自20世紀(jì)50年代廣泛使用以來(lái)，塑料產(chǎn)量飛速增長(zhǎng)，全球生產(chǎn)了超過(guò)3.8億公噸聚合物樹脂和纖維，而且其產(chǎn)量還在不斷增長(zhǎng)。這是因?yàn)樵谠S多方面，塑料是一種神奇的材料。

塑料是一種多用途、惰性材料，可以形成密封件，生產(chǎn)成本較低，來(lái)源豐富，重量輕，而且容易形成復(fù)雜的形狀。塑料有助于降低生產(chǎn)和運(yùn)輸成本，讓易腐物品更長(zhǎng)久地保持新鮮。如果沒(méi)有塑料，我們的生活會(huì)出現(xiàn)很多不便。

然而，我們應(yīng)該記住，塑料的特性在使其成為如此有用的材料的同時(shí)（例如其持久性、穩(wěn)定性和較低生產(chǎn)成本），還是導(dǎo)致其對(duì)環(huán)境造成非常大負(fù)面影響的原因。 目前生產(chǎn)的塑料的回收率只有16%，隨著我們?cè)絹?lái)越多地使用回收和可回收的聚合物，熱分析在確保這些新材料符合所需高標(biāo)準(zhǔn)方面發(fā)揮著重要作用。在我們發(fā)布的關(guān)于熱分析聚合物回收和再利用的博客中，可以了解更多此方面的信息。

熱分析是一項(xiàng)支持聚合物制造和新材料開發(fā)的優(yōu)秀技術(shù)。熱分析儀有助于確保您的產(chǎn)品始終達(dá)到客戶期望的等級(jí)，同時(shí)確保您的品牌始終為優(yōu)質(zhì)品牌。

如果您是聚合物或聚合物分析的新手，此處是我們的快速101概述。

聚合物的主要用途

包裝

毫不奇怪，包裝是聚合物的頭號(hào)用途，每年生產(chǎn)了1.46億噸包裝材料，這超過(guò)了聚合物總產(chǎn)量的35%。塑料是一種優(yōu)秀的包裝材料。由于重量輕，塑料可以降低運(yùn)輸成本，可以制成特定形狀來(lái)保護(hù)精致商品并形成密封件，因此有助于在全球運(yùn)輸過(guò)程中保持食物新鮮。

建筑和施工

純粹為建筑和施工行業(yè)生產(chǎn)6500萬(wàn)噸塑料。除成本較低外，容易成型的特點(diǎn)也讓塑料成為門窗型材和密封件的理想選擇。其持久性使之非常適合管道和地板覆蓋物，而且其低導(dǎo)熱性也使之成為理想的隔熱材料。與木材等更傳統(tǒng)的建筑材料相比，塑料也相對(duì)不易燃

織物

塑料的第三大用途是紡織品。每年生產(chǎn)了5900萬(wàn)噸塑料用于紡織品行業(yè)。其中大部分是服裝，聚酯和尼龍比棉花更便宜更輕薄，從而使服裝更輕便，生產(chǎn)成本更低。這些合成纖維還用于皮氈和地毯等軟裝飾，這些裝飾重量輕、價(jià)格便宜、耐磨且容易清洗。

消費(fèi)者和機(jī)構(gòu)產(chǎn)品

聚合物存在于大量產(chǎn)品（包括牙刷和家具）中，包括化妝品等快速消費(fèi)品（FMCG）。這是一個(gè)廣泛的類別，因?yàn)槌杀镜?，所以塑料在許多情況下（例如隱形眼鏡）都是合適的應(yīng)用材料。每年生產(chǎn)了4200萬(wàn)噸塑料用于該行業(yè)。

運(yùn)輸

通過(guò)提高汽車效率以減少有害溫室氣體排放的需求，推動(dòng)增加塑料在汽車和商用車輛中的使用。塑料是傳統(tǒng)汽車材料的優(yōu)秀輕量型替代品，如今丙烯腈丁二烯苯乙烯（ABS）等復(fù)雜的聚合物共混物和工程塑料很常見(jiàn)。僅交通行業(yè)每年就需要2700萬(wàn)噸塑料。

