材料分析如何提高塑料的可持續性？

來源：日立分析儀器（上海）有限公司 2025年04月02日 09:08

塑料是一種功能全面且用途廣泛的材料，也是構成無數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性帶來了巨大的挑戰。為了解決該問題，需要在更容易回收的新塑料（如生物塑料）的回收和開發方面提供創新解決方案。

對制造商而言，為了跟上當前不斷發展的環境，需要欣然接受進步。回收生物塑料是一個相對較新的趨勢，該趨勢在近年來保持強勁勢頭。化學回收和解聚工藝的進步正改變塑料行業，由此可以更有效地回收塑料。

材料分析在這些活動中發揮著至關重要的作用，原因是材料分析能夠確保生物塑料和回收塑料滿足其預期應用的必要性能標準。通過嚴格的測試和質量保證，制造商能夠確保其制造的產品在保證可持續的前提下保持高質量，由此推動向更可持續的塑料生命周期過渡。

在再生塑料的使用方面有何規定和限制？

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的含量，并確保盡可能重復使用或盡可能回收包裝材料。

作為《歐洲綠色協議》和《循環經濟行動計劃》的一部分，法規(EU) 2022/1616關注食品包裝和回收塑料的安全性。該法規規定，從家庭收集的塑料包裝只有在使用適當或新型技術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，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。對塑料進行加工后，塑料獲得最終產品（如食品包裝、服裝或電子產品）的特定性能。這些產品在使用后可以修復、回收再利用或送往填埋場。

幸運的是，當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。第一種方法是機械回收；在機械回收過程中，在不改變塑料化學結構的前提下，塑料被制成新產品。另一種方法是化學回收；在化學回收過程中，塑料被分解為單體，且創造出新聚合物用作原料。在塑料生命周期結束時，塑料的另一個用途是能量回收；在能量回收過程中，塑料燃燒產生的熱量驅動渦輪機發電。

生物塑料生命周期

生物塑料是指由可再生生物質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，之后通過使用細菌或通過發酵形成單體或聚合物。與標準塑料一樣，對生物塑料進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行生物降解的材料，因此其可以被運往垃圾填埋場，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分被用于新植物的生長，從而完成循環。

熱分析和XRF在塑料生命周期中發揮的作用

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

聚合反應的驗證

由石油或天然氣生產的塑料經過聚合反應，主要依賴催化劑來加速和完成反應。XRF分析能夠檢查基礎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生反應。依靠XRF分析，客戶能夠確定其產品是否可以安全使用，并有助于客戶優化過程控制參數。

01 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。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。

02 混合聚合物添加劑的驗證

無論是傳統塑料還是生物塑料，通常需要添加化學物質促進基礎聚合物的制造過程，并確保最終產品的性能。XRF是適合該階段的關鍵技術，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，確保產品符合嚴格的規范。此外，同步熱分析儀（STA）通常用于添加劑定量分析。當與傅立葉變換紅外吸收光譜儀（FTIR）、質譜儀（MS）和氣相色譜儀-質譜聯用儀（GCMS）等儀器結合使用時，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中的分布。這種詳細的分析有助于制造商對混合聚合物進行優化，確保均勻性并提高材料性能。

03 檢查受管制物質

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，如RoHS指令或無鹵IEC標準。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。

04 回收聚合物的分揀

除在回收階段使用XRF檢測有害物質的存在外，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。差示掃描量熱法（DSC）和熱重分析（TGA）均可用于確定基礎聚合物的類型、識別雜質以及檢查材料特性。

05 新型聚合物配方的開發

雖然材料分析不能直接構成生命周期的一部分，但材料分析在加速新材料的開發中發揮著至關重要的作用。例如，熱分析可用于創造出創新的生物塑料配方，發現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高性能、可持續的材料，由此推動塑料行業的創新。

06 測試最終產品的穩定性和機械性能

確保最終產品的穩定性和機械性能對于其性能和耐用性至關重要。動態熱機械分析（DMA）、熱機械分析（TMA）和萬能試驗機（UTM）等技術被用于評估塑料的機械性能，包括剛度、模量、拉伸強度、熱膨脹、彈性和抗沖擊性。這些測試有助于驗證最終產品是否符合規定標準，是否能夠承受預期的應用條件。

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