优化聚合物配制物的可持续性足迹的方法与流程

优化聚合物配制物的可持续性足迹的方法
1.本发明涉及包含回收的聚烯烃和/或工程热塑性塑料的聚合物组合物。
2.从能源需求、碳排放物、化石原料消耗以及环境污染的角度来看，鉴于目前和将来对材料循环使用的需求增加，支持减少材料足迹，材料行业继续寻求在改进其材料产品的这种循环性上的发展。
3.目前，价值链上的各方提供了各种材料方案，包括在聚烯烃和工程热塑性材料领域。这些方案通常包括使用一定比例的回收材料。然而，材料的应用对例如品质、外观和可加工性施加的要求往往对回收材料在这种应用的材料方案中的使用构成了限制。有各种原因导致回收材料的使用受到限制，包括所供应的回收材料料流的组成变化、回收材料中存在的污染物、颜色的变化和由于材料经受多个热加工步骤而导致的材料降解。
4.为了克服这些限制，材料供应商通常需要提供技术方案，其中回收材料仅构成组合物的一部分，并辅以高品质的聚合物材料，这些聚合物材料按照基于常规化石原料的常规方法生产。
5.这样一来，包含回收聚合物材料的材料的循环性受到损害，因为这种材料组合物的仅来源于回收料流的部分可被理解为具有循环用途，而其余部分(往往构成材料组合物的非常重要的部分(诸如75％))实际上表现出与任何常规的、基于化石的聚合物材料非常相同的足迹；此外，还需要进行加工步骤(诸如经由熔融挤出的配混步骤)，这也不利于这种组合物的能源和碳足迹。
6.因此，仍然需要增加聚合物组合物、特别是聚烯烃组合物中的来源于从先前的消费者应用中回收的聚合物的材料部分。
7.特别地，仍然需要生产具有[指定所需材料性质]的聚烯烃组合物，其中使用的回收材料的量最大化。
[0008]
本发明人已开发了用于对聚合物配制物的可持续性足迹进行这种优化的方法，其中该方法包括：
[0009]
a.识别待存在于聚合物配制物中的一种或多种材料规格；
[0010]
b.识别聚合物配制物中待优化的一个或多个可持续性标准；
[0011]
c.提供可经选择用于聚合物配制物的材料库；
[0012]
d.提供计算机实施的算法，用于计算选自库中的每种材料对实现聚合物配制物的所需材料规格的贡献；
[0013]
e.提供计算机实施的算法，用于计算选自库中的每种材料对优化聚合物配制物的所需可持续性标准的贡献；和
[0014]
f.计算聚合物配制物的组成，其中聚合物配制物显示可持续性标准的最优值，同时满足材料规格。
[0015]
这种方法通常包括应用多因子计算参数，这些参数共同归因于获得所需的物质组成，使得达到最优组成以实现材料规格以及可持续性规格。特别地，它允许在不需要进行复杂的实验研究的情况下达到这种组成，从而能够迅速和经济地做到这一点。
[0016]
在合适的实施方案中，该方法在计算机上执行。例如，在该方法中，材料库可为存
储在计算机上的数据库，
[0017]
当努力使用聚合物材料的废弃料流时，人们通常面临着在组成上可显著波动的材料料流或材料批次的可用性。一批废弃的聚合物材料、特别是消费者使用后收集的废弃物，通常被称为消费后回收塑料废弃物或pcr，通常含有各种塑料材料；最终进入pcr料流的一种废弃物元素与下一种元素的性质可有很大不同；举例来讲，洗发水瓶通常由聚合物材料制造，这种聚合物材料与制造蔬菜包装的聚合物材料完全不同，同样与可制造饮料瓶的聚合物材料完全不同。但所有这些和更多的材料最终都会出现在pcr料流中，而且通常是以不同的比例出现。更为复杂的是，可用于同一类型包装的同一类型的聚合物材料可包含相当不同的成分，这取决于聚合物材料来自哪个制造商；来自第一个生产商的聚乙烯组合物可与来自第二个生产商的聚乙烯组合物在性质上有很大不同。甚至，由不同生产商引入聚合物配制物的成分可能够实现相同的性质，当结合到回收配制物中时可对该性质起到反作用。
