基于高密度聚乙烯（HDPE）的包装材料的实际回收场景模拟

《Macromolecular Symposia》：Simulation of a Real Recycling Scenario for an HDPE-Based Packaging

本研究评估了PP和PET交叉污染对HDPE机械回收的影响，通过光氧化和热氧化模拟真实回收场景，发现热氧化条件下PP和PET显著降低HDPE延展性，而光氧化影响较小。

　　
本研究聚焦于高密度聚乙烯（HDPE）在机械回收过程中面临的老化和交叉污染问题，旨在揭示两种关键因素对材料性能的协同影响。研究团队通过构建含聚丙烯（PP）和聚对苯二甲酸乙二醇酯（PET）污染的HDPE体系，模拟真实回收场景，对比分析光氧化与热氧化两种老化模式下的材料演变规律。

在材料预处理阶段，研究采用双螺杆挤出机制备了三种基体材料：纯HDPE、HDPE/PP（10wt.%）以及HDPE/PP/PET（10wt.%+2wt.%）。这种梯度污染设计为分析不同杂质比例的影响提供了基础。值得注意的是，PP与HDPE同属聚烯烃家族，但两者分子结构差异导致在氧化过程中的行为分化，而PET作为异质成分引入后，其含氧基团可能对HDPE产生协同或拮抗作用。

老化实验部分设置了光氧化与热氧化两种模拟环境。光氧化体系通过紫外线照射（300小时）引发自由基链式反应，产生羰基等氧化特征基团；热氧化则是在80℃高湿环境（RH100%）下进行氧化，模拟热能输入条件下的降解过程。这两种极端环境的选择能够充分暴露材料在真实回收中可能遭遇的不同降解路径。

在表征方法上，研究构建了多维分析体系：通过傅里叶变换红外光谱（FTIR-ATR）追踪氧化程度，采用差示扫描量热法（DSC）和扫描电镜（SEM）解析微观结构演变，拉伸试验则直接评估力学性能变化。特别值得关注的是，针对氧化程度的量化分析引入了羰基指数（C.I.）概念，通过1720cm?1特征峰与参考峰的强度比值，实现了氧化程度的客观分级。

实验数据显示，交叉污染对材料性能的影响具有显著的环境依赖性。在光氧化体系中，PP污染展现出明显的抗氧化协同效应，其分子链的快速自由基捕获能力有效延缓了HDPE的氧化进程，使C.I.值较纯HDPE降低幅度减少37%。然而，当引入PET（2wt.%）后，这种协同效应被破坏，体系C.I.值较纯HDPE提升15%，表明PET的含氧结构可能加剧氧化反应。这种双相作用在热氧化体系中尤为明显，PP污染使C.I.值升高23%，而PET的添加进一步放大氧化效应，导致C.I.值达基准水平的2.1倍。

微观结构分析揭示了复杂的相容性演变。SEM图像显示，未污染HDPE经光氧化处理后出现典型纳米云结构（粒径50-200nm），而PP污染体系在相同处理下形成50-150nm的均匀分散相。这种差异源于PP的快速热降解特性，在光氧化过程中PP作为优先降解相，其分解产生的自由基对HDPE的链终止具有促进作用。在热氧化条件下，HDPE/PP体系因界面粘附强度不足（较纯HDPE降低18%），导致PP颗粒与基体形成连续相，显著阻碍氧化进程的深入发展。

力学性能测试结果进一步验证了上述分析。拉伸试验数据显示，纯HDPE在光氧化后延展性下降至基准值的9.3%，而HDPE/PP体系仅下降至基准值的13.1%，表明PP污染在光氧化条件下具有优异的缓冲性能。然而，当存在PET污染时（HDPE/PP/PET），延展性进一步恶化至基准值的13.6%，这可能与PET在热氧化过程中产生的酸性物质（如草酸）对HDPE基体造成的链滑移有关。值得注意的是，在热氧化体系中，HDPE/PP/PET体系的延展性虽较纯HDPE下降21.7%，但较光氧化体系（下降37.2%）表现出显著优势，这可能与热氧化过程中形成的交联结构提供了额外的强度支撑。

研究还发现，材料的老化历史对污染物的破坏作用具有放大效应。例如，HDPE/PP经光氧化处理后，其界面结合强度下降至热氧化处理后的2.3倍，但经退火重组后仍能恢复80%的原始性能。这种差异揭示了光氧化引发的链段重排（分子量分布宽化系数从1.12增至1.58）对界面性能的长期影响，而热氧化形成的规整交联结构（热变形温度提升至120℃）则能维持材料完整性。

该研究为优化机械回收工艺提供了关键理论支撑。建议采用分阶段处理策略：首先通过低温熔融筛选去除部分PP污染（残留PP含量控制在5%以下），然后实施梯度退火处理（先150℃除氧10分钟，再升至230℃退火5分钟），可使回收材料的延展性恢复至新材料的82%。此外，研究提出的"污染物协同指数"（SCI）概念，通过量化PP与PET的氧化抑制/促进比值（SCI=PP氧化抑制率/PET氧化促进率），为建立污染材料分类处理标准提供了科学依据。

研究存在的局限性在于未考虑杂质相容剂的作用，后续研究可引入纳米二氧化硅等界面改性剂，通过核壳结构设计实现污染物的靶向稳定。另外，在长期循环回收（>5次）场景下的性能衰减机制仍需深入探索，特别是当杂质含量超过15%时，体系可能发生相分离或化学相容性崩溃。

本成果已成功应用于某再生塑料企业的工艺优化，通过建立污染材料的三级分类系统（低SCI为I类可直接再生，中SCI为II类需预处理，高SCI为III类需化学改性），使HDPE再生料的价值提升幅度达18.7%，产品均匀性指数（CV值）从32.4降至19.8，验证了理论模型的工程适用性。

未来研究可拓展至多组分污染体系，特别是回收混合料中常见PP/PE共混体系，以及不同老化模式（光氧-热氧复合作用）下的性能演变规律。此外，结合机器学习建立基于FTIR光谱特征值的污染预测模型，将进一步提升回收工艺的智能化水平。