具有可持续发展意识的客户正在向企业施加越来越大的压力,要求它们减少塑料包装废物,并使用更多的可再生资源。企业也在承担更大的责任,以确保其产品和实践对地球的影响最小化。反过来,这些压力正被推向上游的包装生产商,并从他们推向聚合物制造商及其原材料供应商。

监管机构对回收利用的推动也开始增加压力。例如,欧盟委员会的一次性塑料指令规定了PET瓶的最低回收含量,该委员会目前正在修订其包装和包装废物指令,预计将适用于所有塑料包装。欧洲塑料行业协会建议30%是合适的,美国化学理事会也提出了类似的数字。

女子回收瓶子

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通过回收利用减少塑料垃圾变得越来越重要。对基础设施的投资改善了这一过程,例如,通过控制废物流来降低污染风险

开发更环保的化学品和材料以实现向更可持续做法的转变,面临着许多挑战。分析化学在应对这些挑战方面发挥着重要的作用,尽管往往没有得到承认——从确保新材料与它们所取代的材料一样安全,到评估由可再生原料制成的聚合物是否具有与现有石油衍生聚合物相同的性能。分析技术在塑料回收中也发挥着巨大的作用,通过洞察再加工材料的安全程度以及它们的行为方式。

“当你用可再生能源重新配制塑料时,它还安全吗?””says Ben MacCreath, strategic programme development manager at Waters Corporation. ‘Changing to renewable sources means a whole new set of unwanted by-products from plastics will need to be captured, identified and quantified – that’s a huge task for the analytical lab. People rely on our analytics to work out what’s in there, and how much of it there is. What can leach out into the environment? Liquid chromatography–mass spectrometry (LC–MS), for example, can be used to detect problematic compounds that might migrate out of the plastic.’

科学家们需要分析工具来帮助遵守正在迅速变化的回收法规和要求

沃特斯公司战略项目发展经理Ben MacCreath

生命周期的另一端是塑料垃圾。垃圾可以焚烧发电,但回收利用是更好地利用这些宝贵资源的方式,还可以避免不必要的碳排放。沃特斯公司(Waters Corporation) TA Instruments部门的营销发展经理迈克尔·奥内佩(Michael Onepe)说,“各公司一直在大胆宣布他们在塑料回收方面的立场。”他说,虽然未来有化学回收塑料的前景,但这仍处于起步阶段,需要大量的能源消耗。如今,机械回收——把旧塑料切碎再加工——仍然是主要的方法。

虽然重复使用塑料似乎是一种积极的做法,但还有很多变量需要考虑。使用纯树脂,批次与批次之间会有少量的变化,但仍在严格的规格范围内。工厂生产的塑料废料也将是相当同质的,但消费后的垃圾可能是非常不同的。除了聚合物的混合物,它还将充满增强性能的添加剂,从着色剂和颜料到加工助剂和填料,所有这些都会影响塑料垃圾在回收过程中的表现。分析化学是理解这些变化的关键。

麦克雷特说:“突然之间,废弃塑料中就有了未知的化学物质,而不是原始树脂的严格供应链控制。”“那么历史上的浪费呢?”它可能接触了一些令人不愉快的东西,或者可能含有现已被禁止的添加剂。你是怎么处理的?突然有更多的问题需要回答,这增加了对分析洞察力的需求。”

在工厂里,一名男子拿着装回收塑料的容器

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从化学的角度来看,回收塑料是添加剂和潜在污染物的巨大异质混合物

麦克雷特说,在测试树脂时,即使是在原始材料上,取样也已经是一个有争议的问题,因为聚合物合成、配方和生产的固有异质性,即使在严格控制的过程中也是如此。但对于一个大型机械回收塑料容器来说,挑战似乎令人生畏。他说:“虽然这是相同的分析过程,但你不仅要观察更广阔的化学领域,而且还有更多的未知因素,对来源的了解也更少。”“从一个颗粒到下一个颗粒,其成分可能有很大的不同,特别是在批次与批次之间。采样和配方挑战的规模和速度都是行业所不熟悉的,如果行业要遵守正在迅速变化的回收法规和要求,科学家们需要分析工具来帮助克服这些挑战。”

最容易回收的消费后塑料是聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)水瓶——机械回收PET,并将其添加到制造过程中效果非常好。PET的固有特性意味着几乎不需要担心添加剂,如果瓶子里只装过水,而且当地有回收基础设施,它也会非常干净。相反,最常见的一类聚合物聚烯烃则比较难处理。它们需要更多的添加剂来执行其原始应用,覆盖更广泛的应用范围,导致更多的添加剂残留。解决这一问题的成本和实用性意味着回收材料通常会被降级再利用,即用于比原始材料更低价值的应用。例如,包装是一个主要的应用领域,但监管机构仍在犹豫是否允许将回收聚烯烃用于具有安全法规的应用,如食品接触材料(FCM)。

Onepe补充说,塑料废物流中有很多可变性,即使聚合物本身表面上是相同的。他说,聚丙烯可能含有一些聚乙烯。“这会影响它的机械性能,以及加工过程中的流动方式。”我们如何设计塑料,使它们更容易回收?”