電氣/電子

每年產(chǎn)生1800萬(wàn)噸塑料用于生產(chǎn)電氣和電子產(chǎn)品。大多數(shù)塑料具有電絕緣性，這意味著它非常適合生產(chǎn)電氣安裝、電路板級(jí)封裝、絕緣材料，例如電纜護(hù)套和機(jī)電組件的非電氣零件。然而，現(xiàn)在已經(jīng)有導(dǎo)電塑料，且在組件的導(dǎo)電部分需要具備柔性或非常復(fù)雜的形狀時(shí)，需使用導(dǎo)電塑料。

工業(yè)機(jī)械

由于主要用途塑料每年的產(chǎn)量相對(duì)較低，僅為300萬(wàn)噸，因此工業(yè)機(jī)械行業(yè)在許多方面都使用塑料來(lái)減輕工廠設(shè)備的重量和減少其成本。

此外，每年還生產(chǎn)4700萬(wàn)公噸塑料用于各種小型行業(yè)。

塑料類型及其用途

聚苯乙烯（PS）

聚苯乙烯占?xì)W洲所有原生樹脂需求的6.1%，用于塑料杯、食品托盤、建筑絕緣和自行車頭盔的保護(hù)和隔熱。塑料還是包裝大型精致商品的重要組成部分，然而，其回收率相對(duì)較低。

聚氨酯（PUR）

2020年，PUR占?xì)W洲樹脂需求的7.8%，由于其能夠形成不同類型的材料，因此應(yīng)用廣泛。泡沫PUR用于絕緣產(chǎn)品，而柔性PUR是座椅和手柄的理想選擇。固體PUR具有高強(qiáng)度，適用于防護(hù)應(yīng)用領(lǐng)域。

聚對(duì)苯二甲酸乙二醇酯（PET）

我們的許多食品和飲料包裝都是由PET制成，包括塑料水瓶。這特別有用，因?yàn)樗芰虾芎玫貫檠鯕夂投趸嫉葰怏w提供屏障。這有助于保持食物新鮮和碳酸飲料起泡。2020年，PET樹脂占?xì)W洲所有原生樹脂需求的8.4%。

聚氯乙烯（PVC）

過(guò)去十年，已經(jīng)減少PVC或乙烯基的使用。這種樹脂曾經(jīng)是第二大廣泛使用的塑料樹脂，但如今PVC僅占全球需求的9.6%。其柔性和高沖擊強(qiáng)度意味著它仍然是電纜絕緣和管道、地板和墻壁覆蓋物、窗框和充氣泳池的材料。

高密度聚乙烯（HDPE）

顧名思義，HDPE具有非常密集的聚合物鏈，是一種高強(qiáng)度材料。這種材料適用于玩具、洗發(fā)水瓶子、牛奶瓶和管道。這種樹脂占樹脂需求的12.9%，易于回收。

低密度聚乙烯（LDPE）

LDPE具有相對(duì)簡(jiǎn)單的結(jié)構(gòu)，從而容易加工成產(chǎn)品，且成本較低。這種塑料適用于食品袋、塑料包裝、食物儲(chǔ)存容器和電線覆蓋物。2020年，盡管面臨一些回收挑戰(zhàn)，但LDPE占塑料樹脂需求的17.4%。

聚丙烯（PP）

PP強(qiáng)度高于LDPE，但密度不如HDPE，由于PP耐熱性良好，其是微波容器的理想選擇。這種材料也適用于保暖內(nèi)心和尿布。PP在所有塑料類型中的需求大，占所有塑料使用量的近20%。遺憾的是，這種塑料無(wú)法回收。