[0018]
因此，从上文中，人们会理解当想要提供具有始终如一高品质的产品并且可大量提供时，使用回收塑料存在相当艰巨的挑战。
[0019]
在废塑料料流(诸如pcr料流)的加工领域，存在某些技术，并且正在进一步开发，以将所提供的废弃物料流分离成性质更一致的某些料流。这种分离方法可包括某些自动分拣方法以及在某些情况下的人工分拣方法，可产生组成相当稳定并可相当适合用于经由机械回收方法转化为具有某些规格的回收聚合物材料的某些料流，以及可产生组成变化较大并且品质可不太适合用于机械回收的某些料流。
[0020]
为了使后一种品质较差、组成变化较大的废塑料料流适合作为某些性质要求较高的应用中的聚合物材料，除了直接的机械回收外，还有转化方法可用，而且正在开发中。例如，这种转化方法可包括某些化学回收方法，其中经由化学方法可将废弃物料流转化为与目前经由常规的、通常是基于化石的聚合物制造方法来制造聚合物所用的组成部分具有相等的品质和纯度的聚合物的组成部分。
[0021]
经由基于废聚合物料流的化学转化方法，使用这种聚合物的组成部分(通常也被称为单体)允许制造与基于常规原料的常规聚合物品质完全相同的聚合物。因此，使用这种聚合物的聚合物材料或组合物的性质与使用常规材料的聚合物材料或组合物的性质一样好。使用这种材料的优势显然与改进碳足迹和材料足迹有关。这呈现了特别期望的机会来生产最高品质的应用。
[0022]
尽管如此，经由机械回收使用废塑料的路径可提供在能源、碳和/或材料消耗方面的足迹比经由化学转化路径转化废塑料更有吸引力的选择。
[0023]
从上文可理解，达到具有某些所需的指定产品性质的聚合物组合物同时确保最优化的碳、能源和材料足迹的过程是非常复杂的过程，其中本方法为实现此结果提供了宝贵的支撑。
[0024]
由于聚烯烃在许多应用领域、特别是在非耐用的应用领域例如许多包装应用中形成了无处不在的聚合物材料。这种塑料包装材料通常在一次使用后就会被处理掉，而且由于日益确立的废塑料收集方法在pcr料流中可用，通常形成pcr料流中塑料的主要部分。因此，本发明特别旨在提供废聚烯烃料流的利用方法。
[0025]
在本发明的某些具体实施方案中，该方法包括聚合物配制物包含一种或多种机械
回收的、优选消费后机械回收的聚合物组合物作为选自材料库中的材料。这将有益于聚合物配制物的可持续性足迹。
[0026]
在其它具体的实施方案中，本发明的方法包括聚合物配制物包含一种或多种化学回收的、优选消费后化学回收的聚合物材料作为选自材料库中的材料。这也将为聚合物配制物的可持续性足迹提供益处。通过对废聚合物材料进行化学回收处理获得的聚合物材料和组合物的特别优势是，这样可对聚合物废弃物部分进行加工，这些废弃物部分在性质上不适合以其聚合物形式直接应用于制造具有所需和期望产品品质的新制品。这可能是由于废聚合物的某些组合物含有在其生命周期中经受降解的聚合产品。此外，这可能是由于废塑料组合物中的聚合材料组分变化较大，通过例如热熔融挤出方法、注塑方法或热成型方法不可能将热塑性塑料直接转化为新的可用产品。在这种情况下，经由化学回收对废聚合物料流进行转化(其包括将聚合材料分解成合适的化学组成部分，分离出这种分解产生的各种组成部分，并由化学组成部分的这种分离的料流生产出所需的聚合物材料)可生产出规格和品质与从经由常规来源(诸如化石烃料流)获得的化学组成部分生产的聚合物相同的高品质聚合物，同时提供某些可持续性益处，这些益处源于用于生产这些聚合物的进料是废聚合物材料的事实。
