闭环回收:聚丙烯经过多次加工后还能保持哪些性能?

三点弯曲试验。图片来源:SAMPE Europe 2025,第 9 页图 13;该图引用 Severin Huber [SH-2024]。
制造零件、将其粉碎,再用回收材料制造新零件:这就是实验中的闭环回收。然而,当这一过程反复进行时,塑料会发生什么变化?仍然能够加工,是否就意味着材料仍然适用?
瑞士东部应用科学大学(OST)材料技术与塑料加工研究所(IWK)的一项研究探讨了这些问题。Jasper Hollender 与 Josip Dubravac 在专业文章中介绍了研究结果,Dubravac 也在 RAKUFO 报告中进行了讨论。这项研究的实用价值在于对差异的分析:有些性能相对稳定,有些则明显变化。[1, 2]
这项研究中的“闭环”指什么?
研究考察了三种聚丙烯体系:PP 均聚物、PP 共聚物,以及含有 PE 的市售消费后再生 PP。注塑后,除保留用于测试的样品外,试样被粉碎并重新加工。研究人员有意保持加工参数不变,以便更好地将变化归因于材料状态。[1]
均聚物的研究范围达到十二次回收循环,另外两种体系达到二十次。这一受控流程体现的是重复加工,并不证明产品能够经历二十次包含使用、污染、收集和回收料品质变化的真实生命周期。
“消费后”与“闭环”描述的也不是同一件事:前者指投入材料的历史,后者在这里指实验中重复加工的组织方式。建立工业循环需要了解这两个方面。
流动更容易,不代表延伸能力更好
随着循环次数增加,三种材料的流动性都提高了。作者将这一趋势与长聚合物链的降解和熔体黏度降低联系起来。这也会影响注塑过程中的充模、压力和计量行为。[1]
所研究的 PP 均聚物尤其能说明这一差异:在文中报告的对比中,其屈服应力从 36.0 降至 35.4 MPa,而断裂伸长率从 20% 降至 10%,减少了一半。MFI 明显升高。[1]
同一种塑料,不同的性能变化
屈服应力
断裂伸长率
MFI 明显升高
屈服应力表示材料转向永久变形时的应力。断裂伸长率描述拉伸试样在断裂前能够伸长的程度。MFI(熔体质量流动速率)表示在规定试验条件下流出的熔体质量。这些指标回答的是不同的问题。因此,更高的 MFI 并不自动意味着“更好的材料”;屈服应力基本不变,也不代表所有力学性能都得到了保留。
对于产品开发,如果只关注某项保留良好的指标,就可能忽略对最终零件至关重要的变化。
三种 PP 体系为何表现不同?
所测试的共聚物对重复加工较为敏感。含 PE 的 PCR-PP 在多个指标上表现出更稳定的变化趋势。这并不意味着 PCR 总是更好,或共聚物必然更差;结论适用于本次测试的材料和条件。[1]
试验温度同样关键:所研究的共聚物在多个测试状态下于室温仍具有抗冲击能力,但在 −20 °C 时冲击强度显著下降。因此,用于低温环境的材料应在预定使用温度下进行测试。[1]
作者还观察到方向相反的效应:PCR-PP 在室温下的无缺口冲击强度有所提高。一种可能的解释是材料各相的分布或均匀性得到改善。但与此同时,其他性能仍可能下降。因此,材料评价需要综合多个相关指标。
外观同样重要。研究中,颜色和光泽随加工历史而变化。对于可见的外壳,即使力学功能仍然满足要求,这种变化也可能影响适用性。[1]
应用示例:这对卡扣意味着什么?
卡扣需要在扣合时发生变形,随后可靠地保持连接。根据应用不同,这一过程可能要反复进行,也可能发生在低温环境下,或需要长时间保持。仅凭刚度无法判断是否满足这些需求。
IWK 的结果有助于提出正确的问题:零件需要承受多大的变形?哪项性能限制了其功能?不同加工历史会产生多大影响?
