塑料安全、可持续和可回收按设计实践的释放评估方法学：环氧树脂复合材料案例研究

《Nanomaterials》：Release Assessment Methodology for Safe, Sustainable, and Recyclable By-Design Practices for Plastics: The Epoxy–Resin Composite Case Study Virginia Cazzagon, Patrizia Marie Schmidt, Bastien Pellegrin, Herve Fontaine, Delphine Tissier, Arrate Huegun, Valeria Berner, Carl-Christoph H?hne, Sebastien Artous and Camilla Delpivo + 1 author

　　

在绿色转型背景下，开发本质上安全且可持续的新材料已成为关键目标。这一挑战对于塑料尤其重大，塑料通常含有复杂的化学混合物，可能在其生命周期的各个阶段释放，并对人类健康和环境构成风险。在此背景下，研究人员遵循安全与可持续按设计（Safe and Sustainable by Design, SSbD）框架，支持设计一种创新的环氧-玻璃（epoxy–vitrimer）复合材料，该材料集成了不可释放的阻燃功能，旨在生产适用于铁路应用的更安全、可持续和可回收的材料。研究人员开发了一种简单的方法来识别可能影响工人、消费者以及环境物种和生物的释放热点。基于此，进行了实验模拟，以评估阻燃剂、非有意添加物质和微塑料（microplastics）在热点的释放，并比较基准材料与SSbD替代品的释放特征。结果表明，新开发的可回收且危害较小的复合材料在风化和磨损条件下也能减少材料释放。

在绿色转型背景下，塑料材料的安全性与可持续性成为关键议题。塑料常含有复杂化学混合物，在其生命周期各阶段可能释放有害物质，对健康和环境构成风险。欧盟联合研究中心（JRC）提出的安全与可持续按设计（SSbD）框架虽已建立危害评估步骤，但缺乏针对塑料及复合材料生命周期中释放热点的早期识别与量化方法，尤其对于复杂材料如含卤阻燃剂的环氧树脂复合材料，其释放评估存在显著空白。为解决此问题，研究人员在欧盟SURPASS项目中开发并测试了一套安全、可持续和可回收按设计（SSRbD）综合方法，并以环氧树脂复合材料案例进行验证。论文发表在《Nanomaterials》。

研究人员开展了释放评估方法学的开发与实施研究。他们首先基于欧洲化学品管理局（ECHA）指南和科学文献构建了Excel模板，用于识别材料生命周期各阶段的释放热点，并通过专家判断进行补充。随后，在识别出的使用阶段热点（户外老化和磨损）进行实验模拟，量化阻燃剂、非有意添加物质及微/纳米塑料（MNPs）的释放。最后，通过评分系统比较基准材料（含卤阻燃剂TCPP的环氧-碳纤维复合材料，TCPP RTM）与SSbD替代品（无卤阻燃剂Exolit EP360的可回收环氧-碳纤维复合材料，SP3 RTM）的释放性能。

主要关键技术方法包括：（1）基于ECHA指南和专家判断的Excel模板进行释放热点识别；（2）使用SUNTEST XXL气候箱（遵循ISO 4892-3:2014）模拟户外UV老化；（3）使用Taber磨耗仪（2×1 kg砂轮，中等磨纸，500循环）进行硬磨损实验；（4）采用三重四极杆电感耦合等离子体质谱（ICP-QQQ）分析硫（S）元素以追踪AFD硬化剂释放；（5）扫描电子显微镜（SEM）观察释放粉末和纤维形态；（6）微/纳米塑料检测采用NanoRelease采样协议，结合粒子计数器（1–120 μm）、分析超速离心（AUC，20–999 nm）和总有机碳（TOC）测量溶解性有机碳（DOC）。

研究结果如下：

**3.1.1 户外老化和硬磨损**
通过重量损失、厚度测量和元素分析发现，含碳纤维的SSbD替代品（SP3 RTM）在硬磨损和老化联合作用下的材料释放量低于基准材料（TCPP RTM）。老化后样品表面不均匀，导致重量损失变异性增加。未含碳纤维的SP3样品释放出更多硫（AFD标志物），表明碳纤维增强了复合材料的稳定性。SEM观察表明，释放的纤维直径均为6.5±0.5 μm（刚性纤维），长度多大于5 μm，纵横比（A/R）>3:1。老化后颗粒聚集增多，纤维长度和数量变化不大，SSbD替代品与基准材料在纤维释放行为上相似。

**3.1.2 户外老化和微/纳米塑料量化**
通过粒子计数、AUC和TOC测量，对比了SP3（无碳纤维）、SP3 RTM（SSbD替代品）和TCPP RTM（基准）在老化前后的释放。老化后，所有样品的DOC释放增加3–4倍。SP3 RTM的微塑料释放增加，但纳米塑料释放仅略有增加；而基准TCPP RTM的纳米塑料释放显著增加，尤其老化后高于任何SSbD材料。总体而言，SSbD替代品在纳米塑料释放方面优于基准，尤其在老化条件下，显示其减少有害释放的潜力。综合考虑，SSbD复合材料在风化和磨损场景下表现出更优的释放性能。

讨论部分总结：研究结果强调了在材料创新早期整合释放评估的重要性，以指导更安全、更可持续的设计选择，特别是针对高关注物质（SVHC）及其转化过程。通过系统识别和量化释放热点，SSbD方法学能够主动指导材料选择和工艺优化。该发现对工人和环境保护有直接意义：减少有害纤维和颗粒的释放可降低吸入和皮肤暴露风险，并支持循环经济目标。结论部分翻译如下：

本研究工作为开发含无卤阻燃剂的新型塑料复合材料做出贡献，提供了一种快速筛选方法以评估材料在生产和使用阶段的释放。该方法的目的是在创新早期支持材料/产品设计，投入更少时间和金钱。在更高技术就绪水平（TRL）阶段，需要更先进的方法（如热解-气相色谱-质谱或拉曼光谱）深入表征释放物质。本研究呈现了在SSbD框架下评估材料释放的预备工作，具体应用于铁路用环氧树脂复合材料。通过整合专家知识、法规指导和实验验证，该方法实现了生命周期中释放热点的早期识别。基于ECHA指南开发的Excel模板促进了潜在释放场景的系统筛选。实验模拟使用阶段热点，量化了颗粒、纤维和MNPs的释放。基准与SSbD替代品的比较表明，新开发的可回收复合材料可减少释放，尤其在风化和磨损条件下。研究结果强调了在材料创新早期纳入释放评估的重要性，为未来开发整合释放数据与危害特征的评分系统奠定基础，从而推动更全面的SSbD评估。未来工作将聚焦于评分方法的完善、跨材料类型的验证，以及融入监管和工业决策的探索。最终，该方法提供了透明、可重复的释放评估手段，以支持法规对齐、更安全替代和数据驱动的材料选择，为预测和减缓塑料材料相关的环境和人类暴露风险提供实用工具。