生物塑膠的品質保證和降解的材料分析

Bharath Rajaram | Michael Onepe
May 23, 2022

什麼是生物塑膠，製造商如何利用熱分析、流變學和機械分析來成功地將生物塑膠納入產品中？

什麼是生物塑膠？塑膠製造商如何利用它們來改善其產品的環境影響？面對如此多的新興綠色技術，生產商和消費者需要區分洗綠1 和真正的進步。此外，如果一項新的發展被認為對環境有利，那麼塑膠供應鏈的所有階段，尤其是加工廠，就必須學習如何在不損害其工藝或產品的情況下採用新技術。

術語”生物塑膠”或”生物聚合物”實際上可以指兩種類型的材料。生物基塑膠是由可再生原料生產的，如甘蔗或玉米。生物降解塑膠可以通過微生物或酶的分解過程完全分解，產生對環境無害的天然副產品，如氣體（CO2、N2）、水、生物質和無機鹽。生物降解也可以應用於某些類型的化石燃料塑膠，如聚對苯二甲酸丁二醇酯（PBAT）和聚己內酯（PCL）。值得注意的是，並非所有的生物基塑膠都是可生物降解的，反之亦然。

塑膠的可持續性必須在材料生命週期的每個階段得到解決，從創造到降解。與傳統塑膠相比，生物基塑膠和可生物降解塑膠都具有潛在的可持續性，但它們需要合適的材料和條件來實現最可持續的解決方案。既有生物基又可生物降解的生物塑膠可以實現最大的可持續性，提供了一條從生產到壽命終結的廢物管理的真正可持續發展之路。符合這一標準的塑膠類別包括PLA、PHA、PHB和澱粉混合物。

使用生物基塑膠的製造

生物基塑膠很有吸引力，因為它們可以具有與傳統塑膠相同的化學結構和特性。2因此，它們通常被用於需要高耐久性和高強度的產品。用生物基塑膠取代化石燃料塑膠材料，可以減少我們對不可再生資源的消耗，並且從長遠來看更具有可持續性。然而，生物基塑膠有可能帶來與傳統化石燃料塑膠一樣的可持續處置挑戰。另一個挑戰是生命週期的可持續性分析，以及最大限度地減少生物基成分耕作過程中的水和燃料使用。

研究新型生物塑膠的研究人員必須在保持高效生產和高品質產品的同時平衡這些可持續性要求。當新的生物基塑膠配方被開發出來時，製造商需要進行嚴格的測試，以確保他們的最終產品滿足客戶的性能和可加工性期望，並且成本與化石燃料來源的塑膠相當。為此，必須對材料強度、耐久性、粘度、熱穩定性、相變和其他品質等參數進行量化。

製造可生物降解的塑膠

生物可降解塑膠提供了在使用後減少塑膠廢物的潛力，但這個術語本身適用於廣泛的生物降解性。今天的大多數生物可降解塑膠需要在特定的溫度和濕度條件下進行堆肥，這為新的聚合物提供了機會，它擴大了使用後在任何地方和更快地降解的可能性。3

生物降解塑膠可以來自生物基或化石衍生的材料（或兩者的混合），這需要進行上述的產品前測試，但又增加了設計分解的挑戰。塑膠製造商在設計新的混合物時，需要確保可加工性、產品性能，以及最終有效的生物降解性。

塑膠加工廠家的任務是設計出能夠承受正常使用但在廢棄後又容易降解的產品。材料測試幫助他們平衡必要的特性，並找到滿足整個聚合物生命週期所有要求的配方。熱分析幫助開發者優化塑膠在堆肥設施或垃圾填埋場的分解。這些測量可以為消費者說明提供資訊，以確保正確處理產品進行分解。機械分析也可以測量塑膠在加工、使用和分解時的強度和耐久性。

生物塑膠的材料分析

在任何塑膠原料中，材料分析對於優化加工條件和最終使用性能至關重要。新的生物塑膠配方需要更嚴格的測試，以確保其符合用戶標準，同時最大限度地實現可持續性

。以下材料分析技術在塑膠開發中已經很常見，但對於成功的生物塑膠創新來說更為關鍵。

熱分析測量溫度的變化如何影響材料的特性。熱分析儀器通常測量熱流、重量損失、尺寸變化或機械性能與溫度的關係。表徵熱性能對於生物塑膠材料的選擇和優化至關重要，它可以回答以下問題。

  • 這種材料在加熱加工時（包括成型或擠壓）會有什麼表現？
  • 如果在運輸或使用過程中被加熱或冷卻，該塑膠是否能保持其穩定性？
  • 該材料將如何分解？我們能否優化可生物降解塑膠的材料？

生物塑膠最常見的熱分析儀器是差示掃描量熱儀（DSC），它測量熱穩定性和相變， 以分析塑膠在不同條件下的行為。生物塑膠開發商使用熱重分析（TGA）進行精確的成分測定，包括揮發性或溶劑含量和填料含量（殘留物）。TGA還測量分解溫度以及產生的產品，這對設計可持續的生物降解塑膠至關重要。

機械分析包括各種技術來描述材料的機械性能或確定結構對力的反應。生物塑膠製造商使用動態機械分析（DMA）來測量儲存模量、損失模量、tan

delta和玻璃轉化（Tg）；這些測量有助於預測塑膠材料在設定溫度下對力和變形的反應。材料強度（用楊氏模量、屈服強度、極限強度、斷裂伸長率、疲勞和耐久性來測量）對於預測最終產品的行為至關重要，可以在機械測試負載框架上有效測量。

流變學是對材料的流動和變形的研究。流變儀測量生物塑膠的粘度，這對優化加工性能至關重要，特別是通過擠壓和吹塑。流變學還支援在開發新混合物時分析塑膠的均勻性和耐久性。

這些材料測量有助於生物塑膠生產的每一步，從評估特定原料的品質到測試最終產品的特性。隨著新的生物塑膠配方的開發，製造商將需要系統化的方法來加入新的混合物，同時保持效率，滿足客戶的期望，並使可持續性最大化。

生物塑膠的最佳材料測量方法

生物基和生物可降解塑膠提出了新的挑戰，然而製造商已經通過尖端的材料分析來迎接這一挑戰。在生產的每個階段對成分和材料行為的精確測量有助於設計和生產新的綠色塑膠產品。世界各地領先的生物塑膠開發商正在向TA儀器求助，TA Instruments 是熱分析、流變學、微熱量測定和機械測試儀器的世界領導者。TA Instruments 為測量材料性能設定了行業公認的標準，因此是頂級聚合物實驗室的首選品牌。

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References:

  1. 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
  2. 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
  3. 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/

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