生物塑料的质量保证和降解的材料分析

Bharath Rajaram | Michael Onepe
May 23, 2022

什么是生物塑料，制造商如何利用热分析、流变学和机械分析来成功地将生物塑料纳入产品中？

什么是生物塑料？塑料制造商如何利用它们来改善其产品的环境影响？面对如此多的新兴绿色技术，生产商和消费者需要区分洗绿¹和真正的进步。此外，如果一项新的发展被认为对环境有利，那么塑料供应链的所有阶段，尤其是加工厂，就必须学习如何在不损害其工艺或产品的情况下采用新技术。

术语”生物塑料”或”生物聚合物”实际上可以指两种类型的材料。生物基塑料是由可再生原料生产的，如甘蔗或玉米。生物降解塑料可以通过微生物或酶的分解过程完全分解，产生对环境无害的天然副产品，如气体（CO2、N2）、水、生物质和无机盐。生物降解也可以应用于某些类型的化石燃料塑料，如聚对苯二甲酸丁二醇酯（PBAT）和聚己内酯（PCL）。值得注意的是，并非所有的生物基塑料都是可生物降解的，反之亦然。

塑料的可持续性必须在材料生命周期的每个阶段得到解决，从创造到降解。与传统塑料相比，生物基塑料和可生物降解塑料都具有潜在的可持续性，但它们需要合适的材料和条件来实现最可持续的解决方案。既有生物基又可生物降解的生物塑料可以实现最大的可持续性，提供了一条从生产到寿命终结的废物管理的真正可持续发展之路。符合这一标准的塑料类别包括PLA、PHA、PHB和淀粉混合物。

使用生物基塑料的制造

生物基塑料很有吸引力，因为它们可以具有与传统塑料相同的化学结构和特性。²因此，它们通常被用于需要高耐久性和高强度的产品。用生物基塑料取代化石燃料塑料材料，可以减少我们对不可再生资源的消耗，并且从长远来看更具有可持续性。然而，生物基塑料有可能带来与传统化石燃料塑料一样的可持续处置挑战。另一个挑战是生命周期的可持续性分析，以及最大限度地减少生物基成分耕作过程中的水和燃料使用。

研究新型生物塑料的研究人员必须在保持高效生产和高质量产品的同时平衡这些可持续性要求。当新的生物基塑料配方被开发出来时，制造商需要进行严格的测试，以确保他们的最终产品满足客户的性能和可加工性期望，并且成本与化石燃料来源的塑料相当。为此，必须对材料强度、耐久性、粘度、热稳定性、相变和其他质量等参数进行量化。

制造可生物降解的塑料

生物可降解塑料提供了在使用后减少塑料废物的潜力，但这个术语本身适用于广泛的生物降解性。今天的大多数生物可降解塑料需要在特定的温度和湿度条件下进行堆肥，这为新的聚合物提供了机会，它扩大了使用后在任何地方和更快地降解的可能性。3

生物降解塑料可以来自生物基或化石衍生的材料（或两者的混合），这需要进行上述的产品前测试，但又增加了设计分解的挑战。塑料制造商在设计新的混合物时，需要确保可加工性、产品性能，以及最终有效的生物降解性。

塑料加工厂家的任务是设计出能够承受正常使用但在废弃后又容易降解的产品。材料测试帮助他们平衡必要的特性，并找到满足整个聚合物生命周期所有要求的配方。热分析帮助开发者优化塑料在堆肥设施或垃圾填埋场的分解。这些测量可以为消费者说明提供信息，以确保正确处理产品进行分解。机械分析也可以测量塑料在加工、使用和分解时的强度和耐久性。

生物塑料的材料分析

在任何塑料原料中，材料分析对于优化加工条件和最终使用性能至关重要。新的生物塑料配方需要更严格的测试，以确保其符合用户标准，同时最大限度地实现可持续性

。以下材料分析技术在塑料开发中已经很常见，但对于成功的生物塑料创新来说更为关键。

热分析测量温度的变化如何影响材料的特性。热分析仪器通常测量热流、重量损失、尺寸变化或机械性能与温度的关系。表征热性能对于生物塑料材料的选择和优化至关重要，它可以回答以下问题。

这种材料在加热加工时（包括成型或挤压）会有什么表现？
如果在运输或使用过程中被加热或冷却，该塑料是否能保持其稳定性？
该材料将如何分解？我们能否优化可生物降解塑料的材料？

生物塑料最常见的热分析仪器是差示扫描量热仪（DSC），它测量热稳定性和相变，以分析塑料在不同条件下的行为。生物塑料开发商使用热重分析（TGA）进行精确的成分测定，包括挥发性或溶剂含量和填料含量（残留物）。TGA还测量分解温度以及产生的产品，这对设计可持续的生物降解塑料至关重要。

机械分析包括各种技术来描述材料的机械性能或确定结构对力的反应。生物塑料制造商使用动态机械分析（DMA）来测量储存模量、损失模量、tan

delta和玻璃转化（Tg）；这些测量有助于预测塑料材料在设定温度下对力和变形的反应。材料强度（用杨氏模量、屈服强度、极限强度、断裂伸长率、疲劳和耐久性来测量）对于预测最终产品的行为至关重要，可以在机械测试负载框架上有效测量。

流变学是对材料的流动和变形的研究。流变仪测量生物塑料的粘度，这对优化加工性能至关重要，特别是通过挤压和吹塑。流变学还支持在开发新混合物时分析塑料的均匀性和耐久性。

这些材料测量有助于生物塑料生产的每一步，从评估特定原料的质量到测试最终产品的特性。随着新的生物塑料配方的开发，制造商将需要系统化的方法来加入新的混合物，同时保持效率，满足客户的期望，并使可持续性最大化。

生物塑料的最佳材料测量方法

生物基和生物可降解塑料提出了新的挑战，然而制造商已经通过尖端的材料分析来迎接这一挑战。在生产的每个阶段对成分和材料行为的精确测量有助于设计和生产新的绿色塑料产品。世界各地领先的生物塑料开发商正在向TA仪器求助，TA Instruments 是热分析、流变学、微热量测定和机械测试仪器的世界领导者。TA Instruments 为测量材料性能设定了行业公认的标准，因此是顶级聚合物实验室的首选品牌。

虽然采用一个新的材料测试方案似乎令人生畏，但TA Instruments的设计是以用户为中心的

。我们的许多仪器都配备了TRIOS一键式功能，只需点击一个按钮就可以运行预编程的测试。我们还提供行业领先的客户支持，帮助我们的用户从仪器选择和安装到成功测试。

无论你是想扩大你现有的测试能力，还是想迎接新的可持续性挑战，TA仪器都能提供你所需要的仪器和指导。今天就联系我们的专家，以获得个性化的支持和对任何问题的回答。请访问我们的聚合物页面，了解更多关于我们为塑料行业提供的独特产品

References:

The troubling evolution of corporate greenwashing. (2016). Bruce Watson. The Guardian. Accessed May 2022. https://www.theguardian.com/sustainable-business/2016/aug/20/greenwashing-environmentalism-lies-companies
Bio-based? Recyclable? Biodegradable? Your guide to sustainable plastics. (2020). Sandrine Ceurstemont. Neste. Accessed May 2022. https://journeytozerostories.neste.com/plastics/bio-based-recyclable-biodegradable-your-guide-sustainable-plastics#6ce5bead
Are bioplastics better for the environment than conventional plastics? (2019). Anja Krieger. Ensia. Accessed May 2022. https://ensia.com/features/bioplastics-bio-based-biodegradable-environment/

Please select language