消费后HIPS酸奶杯与原生HIPS共混的机械回收及其食品接触应用

《Food Packaging and Shelf Life》：Mechanical recycling of post-consumer HIPS yogurt cups blended with virgin HIPS for food contact applications

　　

摘要

本文研究了由消费者用过的酸奶杯制成的回收高抗冲击聚苯乙烯（HIPS）与原生HIPS的共混物。制备并表征了含30%、40%和50 wt%机械回收HIPS（来自大学食堂收集的酸奶杯）的共混物。与原生HIPS相比，回收HIPS中的残留苯乙烯含量显著降低（约60%），这表明在加工过程中发生了挥发和热氧化反应。非有意添加物质（NIAS）筛查显示，酸奶杯中的化学复杂性更高，这与聚合物降解和食品残留物有关。检测到的化合物包括挥发性有机物、半挥发性有机物和非挥发性有机物，其中非挥发性有机物仅存在于消费者用过的样品中。化学复杂性差异显著，商业材料中鉴定出32种不同化合物，而回收样品中则有68种。若干物质的浓度超过了毒理学关注阈值，特别是醛类和苯乙烯低聚物。总迁移量随回收料含量增加而升高，但仍处于欧洲法规限值以内。热学、结构和力学分析表明，由于重新加工，材料出现了中度变化，包括热氧化老化的迹象以及在较高回收含量下出现轻微脆化，但与商业HIPS相比性能没有显著损失。这些效应与颜色变化和FTIR结果一致，表明氧化物的形成。总体而言，研究结果表明，来自明确消费者来源的机械回收HIPS可满足功能性要求，同时也强调了进行物质特异性迁移测试和稳健风险评估的必要性。这些发现支持了此类回收策略将回收聚苯乙烯安全整合到循环食品包装系统中的潜力。

引言

塑料已成为循环经济战略的核心，这与其环境影响和高产量密切相关（Geyer等人，2017）。减少化石燃料来源的不可再生原材料的消费对于缓解全球变暖的影响和延长资源可用性至关重要。包装约占全球塑料产量的40%，因此在该领域整合回收材料对于减少对原生资源的依赖至关重要（Dokl等人，2024；Plastics Europe，2022）。在欧洲，监管框架旨在通过设定各类塑料从消费者用过的塑料废弃物中回收的最低掺入量目标（按重量计），到2030年显著推动回收利用（European Commission，2018；Regulation (EU) 2025/40 of the European，2025）。然而，在当前开放循环模式下，只有回收的聚对苯二甲酸乙二醇酯（PET）被批准可直接用于食品接触（Regulation EU，2022），约占包装需求的18%（Plastics Europe，2026）。

食品接触材料（FCM）由于其复杂的化学成分而面临额外挑战，因为它们天然含有有意添加物质（IAS）以及降解产物。此外，残留加工化学品、消费者误用、交叉污染或分选过程不效率等因素可能产生新的污染物。这些因素导致了非有意添加物质（NIAS）的存在，包括通过这些不同成分之间化学反应形成的化合物（Sepúlveda-Carter等人，2025）。对回收过程中使用的输入材料进行深入了解和控制，对于开发有效的脱除策略至关重要。这对于确保回收材料可用于预期用途至关重要，尤其是在食品接触领域，迁移必须经过仔细评估并尽可能降低。

此外，塑料通过其多样化的功能特性在减少食物浪费方面发挥着不可或缺的作用，这些特性确保了产品保存、延长保质期，并促进了高效的物流和消费者信息传递。聚苯乙烯（PS）在食品包装中的使用约占其总需求的47%，此外在制药、医疗用品和个人护理产品（包括化妆品）中也有重要应用（Global Market Insights，2023）。PS及其变体，如高抗冲击聚苯乙烯（HIPS），提供针对特定应用的定制特性。HIPS是一种橡胶改性聚苯乙烯，由分散有多丁二烯相畴的聚苯乙烯基体组成，旨在提高抗冲击性和韧性（Achilias和Antonakou，2015；El Bhilat等人，2021；Vilaplana和Karlsson，2008）。HIPS的最终性能主要取决于所掺入的丁二烯百分比，通常摩尔含量在3%至10%之间，这使得制造商可以根据具体终端使用要求定制力学性能（Vilaplana & Karlsson，2008）。其均衡的力学性能和热成型性使其广泛用于轻质乳制品包装格式，尤其是酸奶杯（Samper等人，2014）。此外，与PET类似，PS对许多有机污染物表现出相对较低的扩散率，这是评估其含回收料在食品接触应用中适用性的一个相关方面（Sepúlveda-Carter等人，2025；Welle，2023）。

尽管PS应用广泛，但回收PS在食品接触应用中的实施仍然有限，这在很大程度上是由于关于非授权物质（特别是NIAS）存在和迁移的持续监管不确定性所致。根据欧洲立法（Regulation EU，2022），这些化合物的鉴定和风险评估至关重要，但其检测方法尚未完全建立标准化（Oldring等人，2023）。因此，迫切需要结合材料性能评估和采用明确且可追溯的消费者来源进行深入化学表征的研究。在此背景下，酒店、餐厅和餐饮（HoReCa）行业作为一个非常有前景的来源浮现出来，因为它提供了受控环境，既便于收集高价值塑料，又便于实施食品接触材料应用中塑料回收所需的严格追溯性。

