聚合物工业回收树脂的表征和工艺优化

很难想象一个没有塑料的世界。从我们穿的衣服，我们房子里的物品，我们汽车里的部件，到我们购买的许多东西的包装方式，塑料无处不在。但越来越明显的是，尽管塑料很有用，但塑料垃圾是一个巨大且日益严重的问题。

以塑料包装为例。由于它的性质，一旦产品被打开和使用，它很可能会被扔掉。但是，作为热塑性树脂的主要应用，塑料包装废料山正在无情地增长。作为石化工业的主要产品，无论是在其生命的开始阶段，还是在生命的结束阶段，它都是不可持续的。

塑料价值链的每个环节都需要适应

el Verdonck, TA仪器公司的高级应用科学家

然而，塑料是许多产品包装的明显选择。它轻便耐用，为食品、药品和个人护理产品提供安全卫生的容器，甚至可以减少食品腐败，当然，它是具有成本效益的。但是，尽管世界各地的地方和国家都在努力，回收率仍然很低。

如果我们继续使用塑料，那么这些回收率肯定会提高。回收树脂已经回到了供应链的每一个环节，从原材料供应商到聚合物制造商，母料和转换器，一直到最终产品的重复使用。沃特斯公司(Waters Corporation) TA仪器部门的高级应用科学家埃尔斯·维尔东克(Els Verdonck)说:“这就要求塑料行业进行创新，开发新产品。”塑料价值链的每个环节都需要适应。”And finding ways to make new virgin plastics from non-fossil fuel-based raw materials will also be essential in the drive towards a more sustainable future.

机械回收

目前绝大多数塑料回收都是机械的，本质上是在某种程度上再利用聚合物。与使用原始原材料相比，这可以有效地减少能源消耗和全球变暖的影响。但这也给塑料制造商和用户带来了新的挑战。

塑料废物流中的可变性和污染不可避免地是机械回收的一个复杂因素，准确识别废物中有什么对成功至关重要。Verdonck说:“突然之间，这个行业从加工同质的原始塑料转向了加入可回收成分，这些成分在批次之间可能会有很大差异。”“因此，正确的指纹识别和流程优化变得越来越重要。”

废弃塑料被成捆地运送到机械回收设施，在那里，首先用肉眼或红外光谱法进行分类和检查，然后清洗，然后被切成小块。这些薄片被放入一个水槽-浮箱，在那里它们的相对密度意味着聚烯烃漂浮，而聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)下沉。这有助于分离和净化废物流，尽管它不是绝对正确的:一个聚乙烯瓶可能有一个聚丙烯盖，两者都会漂浮。因此，这里也可能使用另一种红外扫描仪，这可能会使材料的纯度达到98%左右。

然而，这两种分离技术对于多层薄膜往往都不适用，因为多层薄膜可能包含用于接触食物的聚乙烯外层，以及用于增强强度的聚酰胺层，以及用于保护氧气的其他材料。由于这些都粘在一起，分离它们并不简单。

经过分选和干燥后，聚合物碎片被熔化并制成颗粒。这些颗粒可以用来制造新产品。

与使用纯树脂相比，节能效果显著。例如，美国塑料回收者协会的生命周期分析表明，回收的PET可以减少约80%的能源消耗。而且温室气体的排放量也可以减少四分之三。

检查杂质

尽管已经采取措施确保机械回收的材料尽可能纯净，但对再加工材料进行分析是重要的，分析的结果可以帮助指导再加工条件。热分析和流变学评估在这里都有很大的价值。

两种主要的热分析技术:差示扫描量热法(DSC)和热重分析(TGA)。这两种方法都让人们了解到废塑料的变化，这有助于决定如何更有效地处理它。

[我们的]热流变仪器为聚合物行业提供最全面的分析

Terri Chen, TA Instruments首席应用工程师

DSC测量材料样品在加热或冷却过程中吸收或释放的热量。这就提供了材料的玻璃化转变、熔化和结晶的温度范围，甚至是其氧化稳定性的信息。只需要少量的样品——大约几毫克——粉末、颗粒、薄膜和液体都可以测试。

