材料分析如何提高塑料的可持续性？

来源：日立分析仪器（上海）有限公司 2025年04月02日 09:08

塑料是一种功能全面且用途广泛的材料，也是构成无数日常用品不可或缺的一部分。然而，塑料的耐用性、寿命和低成本给其处理和可持续性带来了巨大的挑战。为了解决该问题，需要在更容易回收的新塑料（如生物塑料）的回收和开发方面提供创新解决方案。

对制造商而言，为了跟上当前不断发展的环境，需要欣然接受进步。回收生物塑料是一个相对较新的趋势，该趋势在近年来保持强劲势头。化学回收和解聚工艺的进步正改变塑料行业，由此可以更有效地回收塑料。

材料分析在这些活动中发挥着至关重要的作用，原因是材料分析能够确保生物塑料和回收塑料满足其预期应用的必要性能标准。通过严格的测试和质量保证，制造商能够确保其制造的产品在保证可持续的前提下保持高质量，由此推动向更可持续的塑料生命周期过渡。

在再生塑料的使用方面有何规定和限制？

鉴于超过35%主要用途的塑料专用于包装，许多长期立法专门针对这一领域。例如，欧盟包装材料指令94/62/EC对市场上的所有包装都提出了明确要求。此类要求包括最大限度地减少包装重量和体积，以及最大限度地减少有害物质的含量，并确保尽可能重复使用或尽可能回收包装材料。

作为《欧洲绿色协议》和《循环经济行动计划》的一部分，法规(EU) 2022/1616关注食品包装和回收塑料的安全性。该法规规定，从家庭收集的塑料包装只有在使用适当或新型技术净化后才能再次用于食品。

要了解材料分析如何帮助克服回收中的这些挑战，我们有必要了解塑料的生命周期。

回收塑料的生命周期

如图所示，塑料来源于原油或天然气，且塑料的新来源包括回收的塑料单体和植物材料。对塑料进行加工后，塑料获得最终产品（如食品包装、服装或电子产品）的特定性能。这些产品在使用后可以修复、回收再利用或送往填埋场。

幸运的是，当前塑料的回收正大幅增加。塑料回收可以采取两种不同的方法。第一种方法是机械回收；在机械回收过程中，在不改变塑料化学结构的前提下，塑料被制成新产品。另一种方法是化学回收；在化学回收过程中，塑料被分解为单体，且创造出新聚合物用作原料。在塑料生命周期结束时，塑料的另一个用途是能量回收；在能量回收过程中，塑料燃烧产生的热量驱动涡轮机发电。

生物塑料生命周期

生物塑料是指由可再生生物质来源制成的塑料类材料，此类来源通常是植物，如甘蔗或玉米。生物塑料生命周期的第一步是采购此类原材料。其次，提取淀粉，之后通过使用细菌或通过发酵形成单体或聚合物。与标准塑料一样，对生物塑料进行的下一阶段的挤压加工和添加各种化合物能够确保其具有适合其最终用途的特性。

使用后，由于生物塑料通常是可进行生物降解的材料，因此其可以被运往垃圾填埋场，在垃圾填埋场分解后回归土壤，或被用作堆肥，可以作为堆肥中的养分被用于新植物的生长，从而完成循环。

热分析和XRF在塑料生命周期中发挥的作用

热分析（TA）和能量色散X射线荧光（XRF）被用于传统塑料和生物塑料生命周期的各个阶段，由此促进回收塑料的使用。

聚合反应的验证

由石油或天然气生产的塑料经过聚合反应，主要依赖催化剂来加速和完成反应。XRF分析能够检查基础聚合物中是否存在此类催化剂，并确定是否所有材料均已发生反应。依靠XRF分析，客户能够确定其产品是否可以安全使用，并有助于客户优化过程控制参数。

01 聚合物验证

热分析（TA）在原材料识别中非常有用 — 无论是原生聚合物还是回收塑料。通过热分析，客户能够确定其从供应商处收到的颗粒中包含哪些聚合物，并检查其中是否存在任何杂质。差示扫描量热法（DSC）能够测定原材料的熔点，明确原材料中存在的聚合物及其浓度。这一点在处理回收塑料时尤其有用。

02 混合聚合物添加剂的验证

无论是传统塑料还是生物塑料，通常需要添加化学物质促进基础聚合物的制造过程，并确保最终产品的性能。XRF是适合该阶段的关键技术，能够测量范围广泛的元素，精确到百万分之一（ppm）级别。通过精确确定添加剂和填充剂的浓度，确保产品符合严格的规范。此外，同步热分析仪（STA）通常用于添加剂定量分析。当与傅立叶变换红外吸收光谱仪（FTIR）、质谱仪（MS）和气相色谱仪-质谱联用仪（GCMS）等仪器结合使用时，STA还可以在无需样品制备的情况下识别添加剂。

扫描电子显微镜（SEM）是生产过程中使用的另一个重要分析工具。SEM可以研究颗粒尺寸和形状以及添加剂在聚合物基质中的分布。这种详细的分析有助于制造商对混合聚合物进行优化，确保均匀性并提高材料性能。

03 检查受管制物质

XRF在塑料生命周期的各个阶段也很有用，可以检查原材料或成品是否符合健康和安全法规，如RoHS指令或无卤IEC标准。例如，XRF能够检查成品中是否存在氯，以及聚苯乙烯废料中是否存在溴。

热脱附质谱仪（如日立分析仪器HM1000A台式分析仪）可用于邻苯二甲酸酯的筛选，以测定样品中的邻苯二甲酸酯的总含量。

04 回收聚合物的分拣

除在回收阶段使用XRF检测有害物质的存在外，热分析还能够检测和识别废弃聚合物和橡胶中的潜在杂质。差示扫描量热法（DSC）和热重分析（TGA）均可用于确定基础聚合物的类型、识别杂质以及检查材料特性。

05 新型聚合物配方的开发

虽然材料分析不能直接构成生命周期的一部分，但材料分析在加速新材料的开发中发挥着至关重要的作用。例如，热分析可用于创造出创新的生物塑料配方，发现含有回收聚合物的新混合物，或测试各种添加剂的效果。通过热分析的上述能力，制造商能够更有效地开发高性能、可持续的材料，由此推动塑料行业的创新。

06 测试最终产品的稳定性和机械性能

确保最终产品的稳定性和机械性能对于其性能和耐用性至关重要。动态热机械分析（DMA）、热机械分析（TMA）和万能试验机（UTM）等技术被用于评估塑料的机械性能，包括刚度、模量、拉伸强度、热膨胀、弹性和抗冲击性。这些测试有助于验证最终产品是否符合规定标准，是否能够承受预期的应用条件。

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