[0027]
特别地，本发明的期望实施方案涉及一种方法，其中聚合物配制物包含一种或多种机械回收的聚合物组合物、优选消费后机械回收的聚合物组合物，以及一种或多种化学回收的聚合物材料、优选消费后化学回收的聚合物材料。在这种情况下，该配制物提供了来自机械回收聚合物组合物的可持续性足迹方面的有利益处，以及来自化学回收聚合物材料的效果以弥补该配制物需要提供的所需材料规格(这些规格通常在机械回收聚合物组合物中由于其首次使用而劣化)，同时结合通过化学回收聚合物材料额外提供的可持续性足迹方面的益处。
[0028]
在特别优选的实施方案中，包含在聚合物配制物中的所有聚合物材料是选自材料库中的机械回收聚合物组合物、选自材料库中的化学回收聚合物材料或它们的组合。在这种情况下，相对于包含基于常规的、通常基于化石的化学组成部分的聚合物材料的聚合物配制物，聚合物配制物中的所有聚合物材料将提供某些可持续性优势。
[0029]
在本发明的方法中，为使算法能够计算出最优的聚合物配制物可采用的可持续性标准可例如选自：制造聚合物配制物中的能源消耗、制造聚合物配制物中的co2排放、制造聚合物配制物中用作原料的化石原料的量、制造聚合物配制物中使用的基于化石燃料的能源的量和在制造聚合物配制物中使用的原料的运输中消耗的能源的量。
[0030]
在本发明的方法中，为使算法能够计算出最优的聚合物配制物可采用的材料规格可例如选自：分子量分布、共聚物分布、抗压性、蠕变性能、膜密封强度、膜拉伸性、膜收缩行为、膜抗穿刺性、膜撕裂强度、冲击强度、抗应力开裂性、雾度、光泽度、透明度、抗刮擦性、摩擦学性质、表面粗糙度、抗uv性、抗化学性、感官性质、熔体质量流动速率、密度、挠曲性质、拉伸性质以及这些规格中每一项的标准偏差。例如，冲击强度可为根据2019年的iso 180，方法a，在23℃和/或-30℃测量的izod缺口或无缺口冲击强度，或根据2010年的iso 179-1，在23℃和/或-30℃测量的charpy冲击强度。例如，抗应力开裂性可为根据astm d1693-15e1测定的escr。例如，熔体质量流动速率可根据2013年的astm d1238，对于聚乙烯材料在190℃，或对于聚丙烯材料在230℃，使用2.16kg、5kg、10kg或21.6kg的负荷来测定。例如，挠曲
性质可为根据2019年iso 178测定的挠曲模量和/或挠曲强度。例如，拉伸性质可为根据2012年的iso 527-1测定的弹性模量、屈服应力、断裂应力、屈服应变和/或断裂应变。
[0031]
聚合物配制物可例如为基于聚乙烯的聚合物配制物。优选地，聚合物配制物包含基于聚合物配制物中聚合物材料的总重量计》50.0重量％、更优选》75.0重量％、甚至更优选》90.0重量％的聚乙烯。特别优选地，聚合物配制物中的聚合物材料的总量由聚乙烯组成。
[0032]
聚合物配制物可包含单一聚乙烯型材料，或可包含多种聚乙烯型材料。例如，聚合物配制物可包含至少两种不同的聚乙烯型材料、优选至少三种不同的聚乙烯型材料。在本发明的上下文中使用的聚乙烯型材料也可理解为聚乙烯等级。
[0033]
在本技术的上下文中，合适的聚乙烯材料可为低密度聚乙烯(ldpe)、线性低密度聚乙烯(lldpe)或高密度聚乙烯(hdpe)。优选在本发明的方法中使用的机械回收的聚合物组合物包含相对于组合物的总重量计≥70.0重量％的hdpe、ldpe和/或lldpe。
