回收聚合物与其原生对应物之比较：性能与生态指标

《Polymers》：Comparison of Recycled Polymers with Their Virgin Counterparts: Properties and Eco-Indicators

　　

塑料是循环经济（circular economy, CE）与可持续发展目标（sustainable development goals, SDGs）面临的最严峻挑战之一。研究人员针对三种传统石油基聚合物聚乙烯（polyethylene, PE）、聚丙烯（polypropylene, PP）与聚对苯二甲酸乙二醇酯（polyethylene terephthalate, PET）的原生版本和机械回收版本进行比较。为此，研究人员开展了机械、化学与热性能方面的测试，并研究各情形下的生命周期生态指标（eco-indicators）。最后，研究人员对所有因素间的相关性进行分析，以更全面理解性能如何相互影响。

研究背景方面，塑料废弃物管理已成为循环经济与SDGs框架下的关键问题。欧盟通过包装与包装废弃物法规（Packaging and Packaging Waste Regulation, PPWR）推动提高包装可回收性、降低包装废物并增加再生料使用，设定了2025年包装废物总体回收率65%、2030年70%，以及塑料包装2025年至少50%、2030年55%的回收目标。现实中外，仅约9%塑料废物被回收，50%进入填埋，22%进入土壤或水体；机械回收过程引入热与机械应力，使回收料通常难以完全保持原生料性能，且只有约2%材料可维持包装所需机械、阻隔与光学性能。各聚合物可回收性差异显著，PET（19.5%）最高，HDPE（10.3%）、LDPE（5.30%）、PS（0.9%）、PP（0.6%）依次降低。PET具备较成熟的瓶到瓶闭环回收体系，但其人类毒性潜势等环境足迹高于聚烯烃。 virgin与recycled碳足迹分别为PET 2.23/0.91、PE 1.89/0.56、PP 1.84/0.53；PET回收可节能84%、降温室气体71%。PE与PP属聚烯烃，占市场约50%，PET为缩聚类聚酯，占市场不足10%。机械回收后材料发灰、亮度下降、韧性变化，且受结晶度、疲劳抗性、分子量降低与杨氏模量下降限制，可回收次数有限。因此，有必要系统比较PE、PP、PET及其回收料RPE、RPP、RPET在物理化学、机械、阻隔、热性能与生态指标上的表现，并分析属性间关联。

该研究发表于《Polymers》。研究人员以首次机械回收（1 cycle）的RPE、RPP、RPET及对应virgin PE、PP、PET为对象，材料由同一欧洲企业供应但不披露身份，据此开展属性与生命周期评价（life cycle assessment, LCA）研究。

主要关键技术方法方面，研究人员采用衰减全反射傅里叶变换红外光谱（attenuated total reflectance Fourier transform infrared spectroscopy, ATR-FTIR）分析官能团与分子作用；用场发射扫描电镜（field emission scanning electron microscopy, FESEM）观察液氮脆断截面形貌并做EDX元素分析；按ISO 527以狗骨试样做拉伸测试，获杨氏模量（Young’s modulus, E）、极限抗拉强度（ultimate tensile strength, UTS）与断裂伸长率；依UNE 53097以硅胶干燥剂测水蒸气透过率（water vapor transmission rate, WVTR）并归一化至100 μm厚度；以热重分析（thermogravimetric analysis, TGA）与差示扫描量热（differential scanning calorimetry, DSC）研究热稳定性、玻璃化转变温度（glass transition temperature, T_g）、熔点（melting temperature, T_m）与熔融焓；以OpenLCA与SimaPro基于PEF基线做从摇篮到坟墓（cradle to grave）LCA，计算酸化、生态毒性、富营养化、电离辐射、土地利用与臭氧消耗等指标。