拉伸试样的断裂伸长率不能直接换算为可开启次数。最终认可需要在约定使用条件下对适当的样件进行测试。卡扣是我们的应用分析示例,并非 IWK 研究中的测试对象。
- 01
功能
确定变形和保持连接的要求。
- 02
条件
明确温度、载荷与重复使用条件。
- 03
测试
测试合适的样件,而非仅参考数据表。
- 04
决策
结合材料与零件完成认可。
稳定化是一种开发途径,并不意味着无限寿命
专业文章与 RAKUFO 报告还探讨了利用添加剂进行稳定化。试验显示,某些性能及老化行为可以受到影响。报告中也比较了添加与未添加添加剂的样品。[1, 2]
专业文章还报告了内部初步试验:经过五次回收循环后,通过使用适当的添加剂,可使性能水平接近原生料状态。作者将其视为初步结果,添加时机、用量和添加剂类型仍在进一步研究中。[1]
这是有价值的开发方向,但不意味着所有初始性能都能恢复。加速老化试验也不能直接确定真实使用中的固定寿命。材料体系、稳定化、加工与应用需要共同评价。
报告还讨论了能源优化。能耗、周期时间和质量属于同一个生产决策框架。单个参数经过优化,并不足以证明整个工艺适合某一应用。[2]
可靠的材料循环需要回答哪些问题?
对于 Ocean Material,可以归纳为四个实际问题:材料来自哪里?经历过哪些加工?下一个零件需要什么性能?如何证明满足这些要求?
这些问题连接了采购与产品开发。询价时提供应用、几何形状、载荷、环境及计划采用的加工方式,有助于开展评估。在此基础上,我们支持材料方案的选择,并与客户和合作制造商协调文件及测试要求。
封闭的材料流只是起点。只有证明下一个零件也满足要求,循环才具有技术上的可靠性。
与我们和 MeSentia 的开发方向如何关联?
SAMPE Europe 2025 论文提供了补充视角。在涉及 MeSentia、Inspire 与 OST IWK 的案例中,研究人员考察了轻质夹层结构,其中包括采用完全再生天然纤维增强 PP 制成的示范件。对于所测试的结构,作者报告其在重量低于 OSB 参照件的情况下,实现了可比的弯曲性能。[3]
对我们的开发方向而言,这将材料测试与零件设计联系起来。但这是另一项研究:IWK 关于重复注塑的结果,并不能证明我们与 MeSentia 推进的工艺可以经历多少次回收循环。Ocean Material 不是这些研究的作者。
来源与研究背景
[1] Jasper Hollender、Josip Dubravac(OST IWK):Abbauverhalten beim wiederholten Spritzgiessen。KunststoffXtra,2026 年 4 月 27 日。所提供的 PDF,第 1–9 页。本页图表依据已发表数值制作,并非我们的原始测量数据。
[2] Josip Dubravac(OST IWK):Nachhaltiges Spritzgiessen: Energieoptimierung und Recyclingkreisläufe für eine ressourcenschonende Produktion。第 21 届 RAKUFO,2026 年 9 月 3 日,重点参见幻灯片 17、20–24。报告与文章属于同一研究方向,不是两项独立验证研究。文件并未将 Ocean Material 或 MeSentia 列为被测 PP 材料的供应商。
[3] Florian Langenegger、Markus Zogg(Inspire AG)、Yanick Hauser、Gion Andrea Barandun(OST IWK):Lightweight Structures with High Recycled Material Content Made by Hot-Cold Flow-Press-Forming。SAMPE Europe Conference 2025,阿姆斯特丹,第 4.2 节,第 10–12 页。题图来自第 9 页图 13 的另一项案例;该图标注来源 [SH-2024]:Severin Huber,Optimierung einer Leichtbaustruktur,ETH Zürich 学期论文,2024 年秋季学期。



