近年來溫室效應日趨嚴重，降低 CO2 排放量的聲浪高漲，因此綠色材料的開發與研究逐漸受到重視。2,5- 喃二甲酸（FDCA）是一種基於可再生資源的二酸單體，已廣泛研究用於取代傳統石化來源之對苯二甲酸（PTA）。以 FDCA 為原料所聚合而成的聚酯材料—聚乙烯喃酸酯（PEF），結構中具有 2.5 官能基取代位置，與PET聚酯相比，表現出更優異的阻氣特性、機械特性與耐熱性，適合應用於阻氣食品包裝材料。本文將針對此新穎生質高分子材料介紹其特性、國際技術發展現況及未來應用方向。
呋喃系生質高分子材料簡介與發展現況
FDCA 分子早在 1876 年已被科學家確認其結構，隨後在人的尿液中也發現 FDCA 的存在，每天人體會新陳代謝 3~5 mg FDCA，目前 FDCA 已被美國國家能源局列為最重要的 12項生質化學品，其衍生物聚酯 PEF 被視為最有機會取代 PET 材料的生質塑膠。
PEF比現有的PET包裝材料具有更高的氣體阻隔性、耐熱性與機械性能，可製造出更輕、更薄、更小和更結實的飲料包裝瓶，可延長食品的保存期限，也可降低碳排放量 50~70%，因此 PEF 有機會成為新一代用於製瓶、薄膜和纖維的聚酯材料。
PEF 結構專利最早於 1946 年由英國公司 Celanese Corporation 提出申請，相較於 PET 結構專利申請（英國公司 Calico Printers Association）只晚了五年，但由於 FDCA 單體前驅物羥甲基糠醛（5-HMF）為果糖或葡萄糖脫水之產物，相較於石化產品成本相對昂貴，且由果糖轉化為 HMF 有產率低的問題，直到近年來循環經濟（Circular Economy）的經濟模式逐漸受到重視，國際大廠紛紛投入生質塑料的研發。
呋喃系聚酯材料阻氣特性分析比較
在現有的阻氣高分子材料中，具有高阻氧特性之材料，如乙烯/乙烯醇共聚物（EVOH）、聚乙烯醇 PVOH 及尼龍，由於分子鏈間的氫鍵作用力凝集力強，氧氣分子不易擴散，表現出高阻氧效率。但這些阻氣材料會因水氣破壞其分子間的氫鍵作用力，因此阻氣性大幅下降。聚偏二氯乙烯（PVDC）具有高結晶性，大幅抑制氣體分子於分子間的擴散，PVDC 分子中的氯原子又具有疏水性，不會形成氫鍵，因此同時具有優良的阻氧性和阻濕性，且其阻氧性不受周圍環境濕度的影響，但其結構中含有鹵素，應用於食品包材仍有疑慮。
圖二、（a）PEF與（b）PET分子結構比較
圖三、PEF與PET雙軸延伸特性比較
FDCA應用發展項目與專利分析
1. 阻氣包裝瓶/薄膜應用
PEF材料最具有市場潛力為包裝瓶應用，以下分別介紹各公司專利布局內容。
（1）美國可口可樂公司
首篇專利揭露PEF瓶胚設計參數探討與吹瓶加工參數，包括容器的環拉伸率加工溫度、吹脹比等參數，同時包括包裝瓶特性之分析。說明書內容特別提出無定型PEF的臨界糾纏分子量高於 PET，PEF 糾纏密度僅有 PET 的 41%，推測原因為 PEF 分子鏈較 PET 剛硬，分子間作用力較弱所導致。
3. 聚酯纖維應用
目前專利揭露有關 FDCA-based 聚酯纖維應用相關專利有美國杜邦公司與 Avantium 公司，美國杜邦以該公司自有技術所生產的生質丙二醇與 FDCA 聚合形成生質 PTF 纖維。Avantium 公司則是發展 PEF 纖維，兩篇專利所揭露的……以上為部分節錄資料，完整內容請見下方附檔。
作者：黃承鈞 / 工研院材化所