[0034]
例如，hdpe可具有≥940kg/m3且≤975kg/m3、优选≥945kg/m3且≤970kg/m3、更优选≥950kg/m3且≤965kg/m3的密度。例如，ldpe可具有≥900kg/m3且≤935kg/m3、优选≥910kg/m3且≤930kg/m3、更优选≥915kg/m3且≤930kg/m3的密度。例如，lldpe可具有≥850kg/m3且≤935kg/m3、优选≥870kg/m3且≤925kg/m3、更优选≥900kg/m3且≤925kg/m3的密度。在本发明的上下文中，聚乙烯的密度根据astm d792(2008)测定。
[0035]
进一步优选地，ldpe、hdpe和lldpe中的每一者具有根据astm d1238(2013)在190℃的温度、2.16kg的负荷下测定的≥0.1g/10min且≤10.0g/10min、优选≥0.1g/10min且≤5.0g/10min、更优选≥0.1g/10min且≤2.0g/10min的熔体质量流动速率。
[0036]
进一步优选地，化学回收的材料是高密度聚乙烯(hdpe)、低密度聚乙烯(ldpe)或线性低密度聚乙烯(lldpe)。
[0037]
聚合物配制物可例如包含相对于聚合物配制物的总重量计≥10.0重量％且≤90.0重量％、优选≥20.0重量％且≤80.0重量％、更优选≥30.0重量％且≤70.0重量％的消费后机械回收的聚合物组合物和/或相对于聚合物配制物的总重量计≥10.0重量％且≤90.0重量％、优选≥20.0重量％且≤80.0重量％、更优选≥30.0重量％且≤70.0重量％的消费后化学回收的聚合物材料。
[0038]
根据本发明的聚合物配制物可例如通过熔融挤出或通过粉末混合制造。
[0039]
聚合物配制物可例如为基于聚丙烯的聚合物配制物。优选地，聚合物配制物包含相对于聚合物配制物中聚合物材料的总重量计》50.0重量％、更优选》75.0重量％、甚至更优选》90.0重量％的聚丙烯。特别优选地，聚合物配制物中聚合物材料的总量由聚丙烯组成。
[0040]
聚合物配制物可例如为基于聚碳酸酯的聚合物配制物。优选地，聚合物配制物包含相对于聚合物配制物中聚合物材料的总重量计》50.0重量％、更优选》75.0重量％、甚至更优选》90.0重量％的聚碳酸酯。特别优选地，聚合物配制物中聚合物材料的总量由聚碳酸酯组成。
[0041]
聚合物配制物可例如为基于聚酰胺的聚合物配制物。优选地，聚合物配制物包含相对于聚合物配制物中聚合物材料的总重量计》50.0重量％、更优选》75.0重量％、甚至更优选》90.0重量％的聚酰胺。特别优选地，聚合物配制物中聚合物材料的总量由聚酰胺组
成。聚酰胺可例如为聚酰胺-6、聚酰胺-6,6、聚酰胺-12、聚酰胺-4,6或使用脂族二羧酸或芳族二羧酸与芳族二胺或脂族二胺生产的任何其它聚酰胺。聚合物配制物可包含一种单一聚酰胺或可包含不同聚酰胺的混合物。
[0042]
聚合物配制物可例如为基于热塑性聚酯的聚合物配制物。优选地，聚合物配制物包含基于聚合物配制物中聚合物材料的总重量计》50.0重量％、更优选》75.0重量％、甚至更优选》90.0重量％的热塑性聚酯。特别优选地，聚合物配制物中聚合物材料的总量由热塑性聚酯组成。热塑性聚酯可例如为聚对苯二甲酸乙二醇酯、聚对苯二甲酸丁二醇酯或聚呋喃酸乙二醇酯。聚合物配制物可包含一种单一热塑性聚酯或可包含不同热塑性聚酯的混合物。
[0043]