其他

18.1%的原生塑料樹脂需求兼有其他類型塑料的需求。其中包括重要的塑料類型，例如用于觸摸屏的PMMA、用于電信電纜鍍層的PTFE和用于汽車零件的ABS。

聚合物分析的主要目的是什么？

1.質(zhì)量控制

在生產(chǎn)環(huán)境中，聚合物分析的主要原因是質(zhì)量控制。成品的外觀和性能在整個(gè)零件壽命期內(nèi)是否符合要求？如果答案是否，則成品是否會(huì)在離開工廠之前報(bào)廢？或者，如果成本更高，客戶是否會(huì)拒收成品，或者您是否必須召回產(chǎn)品？顯然，由于聚合物基產(chǎn)品的規(guī)范如此嚴(yán)格，因此嚴(yán)格的質(zhì)量控制十分必須。

生產(chǎn)質(zhì)量控制有兩個(gè)主要選項(xiàng)：在線分析或離線分析。我們來(lái)看看兩者的優(yōu)缺點(diǎn)。

在線質(zhì)量控制

在這種情況下，您擁有系統(tǒng)，它是生產(chǎn)線重要的一部分，在生產(chǎn)過(guò)程中實(shí)時(shí)監(jiān)控產(chǎn)品。其反饋迅速，因此可以在出現(xiàn)問(wèn)題時(shí)立即停止生產(chǎn)。這就節(jié)省了金錢和時(shí)間。但其并不適用于所有類型的樣品，而且這些儀器在檢出限方面不如離線儀器。

離線質(zhì)量控制

在這種情況下，分析設(shè)備位于實(shí)驗(yàn)室或生產(chǎn)側(cè)，在生產(chǎn)時(shí)取出樣品或原材料進(jìn)行分析。這是聚合物生產(chǎn)中常見(jiàn)的分析類型。并非實(shí)時(shí)測(cè)量，但仍可以使用快速分析技術(shù)獲得相對(duì)快速的生產(chǎn)運(yùn)行反饋，此外，還可以選擇具有理想檢出限的設(shè)備。

離線質(zhì)量控制包括以下內(nèi)容：

• 目視檢查。這是檢查某物是否正確的簡(jiǎn)單、便宜的方法。其還適用于基本檢查，如產(chǎn)品的顏色是否正確，是否有裂縫或其他可見(jiàn)缺陷。然而，這對(duì)于操作者而言具有主觀性，且通常需要通過(guò)其他方法來(lái)提供支持。
  
  

• 化學(xué)分析。其非常適用于確定成分和找出存在哪些元素成分以及是否有任何元素組分缺失。如層析和XRF分析技術(shù)。層析需要一些時(shí)間，樣品制備相對(duì)復(fù)雜，而XRF更簡(jiǎn)單、更快速。
  
  

• 物理性能分析。熱性能和機(jī)械性能分析能在現(xiàn)場(chǎng)提供成分性能的直接信息。其包括如拉伸強(qiáng)度分析和沖擊試驗(yàn)等特定試驗(yàn)。物理性能分析有多種選擇，但熱分析是通用的方法之一，因?yàn)樗€能提供聚合物的構(gòu)成信息。它可用于檢查原材料的成分，也可用于成品，以確保內(nèi)部加工不會(huì)以非必要方式改變物理性能。

2. 研發(fā)

為特定應(yīng)用開發(fā)新材料需要進(jìn)行分析，以確保其外觀和性能符合預(yù)期。有時(shí)會(huì)開發(fā)一種全新的產(chǎn)品，使用熱分析等技術(shù)來(lái)檢查產(chǎn)品是否具有正確的物理性能。確保用于控制最終顏色的添加劑不會(huì)影響結(jié)晶或強(qiáng)度，這是在實(shí)驗(yàn)室檢查新配方的一個(gè)重要部分。

在檢查引入現(xiàn)有生產(chǎn)線的潛在新材料時(shí)也將進(jìn)行分析。例如，檢查使用回收材料是否會(huì)產(chǎn)生與原始聚合物相同的外觀和性能。

此外，使用聚合物分析是為了分析競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手的產(chǎn)品，以確定其成分構(gòu)成和物理規(guī)格。這有助于在客戶需要備用供應(yīng)商時(shí)，對(duì)零件進(jìn)行逆向工程。