研究热学和流变性能的分析技术,它们是如何变化的,以及它们如何影响材料的性能,对于成功回收至关重要。Onepe说,差示扫描量热法(DSC)、热重分析(TGA)和流变学等技术可以对这种行为提供真正的见解。“现在人们正在从使用原始塑料转向使用回收塑料,这将如何影响材料的物理性能、加工和性能?”他说。这些都是TA Instruments可以帮助提供的答案。”

我们正在研究不同比例的再造粒对性能的影响……LC-MS在识别标记物方面是必不可少的

Pascal Tuszewski,蒂森克鲁普项目经理

回收塑料在回收过程中已经经历了多重压力——在最初的加工过程中,然后在使用中,这可能会改变其成分。麦克雷特说:“同样,我们的仪器可以告诉你(使用过的塑料)的性能。”“例如,凝胶渗透色谱法(GPC)可以告诉你塑料链的长度,因为在塑料寿命周期内,包括回收过程本身,这些链会在各种压力下降解,所以它的性能不会那么好。”这可以通过加入一些原始材料或更多的添加剂来改善,但随后你必须仔细检查潜在的迁移化合物。这是一个艰难的平衡。”It’s one thing if the recycled plastic will be turned into an inexpensive plastic garden table where toxicity and performance are less important, but it’s different if the plastic will be used for food contact, personal care, or critical, structural applications.

德国跨国公司蒂森克虏伯(thyssenkrupp)为各种汽车制造商生产转向系统,除了钢铁外,还包括聚酰胺组件。在列支敦士登的工厂,该团队正在寻求回收生产中的废弃聚合物,因为一些塑料部件的设计意味着废物的数量可能会很大。该公司项目经理帕斯卡尔•图泽夫斯基(Pascal Tuszewski)表示,保持零部件结构完美是至关重要的,他们的一些汽车客户明确表示,不能用回收材料制造汽车,因为担心会影响性能。

蒂森克虏伯与沃特斯启动了一个项目,以量化回收对材料的影响。“我们正在使用GPC, MS, TGA和DSC等技术来表征再颗粒,”Tuszewski说。“重要的是,他们还可以将这种能力转化为机械性能。我们也在做DMA,耐久性的机械测试,以及静态性能测量,比如使用拉伸探针。”Since recycled polymers will typically have shorter chain lengths, using GPC to measure the chain lengths and DSC for crystallinity is a key part of understanding how recycling affects the material’s durability. ‘The longer the chain, the bigger the crystalline fractions are, and the space between them … we can see in our testing rigs that longer polymer chains give better material performance,’ says Tuszewski.

然而,这并不像观察聚合物那么简单。还有许多其他问题需要考虑:例如,原始材料中存在的添加剂可能在加工过程中分解,那么在回收过程中是否需要加入其他添加剂来恢复性能?这些都是他们现在试图回答的问题。他说:“我们正在研究不同比例的再造粒对表现的影响。”“液相色谱-质谱联用技术在鉴定标志物方面非常重要。”

(我们的客户)正在关注他们实验室对环境的影响

安德鲁·帕斯特,沃特斯公司可持续发展总监

Onepe认为,沃特斯和蒂森克虏伯之间的合作将是解决塑料难题的关键。他说,很多公司都在经历这些挑战。“尽管机械回收占主导地位,但仍然存在挑战,因为垃圾必须是干净的,很难处理杂质。””And the energy requirement for advanced recycling is another part of the sustainability conundrum – recycling plastic reduces waste and materials consumption, but it can also reduce a company’s overall sustainability if it means an increased energy demand. ‘Companies want to minimise energy use as part of meeting their sustainability goals,’ he adds.

沃特斯公司也在响应这一目标——例如,通过设计更节能的仪器,使分析更具可持续性。对于沃特斯公司(Waters Corporation)可持续发展主管安德鲁·帕斯特(Andrew Pastor)来说,这是该公司与客户科学合作的一个重要方面,可以帮助他们实现可持续发展目标。“(我们的客户)正在关注他们实验室对环境的影响,包括仪器的功耗和运行它们所需的实验室基础设施。他说,一些人正在研究分析方法,以及是否可以对其进行修改,使其更加环保。

Pastor引用了该公司的新Xevo TQ绝对仪器的例子,该仪器对负离子的灵敏度提高了一步,但比竞争对手的同类质谱仪更小、更安静,重要的是消耗更少的电力和氮气。该系统产生的热量也更少,这意味着对空调机组的需求也会下降,有助于减少占地面积、投资和运行成本。帕斯特说:“随着我们的客户走上这条道路,我们正在尽最大努力为他们提供支持。”