在某些实施方案中，本发明还涉及根据本发明的方法获得的聚合物配制物。
[0044]
用于计算所选材料对实现材料规格和可持续性标准优化的贡献的计算机实施的算法可例如包含描述材料的选择对各种材料规格和可持续性参数的影响的转移函数。通过确保在算法中包括每种材料的转移函数，算法可提供所需的配制物作为输出，其中将材料规格和可持续性规格提供给算法作为输入。
[0045]
在某些实施方案中，本发明还可涉及系统，其中在计算机设备上实施方法，其中将材料规格和可持续性规格提供给计算机设备作为算法的输入参数，并且其中聚合物配制物作为输出提供。
[0046]
在某些其它具体的实施方案中，系统可包括用于生产聚合物组合物的生产装置，该生产装置与计算机设备相连，其中计算机设备的输出为生产装置提供信号，该信号引导供应至生产装置的材料的组成。这可例如通过引导各个材料供应装置的供应速度来进行，每个供应装置含有库中提供的专用材料。

技术特征：
1.优化聚合物配制物的可持续性足迹的方法，其中所述方法包括：a.识别待存在于所述聚合物配制物中的一种或多种材料规格；b.识别所述聚合物配制物中待优化的一个或多个可持续性标准；c.提供可经选择用于所述聚合物配制物的材料库；d.提供计算机实施的算法，用于计算选自所述库中的每种材料对实现所述聚合物配制物的所需材料规格的贡献；e.提供计算机实施的算法，用于计算选自所述库中的每种材料对优化所述聚合物配制物的所需可持续性标准的贡献；和f.计算所述聚合物配制物的组成，其中所述聚合物配制物显示所述可持续性标准的最优值，同时满足所述材料规格。2.根据权利要求1所述的方法，其中所述方法包括提供计算机，在所述计算机上实施所述材料库和所述算法，并将所述所需材料规格和可持续性标准规格馈送给所述计算机，在此基础上，所述计算机根据所述算法计算出所述聚合物配制物作为输出。2.根据权利要求1所述的方法，其中所述聚合物配制物包含一种或多种消费后机械回收的聚合物组合物作为选自所述材料库中的材料。3.根据权利要求1-2中任一项所述的方法，其中所述聚合物配制物包含一种或多种消费后化学回收的聚合物材料作为选自所述材料库中的材料。4.根据权利要求1-3中任一项所述的方法，其中所述可持续性标准选自以下的列表：制造所述聚合物配制物中的能源消耗、制造所述聚合物配制物中的co2排放、制造所述聚合物配制物中用作原料的化石原料的量、制造所述聚合物配制物中使用的基于化石燃料的能源的量，和在制造所述聚合物配制物中使用的原料的运输中消耗的能源的量。5.根据权利要求1-4中任一项所述的方法，其中所述材料规格选自分子量分布、共聚物分布、抗压性、蠕变性能、膜密封强度、膜拉伸性、膜收缩行为、膜抗穿刺性、膜撕裂强度、冲击强度、抗应力开裂性、雾度、光泽度、透明度、抗刮擦性、摩擦学性质、表面粗糙度、抗uv性、抗化学性、感官性质、熔体质量流动速率、密度、挠曲性质、拉伸性质和这些规格中每一项的标准偏差。6.根据权利要求1-5中任一项所述的方法，其中所述聚合物配制物是：基于聚乙烯的聚合物配制物，其优选包含>90.0重量％的聚乙烯；基于聚丙烯的聚合物配制物，其优选包含>90.0重量％的聚丙烯；基于聚碳酸酯的聚合物配制物，其优选包含>90.0重量％的聚碳酸酯；基于聚酰胺的聚合物配制物，其优选包含>90.0重量％的聚酰胺；或基于热塑性聚酯的配制物，其优选包含>90.0重量％的热塑性聚酯；均相对于所述聚合物配制物的总重量计。7.根据权利要求1-6中任一项所述的方法，其中所述聚合物配制物包含至少两种不同的聚乙烯型材料、优选至少三种不同的聚乙烯型材料。8.根据权利要求2-7中任一项所述的方法，其中所述消费后机械回收的聚合物组合物包含相对于所述组合物的总重量计≥70.0重量％的高密度聚乙烯(hdpe)、低密度聚乙烯(ldpe)和/或线性低密度聚乙烯(lldpe)，优选其中：所述hdpe具有≥940kg/m3且≤975kg/m3的密度；