因此，本研究的主要目标是评估从大学食堂收集系统获得的机械回收HIPS（作为代表性的HoReCa环境）在技术可行性和潜在化学安全性方面的表现，以用于潜在的食品接触应用。为此，从马德里理工大学工业工程学院（ETSII-UPM）Alcoin大学食堂回收了HIPS酸奶杯，经过清洗、粉碎和注射成型进行机械回收。通过半定量筛查挥发性、半挥发性和非挥发性物质，结合残留苯乙烯和金属含量的测定，详细比较了回收HIPS（HIPS-Y）与商业原生HIPS的化学概况。此外，为了评估材料在食品包装方面的性能，通过注射成型制备了含30、40和50 wt%回收HIPS的共混物，以模拟工业规模加工性能。对所得材料进行了系统的结构、形态、热学、力学、光学和阻隔性能表征，同时在脂肪类食品模拟液中评估了总迁移量。这种方法提供了对机械回收HIPS化学概况和整体性能的全面评估，支持循环回收策略的扩展，同时解决了回收PS基消费者材料的结构和功能可行性以及食品接触材料当前化学安全评估的局限性。

章节摘要

材料与方法

商业HIPS Styron? 485（Trinseo，荷兰Hoek；密度1.04 g/cm3）用作对照材料。消费者用过的酸奶杯中的HIPS在马德里理工大学工业工程学院（ETSII-UPM）Alcoin大学食堂使用后被收集。这些容器首先分离出包装主体部分，然后使用Felfil塑料粉碎机+型号500（意大利都灵）进行粉碎。随后用自来水清洗材料以去除主要表面

熔体流动指数（MFI）

如图1所示，酸奶杯碎片的MFI（7.1 ± 0.4 g/10 min）呈现统计学显著增加，比原生HIPS颗粒（5.4 ± 0 g/10 min）高31%。这些变化反映在加工行为上，较高的MFI值表明流动率增加，通常与热机械降解相关。之前也有类似趋势的报告，与原生HIPS相比，回收酸奶杯的MFI增加了19%，归因于聚合物基体内的链断裂（El

结论

从大学食堂收集的消费者用过的酸奶杯（PLT-HIPS-Y）经过机械回收后与原生HIPS（PLT-HIPSv）进行了比较。两种材料均符合金属含量的法规限值。NIAS筛查表明，与原生材料相比，回收HIPS的化学复杂性更高，其特征是半挥发性有机化合物的比例增加，且存在原生材料中未检测到的非挥发性有机物质。大多数检测到的

作者贡献声明

Laura Marín：写作 – 审稿与编辑，验证，监督，资源，项目管理，资金获取，形式分析，概念构思。Javiera Sepúlveda-Carter：写作 – 审稿与编辑，写作 – 原稿撰写，可视化，验证，软件，方法论，调查，形式分析，数据整理，概念构思。Diego Lascano：写作 – 审稿与编辑，写作 – 原稿撰写，可视化，验证，方法论，调查，形式分析，数据

资金支持

本研究是PID-AEI项目（资助编号 PID2021-123753NA-C32）的一部分，由MCIN/AEI/10.13039/501100011033和"ERDF A way of making Europe"提供资金，同时也是研究巩固项目（资助编号 CNS2022–136064）和TED-AEI项目（资助编号 TED2021–129920A-C43）的一部分，由MCIN/AEI/10.13039/501100011033和"European Union NextGenerationEU/PRTR"提供资金。本研究也是PID-AEI项目（资助编号 PID2024–157368NB-C32）的一部分，由MICIU/AEI/10.13039/501100011033和

生成式AI和AI辅助技术在写作过程中的使用说明

在准备本工作期间，作者使用了ChatGPT-5.2来改善语法和可读性。在使用该工具/服务后，作者审查并编辑了内容（如有需要），并对已发表文章的内容承担全部责任。

利益冲突声明

作者声明以下财务利益/个人关系，可被视为潜在的利益冲突：Marcos Sanchez Rodriguez报告与ECOEMBES ENTIDAD ADMINISTRADORA SLU.的关系，包括：雇佣关系。Paula Ba?os报告与ECOEMBES ENTIDAD ADMINISTRADORA SLU.的关系，包括：雇佣关系。Laura Marín报告与ECOEMBES ENTIDAD ADMINISTRADORA SLU.的关系，包括：雇佣关系。José L. Moreno de Castro报告与

致谢

作者感谢Ana Rivas Salmón在本研究早期阶段提供的宝贵见解和贡献。作者衷心感谢马德里理工大学工业工程学院（ETSII-UPM）Alcoin大学食堂收集消费者用过的酸奶杯。JSC感谢智利圣地亚哥大学包装创新研究中心（LABEN）在本工作开发期间提供的研究访问。

Javiera Sepúlveda-Carter|Diego Lascano|Simón Faba|José L. Moreno de Castro|Laura Marín|Paula Ba?os|Alejandra Torres|María José Galotto|Rafael Balart|Marcos Sánchez Rodríguez|Marina P. Arrieta

西班牙马德里理工大学工业工程学院工业化学与环境工程系，C/ José Gutiérrez Abascal 2号，马德里28006，西班牙