熱分析的一個(gè)有用的應(yīng)用領(lǐng)域是可以預(yù)測(cè)新材料等的成分在其壽命期間的性能。稍后將更詳細(xì)討論特定的熱分析技術(shù)，但可以使用STA（同步熱分析）設(shè)備預(yù)測(cè)產(chǎn)品壽命，隨后使用高級(jí)軟件技術(shù)預(yù)估材料在標(biāo)準(zhǔn)使用條件下劣化所需的時(shí)間。這種分析能夠節(jié)省數(shù)年的開發(fā)時(shí)間。

3.故障排除和處理客戶投訴

這可用于進(jìn)行內(nèi)部故障排除以及處理客戶退貨或投訴。基于聚合物的產(chǎn)品問(wèn)題示例包括：

• 零件畸形或不透明

• 太硬或不夠硬而導(dǎo)致阻尼差

• 原材料不純

熱分析提供了結(jié)晶、材料添加劑、強(qiáng)度和硬度等信息?？梢越?jīng)常使用該系列技術(shù)來(lái)分析生產(chǎn)問(wèn)題的根本原因，或者通過(guò)展示材料的性能符合其應(yīng)有的要求來(lái)處理客戶投訴。

熱分析法用于聚合物分析

熱分析法（TA）是指在材料被加熱、冷卻或置于恒溫條件下時(shí)用于衡量材料性能隨時(shí)間或溫度所發(fā)生變化的方法。樣品質(zhì)量通常為mg并且所測(cè)材料的變化非常小。

檢測(cè)的材料性能包括樣品重量、剛度、溫度變化和樣品尺寸。這些可衡量的變化被繪制成熱分析圖，而熱分析圖的特征能提供有關(guān)材料基本特性的信息，如熔點(diǎn)、玻璃化轉(zhuǎn)變和結(jié)晶溫度等。由此可以測(cè)定材料的基本性能和成分，并預(yù)測(cè)材料在各種應(yīng)用場(chǎng)景中的性能。一個(gè)簡(jiǎn)單的例子是用于高溫應(yīng)用場(chǎng)景（如汽車發(fā)動(dòng)機(jī)）的塑料是否具有足夠高的熔點(diǎn)以在使用時(shí)保持固態(tài)。

熱分析的優(yōu)點(diǎn)

熱分析的主要優(yōu)勢(shì)在于其能精確分析散裝材料的基本特性。即使對(duì)于復(fù)雜的材料，也可以經(jīng)常梳理出組成聚合物的性能，以確定混合物的成分。其適用于各種材料，無(wú)需材料特定的校準(zhǔn)曲線，因此可以輕松研究新型材料。

樣品制備過(guò)程非常簡(jiǎn)單，無(wú)需處理有害的化學(xué)物質(zhì)，而且，只要稍加培訓(xùn)，任何人都可以進(jìn)行分析，尤其是使用自動(dòng)化程度很高的儀器。

分析程序相對(duì)較短，許多分析程序在一小時(shí)內(nèi)即可完成。這種設(shè)備運(yùn)行成本低廉，不用時(shí)不必保持設(shè)備待機(jī)，由此節(jié)省了電量和氣體消耗。

X射線熒光用于聚合物分析

因此，TA為材料驗(yàn)證和熱性能特征提供了出色的基線性能和靈敏度，而X射線熒光（XRF）分析儀則用于聚合物基質(zhì)中的元素和成分測(cè)量。

XRF分析的用途示例包括檢查原材料聚合物和成品中的氯含量，以說(shuō)明所用材料中是否存在PVC（以及潛在鄰苯二甲酸酯）。也可以用其來(lái)測(cè)定聚苯乙烯廢物中的溴含量。為將六溴環(huán)十二烷（HBCD）與其他溴化化合物分離，需要制備樣品。XRF還可以輕松測(cè)量塑料中的金屬含量。

XRF的優(yōu)點(diǎn)

XRF是一種快速無(wú)損技術(shù)，可以分析固體、粉末、液體和顆粒形式的聚合物，樣品制備過(guò)程非常簡(jiǎn)單。無(wú)損，可以用于檢查成品組件的最終元素成分。還可用于測(cè)量金屬鍍層的厚度和成分，如塑料組件上的金屬鍍層。