该技术还可以用于鉴定和量化回收聚合物中的有机污染，这为如何处理聚合物提供了重要的见解。不同的聚合物有不同的、已知的玻璃化转变和熔化温度，因此任何意外的峰值都将表明污染物的存在。

DSC还可以帮助确定树脂的最佳加工温度，因为它允许确定熔融温度范围。熔化区域的末端将是加工的最低温度，因为很明显，树脂必须熔化才能被加工。

在加工窗口的另一端，TGA可用于确定最高加工温度。TGA可以测量材料的重量随温度或时间的变化，这可以用来指示材料开始分解的点，以及定量存在的挥发物，甚至可以了解树脂内的填料含量。

流变性学——研究物质流动和变形的科学——可以提供有关聚合物结构的进一步细节，如分子量、分子量分布和长链分支结构。“它可以直接测量聚合物的熔体流动行为，显示树脂在加工条件下的稳定性。”流变学分析还可以通过测量熔体粘度随温度的变化来帮助指导和优化加工温度，”TA Instruments首席应用工程师Terri Chen说。

先进的回收和替代投入

虽然机械回收对废物流中的污染非常敏感，但先进的回收可以处理均匀性较低的塑料废物，并可以提供更纯净的原料。这是通过以某种方式对聚合物进行化学回收来实现的，而不是简单地再加工。缺点是这些技术不如商业技术发达，可能会消耗更多的能源。

聚酯(如PET)和聚酰胺的解聚技术进展得最远。这将聚合物带回它们的基础单体，然后再聚合生成新的树脂。转化将这一概念进一步推进，通过气化或热解将塑料分解成石油化工产品，甚至合成气，使其直接回到石化链的起点。这主要应用于聚烯烃。

另一种减少塑料链对环境影响的方法是使用非石化来源作为单体和聚合物的原材料。人们对使用生物基原料代替石油的潜力很感兴趣。这仍处于起步阶段，但在聚氨酯领域已经取得了合理的进展，例如，鞋类制造商已经在使用生物基多元醇。捕获废弃的二氧化碳流也可能是一个选择，比如欧盟Carbon4PUR项目，该项目将安赛乐米塔尔马赛钢铁厂的废气转化为单体。

即使有机械回收，也需要进一步的工作，以更好的方式将垃圾分类为聚合物类型，以促进回收，而且不是所有类型的塑料都能轻易回收，如果有的话。“你如何确保你收到的回收塑料是100%纯的——或者至少有更高的纯度?”TA Instruments市场开发经理迈克尔•奥内佩(Michael Onepe)说。“我们如何设计塑料，使它们更容易回收?””

事实上，仔细设计材料和产品可以极大地帮助提高回收率。例如，如果可以在不影响性能的情况下实现，那么食品包装薄膜可能会使用更少的层，而且这些层可能会更容易分离。嵌段共聚物可以添加到不混溶的回收混合聚合物中，以增强所得到的塑料的相容性。添加剂在回收有用的聚合物树脂方面也起着重要的作用。抗氧化剂和抗酸添加剂通常包含在原始聚合物体系中，但添加更多的添加剂来补充那些在加工过程中被破坏或降解的添加剂，可以减少在再加工过程中对聚合物链的破坏。

Milliken的首席科学家斯科特·雷诺(Scott Trenor)举了该公司的DeltaMax^®聚丙烯的性能改进剂能够帮助客户将塑料垃圾兼容，试图将回收的PP加入注塑花园座椅中。他说，他们在加工材料时遇到了问题，因为回收过程中存在污染，主要是聚乙烯。“通过使用1wt%的添加剂，他们能够将回收材料的数量从40%增加到90%。”Further sustainability enhancements included a 20°C reduction in processing temperature, and a 10% reduction in cycle time.

从根本上说，将回收树脂和替代塑料引入供应链将推动重新制定工艺和产品的需求。例如，现有产品将需要更新，以便在加入回收树脂时保持性能。此外，聚合物制造商在设计树脂时也要考虑到未来的回收利用。所有这些都需要在保持现有性能的同时完成，重要的是保留原始材料的成本。

Chen说:“无论是使用回收材料还是寻找替代聚合物来源，分析特征都将是成功的关键因素。”TA Instruments热学和流变仪器在产品创新、故障排除和工艺优化方面为聚合物行业提供最全面的分析。”