā)揮的作用

熱分析（TA）和能量色散X射線熒光（XRF）被用于傳統(tǒng)塑料和生物塑料生命周期的各個階段，由此促進(jìn)回收塑料的使用。

聚合反應(yīng)的驗證

由石油或天然氣生產(chǎn)的塑料經(jīng)過聚合反應(yīng)，主要依賴催化劑來加速和完成反應(yīng)。XRF分析能夠檢查基礎(chǔ)聚合物中是否存在此類催化劑，并確定是否所有材料均已發(fā)生反應(yīng)。依靠XRF分析，客戶能夠確定其產(chǎn)品是否可以安全使用，并有助于客戶優(yōu)化過程控制參數(shù)。

聚合物驗證

熱分析（TA）在原材料識別中非常有用 — 無論是原生聚合物還是回收塑料。通過熱分析，客戶能夠確定其從供應(yīng)商處收到的顆粒中包含哪些聚合物，并檢查其中是否存在任何雜質(zhì)。差示掃描量熱法（DSC）能夠測定原材料的熔點，明確原材料中存在的聚合物及其濃度。這一點在處理回收塑料時尤其有用。

混合聚合物添加劑的驗證

無論是傳統(tǒng)塑料還是生物塑料，通常需要添加化學(xué)物質(zhì)促進(jìn)基礎(chǔ)聚合物的制造過程，并確保最終產(chǎn)品的性能。XRF是適合該階段的關(guān)鍵技術(shù)，能夠測量范圍廣泛的元素，精確到百萬分之一（ppm）級別。通過精確確定添加劑和填充劑的濃度，確保產(chǎn)品符合嚴(yán)格的規(guī)范。此外，同步熱分析儀（STA）通常用于添加劑定量分析。當(dāng)與傅立葉變換紅外吸收光譜儀（FTIR）、質(zhì)譜儀（MS）和氣相色譜儀-質(zhì)譜聯(lián)用儀（GCMS）等儀器結(jié)合使用時，STA還可以在無需樣品制備的情況下識別添加劑。

掃描電子顯微鏡（SEM）是生產(chǎn)過程中使用的另一個重要分析工具。SEM可以研究顆粒尺寸和形狀以及添加劑在聚合物基質(zhì)中的分布。這種詳細(xì)的分析有助于制造商對混合聚合物進(jìn)行優(yōu)化，確保均勻性并提高材料性能。

檢查受管制物質(zhì)

XRF在塑料生命周期的各個階段也很有用，可以檢查原材料或成品是否符合健康和安全法規(guī)，如RoHS指令或無鹵IEC標(biāo)準(zhǔn)。例如，XRF能夠檢查成品中是否存在氯，以及聚苯乙烯廢料中是否存在溴。

熱脫附質(zhì)譜儀（如日立分析儀器HM1000A臺式分析儀）可用于鄰苯二甲酸酯的篩選，以測定樣品中的鄰苯二甲酸酯的總含量。

回收聚合物的分揀

除在回收階段使用XRF檢測有害物質(zhì)的存在外，熱分析還能夠檢測和識別廢棄聚合物和橡膠中的潛在雜質(zhì)。差示掃描量熱法（DSC）和熱重分析（TGA）均可用于確定基礎(chǔ)聚合物的類型、識別雜質(zhì)以及檢查材料特性。

新型聚合物配方的開發(fā)

雖然材料分析不能直接構(gòu)成生命周期的一部分，但材料分析在加速新材料的開發(fā)中發(fā)揮著至關(guān)重要的作用。例如，熱分析可用于創(chuàng)造出創(chuàng)新的生物塑料配方，發(fā)現(xiàn)含有回收聚合物的新混合物，或測試各種添加劑的效果。通過熱分析的上述能力，制造商能夠更有效地開發(fā)高性能、可持續(xù)的材料，由此推動塑料行業(yè)的創(chuàng)新。

測試最終產(chǎn)品的穩(wěn)定性和機(jī)械性能

確保最終產(chǎn)品的穩(wěn)定性和機(jī)械性能對于其性能和耐用性至關(guān)重要。動態(tài)熱機(jī)械分析（DMA）、熱機(jī)械分析（TMA）和萬能試驗機(jī)（UTM）等技術(shù)被用于評估塑料的機(jī)械性能，包括剛度、模量、拉伸強(qiáng)度、熱膨脹、彈性和抗沖擊性。這些測試有助于驗證最終產(chǎn)品是否符合規(guī)定標(biāo)準(zhǔn)，是否能夠承受預(yù)期的應(yīng)用條件。

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