所述ldpe具有≥900kg/m3且≤935kg/m3的密度；和所述lldpe具有≥850kg/m3且≤935kg/m3的密度；根据astm d792(2008)测定。9.根据权利要求8所述的方法，其中所述hdpe、所述ldpe和所述lldpe中的每一者具有根据astm d1238(2013)在190℃的温度、2.16kg的负荷下测定的≥0.1g/10min且≤2.0g/10min的熔体质量流动速率(mfr)。10.根据权利要求3-9中任一项所述的方法，其中所述消费后化学回收的材料是高密度聚乙烯(hdpe)、低密度聚乙烯(ldpe)或线性低密度聚乙烯(lldpe)，优选其中：所述hdpe具有≥940kg/m3且≤975kg/m3的密度；所述ldpe具有≥900kg/m3且≤935kg/m3的密度；和所述lldpe具有≥850kg/m3且≤935kg/m3的密度；根据astm d792(2008)测定，优选地，其中所述hdpe、所述ldpe和所述lldpe中的每一者具有根据astm d1238(2013)在190℃的温度、2.16kg的负荷下测定的≥0.1g/10min且≤2.0g/10min的熔体质量流动速率(mfr)。11.根据权利要求3-10中任一项所述的方法，其中所述聚合物配制物包含相对于所述聚合物配制物的总重量计≥10.0重量％且≤90.0重量％的所述消费后机械回收的聚合物组合物和/或≥10.0重量％且≤90.0重量％的所述消费后化学回收的聚合物材料。12.根据权利要求1-11中任一项所述的方法，其中所述聚合物配制物根据计算的组成通过熔融挤出混合或通过粉末混合制造。13.聚合物配制物，其根据权利要求1-12中任一项所述的方法获得。14.包括计算机设备和用于生产聚合物组合物的生产装置的系统，其中所述计算机设备根据权利要求1-12中任一项所述的方法操作，其中所述计算机设备以此方式连接至所述生产装置，使得所述计算机设备的输出用作所述生产装置的控制输入。15.根据权利要求14所述的系统，其中所述计算机设备的输出是引导供应至所述生产装置的材料的组成的信号或信号组，优选地，其中所述生产装置包括多个材料进料器，其中所述计算机设备的输出信号引导通过各个进料器供应至所述生产装置的材料的量，其中各个进料器包含所述库中提供的专用材料。

技术总结
本发明涉及用于优化聚合物配制物的可持续性足迹的方法，其中所述方法包括：a.识别待存在于所述聚合物配制物中的一种或多种材料规格；b.识别所述聚合物配制物中待优化的一个或多个可持续性标准；c.提供可经选择用于所述聚合物配制物的材料库；d.提供计算机实施的算法，用于计算选自所述材料库中的每种材料对实现所述聚合物配制物的所需材料规格的贡献；e.提供计算机实施的算法，用于计算选自所述库中的每种材料对优化所述聚合物配制物的所需可持续性标准的贡献；和f.计算所述聚合物配制物的组成，其中所述聚合物配制物显示所述可持续性标准的最优值，同时满足所述材料规格。同时满足所述材料规格。


技术研发人员：M
受保护的技术使用者：SABIC环球技术有限责任公司
技术研发日：2021.12.20
技术公布日：2023/8/24