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

Recyklace polyetylénu je klíčová pro udržitelnou cirkulární ekonomiku a snižování emisí skleníkových plynů. Praktické použití recyklovaných plastů v obalovém, automobilovém či stavebním průmyslu bývá omezeno zhoršením mechanických a tepelných vlastností, které úzce souvisejí se změnami mikroskopické struktury polymeru.

Cíle a přehled studie

Cílem studie bylo komplexně posoudit vliv nově vyvinutého pokročilého recyklačního procesu na fyzikálně-mechanické vlastnosti a mikroskopickou strukturu recyklovaného polyetylénu (PE) získaného z obalových materiálů. Analýza zahrnovala srovnání materiálu před a po recyklaci pomocí multifaktoriálních testů.

Použitá metodika

• Statický tahový test (AGX-V2 + TRViewX) – stanovení modulu pružnosti a tažnosti až do přetržení
• Vysokorychlostní tahový test (HITS-TX) – hodnocení energie lomu a mezního napětí při různých rychlostech deformace
• Makrotvrdostní test (DUH-210) – dynamická ultra mikrotvrdostní měření podle ISO/TS 19278
• Diferenciální skenovací kalorimetrie (DSC-60Plus) – stanovení teploty nástupu krystalizace a měření tepla tání
• Skanningový sondový mikroskop SPM-Nanoa – vyhodnocení lokálního modulu pružnosti, morfologie lamel a rozložení mezivrstev s tie molekulami
• FTIR mapa (IRXross + AIRsight) – chemické zobrazení a distribuce fází PE a PP v průřezu

Použitá instrumentace

• AGX-V2 Autograph Precision Universal Testing Machine
• HITS-TX High Speed Tensile Testing Machine
• DUH-210 Dynamic Ultra Micro Hardness Tester
• DSC-60Plus Differential Scanning Calorimeter
• SPM-Nanoa Scanning Probe Microscope
• AIRsight Infrared and Raman Microscope (IR mode), IRXross

Hlavní výsledky a diskuse

• Tažnost při přetržení a energie lomu se po pokročilém recyklačním procesu významně zvýšily (průměrná tažnost z ~106 % na ~439 %).
• Modul pružnosti a mikrotvrdost HIT poklesly, což koresponduje se zvýšením podílu amorfní mezivrstvy obsahující tie molekuly.
• DSC ukázala pokles teploty nástupu krystalizace, což naznačuje vyšší zamotání řetězců a zpomalenou krystalizaci.
• SPM analýza odhalila nárůst podílu mezivrstvy (z 15,7 % na 26,8 %) a změnu distribuce lamel – kratší, tlustší lamely s menší orientací.
• FTIR mapování prokázalo redukci segregace polypropylénu v PE, směs je po procesu homogennější.

Přínosy a praktické využití metody

Metodika kombinuje běžně dostupné přístroje pro citlivou detekci změn mikroskopické struktury polymerů. Umožňuje vývoj a optimalizaci recyklačních technologií, zajištění kvality materiálů v QA/QC laboratořích a předpověď chování plastů při reálném namáhání.

Budoucí trendy a možnosti využití

• Rozšíření hodnocení na jiné typy plastů (PP, PET, směsi).
• Integrace in-line a on-line senzorů pro kontinuální monitoring během recyklace.
• Kombinované multimodální zobrazování (RAMAN-IR-SPM) pro real-time analýzu struktury.
• Strojové učení pro automatizované vyhodnocení obrazových dat a predikci vlastností.

Závěr

Studie potvrdila, že pokročilý recyklační proces významně zlepšuje tažnost a odolnost recyklovaného PE díky modifikaci mikroskopické struktury. Kombinace mechanických testů, termické analýzy, mikrotvrdosti a mikroskopie SPM spolu s chemickým mapováním představuje účinný přístup k hodnocení a optimalizaci recyklovaných plastů.

Reference

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