研究结果如下。

ATR-FTIR分析：PE在400–700 cm^?1区域面积增大，700 cm^?1处摇摆带变宽，提示结晶度损失；PP在400–1200 cm^?1峰强增强，1375 cm^?1甲基对称弯曲可区别于PE；PET与RPET谱图高度相似，1750、1240、1100 cm^?1酯基特征峰未现明显变化，说明回收未造成显著化学降解。

拉伸测试：PET刚性强、E与UTS高、断裂伸长低；PP刚性较高但仍具链运动；PE分子间力低、伸长长。回收料断裂伸长多因热氧化降解链断裂而快速降低，RPE的UTS显著降低，可能与污染物有关；PE回收倾向交联与支化使缠结增加、E降低而伸长保持；PP易发生链断裂而脆化，结晶度越高伸长越低。

WVTR：PP回收后链断裂使自由体积增大、链运动性增强，WVTR升高；PET因链扩展反应分子量增大，WVTR基本不变；PE由0.08 g/day·m²增至0.34 g/day·m²，源于抗氧化耗竭后链架构改变与链运动性增加。

热性能：TGA中PET与RPET相似；RPE出现多重降解峰，反映不同热稳定性组分、添加剂、高度支化或氧化链叠加；PP回收料降解温度更高，因纤维、添加剂与交联限制链运动；PP为单步降解，RPP单步但DTG峰展宽；PET含芳环呈两步降解，RPET类似。DSC中RPE熔融焓与峰形变化，出现两晶群熔融峰；PP熔融峰约164 °C且RPP无新峰；PET与RPET均现双熔融峰，归因为退火产生两种结晶种；PE与PP未检得T_g，PET的T_g在回收前后无显著变化。

形貌与元素分析：FESEM显示RPE、RPP存在形貌异质性与Ca、Si、Ti、Al、Cu、K、Mg、Cl等无机痕量元素，源自添加剂、填料、颜料或污染；PET未检出此类元素。

LCA：RPE酸化与臭氧指标最差；RPP除生态毒性最高外多数指标较好；RPET用地过高；三种回收料均现低富营养化与高电离辐射。原生料中PE各项生态指标最高。回收料相较原生料多数eco-indicators改善，RPE在生态毒性、富营养化与资源项改善最明显。

讨论部分总结：研究人员做矩阵相关分析，发现T_g、T_m与UTS、E呈正向关联，却不利于断裂伸长；高交联密度提升T_g并限制链段，使材料更硬更紧致但难解缠。透过率越大，断裂伸长越高而UTS与E越低，说明链运动性同时促进分子传输与变形。TGA分解峰温与资源、富营养化、碳足迹呈负向关联，即热稳定性高者碳足迹倾向低，但碳足迹主要由生产与生命周期清单决定，不可直接归因热稳定性；除生态毒性、土地利用、电离辐射外，其余eco-indicators呈正向关联，酸化还可经通道扩散与渗透性相联系。

结论部分翻译：从物理化学角度看，经ATR-FTIR评估的PET在回收与原生材料中显示相同振动官能团，这与SEM图像一致，两者拓扑结构相同；TGA主要呈单条曲线，显示两样品均匀分解。相反，PE与PP的SEM图像显示形态异质性，并检出EDX测得的新增无机痕量元素，而原生样中未检出。UTS与E由高到低为PET、PP、PE，断裂伸长反之。尽管原生与回收料机械性能有细微差别，回收料仍保持可与原生料相比的机械表现，可认为填料类添加剂达到了目标力学性能。WVTR除PP外相近，RPP显著高于virgin PP，反映再加工链断裂增加链运动性而改变透湿性。碳足迹、富营养化、臭氧、水耗及多数eco-indicators在原生聚合物中远高于回收料，使回收成为塑料的适宜可持续选项。技术上PE、PP与其回收料有细微差异，PET各属性则非常接近，仍适合市场应用。但RPE、RPP检出的无机物种及ATR-FTIR、TGA差异，凸显回收料组成更复杂，可能来自添加剂、填料、颜料、污染物或降解产物，其对功能性能与后续可回收性的影响应被考虑。