微波辅助分离可堆肥生物塑料中的聚乙烯：一种新型合规性分析工具

《Microchemical Journal》：Microwave-assisted isolation of polyethylene from compostable bioplastics: A new tool for conformity analysis

　　

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  通过氢氧化钠和微波对生物塑料聚酯进行定量水解。
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  通过密度分离和过滤高效回收聚乙烯。
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  通过ATR-FTIR和Py-GC/MS评估重量法测量的可靠性。
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  方法验证显示高准确性且无基质效应。
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  简单快速的分析方法，确保与工业规模需求兼容。

引言

废弃塑料产品主要被填埋或焚烧处理，仅有极少部分被回收[1]、[2]。这导致多年来塑料废弃物迅速积累，其中一次性塑料产品的贡献尤为突出[2]、[3]、[4]。生物塑料是一类异质材料家族，正在许多应用领域迅速替代传统塑料产品[5]、[6]，尤其是在包装、纺织、医疗和农业等一次性应用领域，成为人们日常生活中不可或缺的一部分[7]。生物塑料被视为减少填埋塑料废弃物数量的一种解决方案，因为它们可在生命周期末端被加工处理，获得一种称为堆肥的天然肥料，从而提供一条有助于可持续发展和循环经济的增值途径。

虽然其降低环境影响的特性前景可观，但可生物降解和可堆肥塑料往往存在生产成本低[8]等问题。为解决这些问题，生物塑料通常是多种聚合物的共混物，常常还包含不可生物降解的聚合物，主要是聚乙烯(PE)。PE通常作为主剂母粒基质使用，用于在配方中引入碳酸钙(CaCO₃)等无机填料和/或颜料[9]。由于PE不能进行堆肥，可生物降解塑料制品中过量的PE会导致富含PE的堆肥，其肥料性能较差，生物相容性降低。含PE的堆肥还会加剧农业土壤的塑料污染，对植物和微生物产生潜在的有害影响[10]、[11]。现行的欧洲标准，如EN 13432:2002，规定可生物降解塑料共混物中任何不可生物降解有机材料的含量不得超过总重量的1%，包括PE[12]。

在可生物降解和可堆肥共混物中定量测定PE含量，在生产阶段（用于在上市前验证产品的合规性）和生命周期末端（用于防止过量的PE进入堆肥反应器）均成为关键步骤。然而，目前没有可用的标准程序来满足这一需求。迫切需要新的分析策略来支持可生物降解塑料产品和废弃量的快速增长[13]。

安捷伦2012年的一份技术说明使用ATR-FTIR来计算塑料混合物中PE的百分比[14]。然而，该方法仅在35–85 wt%的范围内进行了测试，远高于可生物降解塑料配方中预期的1%临界值。此外，PE的CH₂伸缩振动信号预计会与可生物降解聚合物（如聚乳酸、聚对苯二甲酸丁二酯-共-对苯二甲酸丁二酯和淀粉）的信号重叠，而后者含量要高得多，这进一步削弱了该方法的适用性。近期发表的研究表明，热分析技术如分析热解联用气相色谱和质谱(Py-GC/MS)、演化气分析-质谱(EGA-MS)和热重分析(TGA)可以用于可靠地定量测定可生物降解塑料中的PE[6]、[15]、[12]、[13]。这些方法高效、准确，甚至可以在低于1%时测量PE。然而，它们需要昂贵的仪器和受过培训的人员，使其不完全适用于快速的常规分析。快速简单的方法用于进行筛选分析，是补充更灵敏的热分析方法的基础。湿化学方法结合重量法等直接测量方法，依赖于经典的实验室技术而非先进仪器，具有简单、易获取和成本低廉的优势，但通常需要更长的分析时间和较低的自动化潜力。

在本研究中，我们提出了一种新方法，通过消化可生物降解主体并称重降解残留物来测定PE，以简化复杂生物塑料共混物中PE的定量测定。使用含有已知量PE的样品来开发并验证该程序。共混物中可生物降解组分的消化采用微波辅助碱水解完成[16]、[17]，并通过Box-Behnken设计优化工艺并随后进行方法验证。这是第一项描述使用重量法在可生物降解塑料配方中定量测定PE的研究。

章节摘要

试剂

氢氧化钠（片剂）、盐酸（37% v/v）、丙酮（HPLC级）、二氯甲烷（HPLC级）、乳酸（> 90%）和PE（粉末，40–48 μm）均购自Sigma-Aldrich（美国）。乙醇和己二酸购自Carlo Erba（意大利）。对苯二甲酸（> 99%）购自Fluka。聚乳酸(PLA)、聚对苯二甲酸丁二酯-共-对苯二甲酸丁二酯(PBAT)和热塑性淀粉(TPS)由Novamont（意大利）提供。二次蒸馏水（18.2 MΩ/mL）由

样品表征和探索性水解测试

首先使用ATR-FTIR和Py-GC/MS对参考PLA、PBAT和TPS进行表征。此次表征的目的是为每种聚合物建立特征红外信号和热解产物，以便在方法开发过程中使用。PLA、PBAT和TPS的ATR-FTIR光谱及其信号归属见补充材料（图S2和表S2）。光谱中建立了聚合物特征信号：3650–3000 cm^?1（羟基）为TPS，1748 cm^?1（CO伸缩振动）为

结论

本研究开发、优化并验证了一种新的重量法策略，利用微波辅助碱水解膜样品来定量测定生物塑料共混物中的聚乙烯含量。该方法回应了对生物塑料样品进行筛选分析以验证其是否符合EN13432:2002标准的必要性。直接称重法比目前基于热分析的间接方法更简单、成本更低。水解过程的最佳参数为

CRediT作者贡献声明

Marta Filomena：撰写–初稿，验证，方法论，调查，正式分析，概念化，撰写–审阅与编辑。Stefano Mazzoncini：验证，方法论，调查，正式分析。Marco Mattonai：撰写–初稿，方法论，调查，正式分析，概念化，撰写–审阅与编辑。Gabriele Medaglia：撰写–初稿，指导，资源。Sebastià Gesti：撰写–初稿，指导，资源。Erika

利益冲突声明

作者声明以下财务利益/个人关系，可能被视为潜在的利益冲突：Marco Mattonai报告Frontier Laboratories Ltd.提供了财务支持。若有其他作者，他们声明没有已知的与本文所报道工作相关的竞争性财务利益或个人关系。

致谢

作者感谢意大利可堆肥塑料袋回收国家联盟（Biorepack）在本项目中的密切合作。同时感谢Frontier Laboratories 2025研究基金（获得者：Marco Mattonai）提供的资金支持。

Marta Filomena|Stefano Mazzoncini|Marco Mattonai|Gabriele Medaglia|Sebastià Gesti|Erika Ribechini