黃承鈞／工研院材化所
聚酯(Polyester)可透過二酸與二醇單體的結構與組成比例設計聚合出特定物性材料，再經由加工技術開發出具有特定機能的應用材料。在低碳排放製造與可循環再製使用的循環經濟概念下，工研院材化所研究團隊透過高分子結構設計以及觸媒配方技術，分別開發出具有高氣體阻隔的生質包裝材料與低熔點機能纖維。本文將介紹這兩種機能聚酯材料之應用特性與市場發展現況。
【內文精選】
前言
循環經濟的興起，使產品開發設計朝向低碳排放製造與可循環再製使用的概念進行。而在產品生產端，可高效率生產的產品設計是克服日益提高之人工成本的解決方案。工研院材料與化工研究所近年開發出兩項新穎的聚酯材料：第一項是具有優異氣體阻隔性的聚乙烯呋喃酸酯(Poly(ethylene 2,5-furanoate); PEF)生質聚酯，不僅可達到延長食品保存期限的功效，更可簡化包裝材料的組成結構，符合低碳與易回收的循環經濟概念；第二項開發技術產品是可用於織物結構定型與強化的熱熔(Fusible)纖維，其熔點可小於110˚C，遠低於常規PET聚酯纖維的熔點規格250˚C，同時具有良好的紡絲加工性，為一種高附加價值的聚酯產品。以下分別介紹上述兩項產品的技術現況與工研院發展技術。
高阻隔聚酯材料
2. 工研院於PEF材料開發及加工應用技術現況
工研院材料與化工研究所投入生質原料與應用開發多年，已建立由醣類轉化成PEF的小批次試量產驗證設備，並完成HMF、FDCA至PEF技術的專利保護（表三）。針對高分子量聚合技術，已開發特有的觸媒組合配方搭配固態聚合(Solidstate Polymerization)製程，可達到固有黏度(Inherent Viscosity) >0.90 dL/g，並持續進行應用產品開發的驗證，包括雙軸延伸阻氣膜、碳酸飲料包裝瓶與生質纖維應用（圖二）。
表三、工研院在HMF、FDCA至PEF應用相關領域的專利技術
3. PEF材料國際發展現況與趨勢
於FDCA與PEF相關技術領先的荷蘭可再生化學技術公司Avantium於2020年1月宣布，其全資子公司Avantium Renewable Polymers將於荷蘭北方格羅寧恩(Groningen)附近的Chemie Park Delfzijl產業聚落園區興建全球第一座商業化生產FDCA單體的旗艦工廠，年產能可達到5,000噸，投入的資金達到3,000萬歐元，預計在2023年完工。Avantium公司進一步針對PEF與PET的生分解特性進行比較（圖三），在58˚C工業堆肥的條件下，PEF在385天可達到90%的生分解率，已經初步降解(Weathered)的PEF可在240天達到90%降解率；PET材料在兩種的樣品條件下降解速率低於10%。顯示PEF對於環境的汙染性較低，並可透過組成結構上的調整更加速其生分解速率。Avantium公司利用此特性，與Carlsberg及Coca-Cola公司合作開發Paper Bottle產品，主打可降解的包裝瓶應用。
圖三、纖維素(Cellulose)、PET與PEF的工業堆肥生分解實驗數據與分解速率比較
低熔點聚酯材料
3. 工研院低熔點纖維材料發展技術現狀
在聚酯材料中，為了達到低熔點的要求，結晶性會隨熔點下降而被逐漸破壞。若結晶性過低，會使得酯粒於加工前乾燥過程中產生酯粒黏著，甚至團聚成塊，對於後續紡絲加工產生極大的問題。經過熔融紡絲加工所得到的纖維也由於結晶性低，造成纖維收卷成型不易且纖維強度差，在編織加工使用上容易斷絲、熱熔收縮率高而且黏著不均勻。
為了克服上述的技術難題，工研院研究團隊在設計特殊的共聚酯組成配方與製程技術調控之核心技術能量下，同時搭配紡絲加工技術，目前已開發出熔點≤110˚C之聚酯材料與其紡絲加工成形之熱熔紗，遠低於常規PET熔點溫度，同時保持良好的結晶性與可紡絲性。此開發材料已以常規紡絲加工設備進行高速熔融紡絲(Melt Spinning)。將此熱熔絲與PET色紗以橫編織機混編織成一片式編織鞋面，織造過程中無斷紗的現象發生，顯示熱熔紗纖維強度好且品質穩定。編織成型鞋面可以市售尼龍的熱定型溫度條件產生熱熔固化，最終與鞋底組合出編織運動鞋，生產流程如圖五所示。
4. 產業發展技術趨勢
每年數十億雙的運動鞋回收將是未來各大鞋廠會積極開發的項目，這些動力來源都是歐盟這幾年來積極推動的循環經濟要求。德國Adidas品牌於2019年開發出全球第一雙單一材質可回收的概念鞋（圖六），此球鞋完全使用德國BASF公司不同牌號的熱塑性聚氨酯(Thermoplastic Polyurethane; TPU)材料所組成…以上為部分節錄資料，完整內容請見下方附檔。
★本文節錄自《工業材料雜誌》403期，更多資料請見下方附檔。