塑料是解决世界上 “可持续性”挑战关键材料。减少塑料浪费的一条途径是增加循环性，形成闭环，让材料持续发挥作用。实际上，循环经济由许多不同规模的循环组成，例如，捕获边角料并将该材料送回料斗进行另一次生产运行。这种方法能够在性能明显受损之前多次循环相同的聚合物，但仅可以涵盖非常少量的材料，其他消费后材料，例如大量的一次性包装，是一个更艰巨的挑战。将塑料废物纳入循环，如何确保仍然符合标准？如何使得成本得到管理，同时质量和安全不受损害？这需要对所涉及的化学品和材料有深入的了解。因此，分析设备和结果的可信度是成功的关键。
消费后树脂
消费后再生材料，从广义上讲，这里有两种主要方法，最常见的是机械回收，此外还有目前规模较小但增长较快的化学回收。这些连接在塑料价值链中的不同节点，每种都有自己的实施挑战。
图1. 塑料价值链的简化示意图，显示了机械和化学回收如何反馈到循环经济中。
政府正在设定使用机械回收聚合物的目标，要求在原始聚合物中添加一定比例的消费后树脂（PCR）。例如，根据一次性塑料（SUP）指令，欧盟已要求该行业在2025年前将25%的可回收成分纳入PET瓶中，在2030年前需达到30%的可回收含量纳入所有塑料瓶中。这对企业（尤其是目标高价值市场的企业）来说是一个巨大的挑战。安全和性能是两个关键环节，其中安全是最关键的。对生命周期内潜在污染、材料年龄、降解等了解越多，对安全方面就越有信心。例如，直接从用户那里进入PET回收箱的PET瓶与从海洋中收集的PET瓶的前景截然不同。
从性能的角度来看，也存在许多挑战，例如：
在寿命或回收过程中，聚合物是否降解？
是否有混合类聚合物，如果有，是什么，多少？
是否有任何可能影响性能的组件，无论是残留物还是污染物？
批次间的一致性是什么？
在某些时候，材料超出了机械回收的范围，此时化学回收成为最佳选择。由于化学回收将塑料转化为新的合成原料，对于杂质和污染物需要进行更严格的分析研究。
通过分析来理解，需要考虑的因素有很多，但它们都陷入了“价格 - 性能 - 质量”的难题，质量实际上就是安全。对于许多行业来说，法规或指导方针已经到位，例如食品接触材料（FCM）有严格的要求。然而，使用回收材料时化学风险很大，因此需要一种筛查方法，检测到潜在风险性。
图2. FCM在其生命周期内的潜在污染途径。
化学安全表征
为了覆盖更多的化学成分，特别是检测和解析非有意添加的物质（NIAS），使用高分辨率质谱（HRMS），在样品中检测到大量化合物信息，并与库进行对照以降低复杂性，剩下的可以进一步解析。下面的案例中显示了检测和解析Irganox 245的过程。通过使用MS/MS二级质谱，可以检测母体离子和碎片离子，从而为化学结构和鉴定提供高度的确定性，并使用标准品进行确认。（有关NIAS分析更详细概述，请参阅Technical Note 720005688EN。）
图3. HRMS数据在顶部窗口中显示了Irganox 245(604.383 m/z)的检测结果以及推荐的化学结构。下窗口显示了碰撞后质量碎片m/z以及结构。
在高分辨率质谱分析中还可以扩展很多技术，以帮助进一步表征分析物。例如利用大气压气相色谱（Py-APGC HRMS）的软电离热解。软电离比传统的GC-MS更好地保持了分子离子，有助于挥发性和半挥发性成分的解析。下面的例子显示了生物基塑料袋中存在的芥酸酰胺的解析。
图4. MSE模式下m/z 338.3423芥酸酰胺质?化离?的?能量碎片谱图和低能量母离子谱图。质量碎?由MassFragment分配。
HRMS是一种非常强大的技术，可以发现和阐明给定样品中存在的化学成分，进行风险的把控。当需要遵循严格的标准进行含量测定时，需要使用黄金的定量方法 - 串联质谱法（TQ）。
例如，备受关注的全氟化合物（PFAS）是已知的环境污染物。在以下示例中，使用串联四极杆质谱仪，在低浓度下提供高灵敏的检测和定量，通过有针对性的方法完成了ng/g级别的痕量分析。
图5. TQ-MS数据显示了PFAS化合物的定量峰，下表显示了检测到的各种PFAS及其浓度。
除了检测能力，提高自动化程度也是有利的。样品制备通常是实验室分析员最耗时但最关键的步骤。样品制备步骤中出现的任何错误都将伴随整个分析过程，可能导致结果偏差，在极端情况下导致分析失败。移液机器人可以接管这一流程，下面以六种N-亚硝胺杂质为例，这是近年来备受关注的另一类化学物质。
图6. Andrew+移液机器人甲板布局，用于连续样品稀释和校准曲线生成，6种n-亚硝胺类杂质的线性动态范围为0.025 ~ 50 ng/mL，线性拟合≥0.999。
性能特性表征
除了影响安全性，残留物、污染物和非预期的添加剂也会显著影响性能特征。例如，它们可能会破坏结晶度，对机械性能产生影响。图7所示的数据是不同颜色笔帽的差示扫描量热法（DSC）得到的结果。不同颜色材质（着色剂不同），展示不同的结果。线的斜率是Avrami几何指数n，线的位置与结晶速率有关 - 从右向左移动是更快的结晶速率，这可能意味着不同的加工特性。
图7. DSC的Avrami数据拟合，不同颜色的记号笔帽。
塑料制品在其整个生命周期中会经历各种工艺条件、环境而产生降解，从而影响性能。从反复的热循环到极端压力再到紫外线降解，随着聚合物的降解，性能降低。重要的是，降解物本身被认为是NIAS，并可能通过迁移造成潜在危害。在以下示例图8所示，体积排阻色谱法（SEC）与粘度计和光散射检测器结合使用，不仅可以探测分子量和分子量分布，还可以探测降解的结构影响。
图8. SEC数据显示，随着聚合物的降解，峰形状向更高的保留体积转变，显示了Mw的减小；随着更多链的降解，分散性（Mw/Mn）变宽；随着Mw的降低，特性粘度下降，以及尺寸Rh的减小。
材料循环经济中安全性和性能不能妥协，通过更深入地了解材料，包括可迁移物、污染物，可以提高其在另一个生命周期中的价值。利用高分辨率质谱（HRMS）等分析技术发现潜在的迁移物并识别污染物是建立安全的关键步骤。SEC和DSC等技术提供了对性能特征的表征。多种技术结合助力塑料生命周期行程闭环，实现可持续发展目标。
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