Multifaceted Evaluation of Changes in Physical Properties of Recycled Plastics by Advanced Recycling Process and Influencing Microstructural Changes (Part 1): Example of Application to Container/Packaging-Derived Recycled Polyethylene

Význam tématu

S rostoucím tlakem na udržitelnost a oběhové hospodářství narůstá význam recyklace plastů.
Mechanické a termální vlastnosti recyklovaných materiálů se však často zhoršují, což omezuje jejich opětovné využití v náročných aplikacích.
Pochopení a kontrola mikroskopických fyzikálních struktur je klíčová pro zlepšení kvality a životnosti recyklátů.

Cíle a přehled studie / článku

Cílem studie bylo vyhodnotit vliv vyspělé recyklační technologie vyvinuté na Fukuoka University na fyzikální vlastnosti recyklovaného polyethylenu (PE) z obalových materiálů.
Byly porovnány materiály s a bez této technologie z hlediska mechanických vlastností, termálních vlastností a mikroskopické struktury.

Použitá metodika a instrumentace

Ultrarychlý a statický tahový test:

• AGX-V2 Autograph se snímáním deformace TRViewX
• HITS-TX pro high-speed tahové testy

Tvrdostní a teplotní charakterizace:

• DUH-210 Dynamic Ultra Micro Hardness Tester
• DSC-60 Plus pro stanovení teplot krystalizace a tepla tání

Mikroskopické a chemické mapování:

• SPM-Nanoa Scanning Probe Microscope pro zobrazení elastického modulu a topografie
• AIRsight infrared a Raman microscope pro FTIR mapování složení

Hlavní výsledky a diskuse

• Strain at break u vzorků s vyspělým procesem se zvýšila průměrně z ca 106 % na ca 439 %.
• Modul pružnosti i indentační tvrdost HIT poklesly po vyspělé recyklaci, což indikuje vyšší podíl vazebních (tie) molekul.
• Teplota krystalizace se po vyspělé recyklaci mírně snížila, což ukazuje na zpomalení tuhnutí díky vyššímu počtu entanglementů.
• SPM analýza potvrdila významné zvýšení podílu mezivrstvy (100–200 MPa) s tie molekulami z 15,7 % na 26,8 % při zachování proporce krystalických oblastí.
• FTIR mapování odhalilo homogenější rozložení PE a snížení lokální segregace PP u vzorků po vyspělé recyklaci.

Přínosy a praktické využití metody

• Možnost nastavit recyklační proces tak, aby recykláty dosahovaly lepšího poměru houževnatosti a pevnosti.
• Využití kombinace běžných instrumentů pro rychlé a citlivé hodnocení kvality recyklátů bez náročné přípravy vzorku.
• Prediktivní odhad chování materiálů ve výrobních a konstrukčních aplikacích.

Budoucí trendy a možnosti využití

• Integrace on-line monitoringu mikroskopické struktury během recyklačního procesu.
• Využití strojového učení pro optimalizaci parametrů zpracování a předpověď vlastností recyklátů.
• Rozšíření přístupu na další druhy polymerních směsí a kompozitů.
• Studium vlivu aditiv a kompatibilátorů na mikroskopickou strukturu a mechaniku recyklátů.

Závěr

Studie prokázala, že vyspělý recyklační proces významně zvyšuje tažnost a houževnatost recyklovaného PE díky úpravě mikroskopické struktury.
Zvýšení podílu mezivrstvy s vazebními molekulami a homogenizace rozložení PP přispívají ke zlepšení mechanických vlastností.

Reference

1. Yao S., Tominaga A.: Novel Technology Development on Plastic Material Recycling, Haikibutsu Shigen Junkan Gakkaishi 29(2):116–124 (2018).
2. Present and future of waste plastics: plastic resource circulation in sustainable society, The Japan Institute of Energy, s. 147.