徐健維 / 工研院材化所
超高分子量聚乙烯(UHMWPE)材料具有重量輕、摩擦係數低、耐衝擊、耐紫外光與化學品以及自潤滑等特點，可應用於特規產品，如：精密零組件、國防、航太及醫療等相關產業。目前國內上游業者尚無投入生產，應用端皆須依賴進口，關鍵性原料受制於國際大廠，且相關專利與製程也掌握在國外大廠手中。本文整理超高分子量聚乙烯觸媒與製程技術，以及現有產品市場與商品資訊，並分析相關專利趨勢，以期提供業者相關資訊與技術平台，建立完整產業鏈。
【內文精選】
超高分子量聚乙烯製備技術
超高分子量聚乙烯是透過觸媒(Catalyst)催化乙烯單體聚合而得，設計適當的觸媒可以調控產物的分子量大小、分子量分布、支鏈插入型態，進而影響到產物的物性、加工性以及產品應用。
1. 觸媒技術
乙烯聚合觸媒主要有三種觸媒型態，分別為：齊格納觸媒(Ziegler-Natta Catalyst)、茂金屬觸媒(Metallocene Catalyst)以及後茂金屬觸媒(Post-metallocene Catalyst)。目前商業化的超高分子量聚乙烯主要是由齊格納觸媒製備，齊格納觸媒是由德國化學家齊格納(Karl Ziegler)與義大利化學家納他(Giulio Natta)一同研發合成出來，並共同獲得1963年諾貝爾獎，其觸媒組成是由TiX3-4 (X = Cl or OR)搭配烷基鋁或氯化烷基鋁AlR3-xClx (R = Alkyl)等助觸媒組合而成。進一步研究發現，加入氯化鎂(MgCl2)作為載體，可使Ti原子均勻分散在MgCl2表面，大幅提升觸媒活性。
2. 聚合技術
目前商業化的超高分子量聚乙烯合成技術主要是採用淤漿聚合( Slurry Polymerization)方式，包括連續攪拌槽反應器(Continuous Stirred Tank Reactor; CSTR)與環管式反應器(Loop Reactor)。其中連續攪拌槽反應器代表的製程有Hostalen法(泰科納(Ticona))以及CX法(三井)，此設備的操作壓力和溫度較低，同時串接多組反應器，操作彈性高，目前全球2/3的超高分子量聚乙烯均採用此設備製造。
超高分子量聚乙烯觸媒專利布局趨勢
除了從期刊文獻來看超高分子量聚乙烯觸媒與製程的發展之外，亦可從專利的角度來分析超高分子量聚乙烯的技術發展趨勢。從圖三的歷年申請年份圖可以得知，超高分子量聚乙烯在1973年即開始進行相關專利布局，1980年至2000年期間專利布局數量開始增加，但增加幅度略緩；自2000年開始，專利布局力道大幅增加，顯示超高分子量聚乙烯材料越來越受到重視。進一步分析，可以發現主要布局國家為中國，推測原因在於中國在2010年將超高分子量聚乙烯列為十二五/十三五重點計畫，因此可觀察到2010年後中國布局的專利數量急遽上升。
圖三、超高分子量聚乙烯觸媒與聚合製程申請專利數量歷年分布概況
超高分子量聚乙烯應用市場
超高分子量聚乙烯根據不同的加工方式，產品類型可分為塊材、纖維材與膜材等三種類型；再依據應用領域需求，相關產品主要包括醫療照護、機械零組件、航太/國防/船運、食品/零售等領域(見圖四)。
圖四、超高分子量聚乙烯全球市場規模
超高分子量聚乙烯產品規格與應用
常見的超高分子量聚乙烯產品多為粉末狀，分子量皆在百萬以上，密度0.93 g/cm3以上。主要生產廠商包括塞拉尼斯(Celanese)、布拉斯科(Braskem)、三井化學(Mitsui Chemicals)、帝斯曼(DSM)與霍尼韋爾(Honeywell)等公司。塞拉尼斯(Celanese)公司為目前全球生產量最大的廠商，其商標為GUR®，不同牌號可應用於不同領域，包含機械零組件、過濾膜、電池隔離膜、添加劑、纖維等應用，還推出醫療級規格GUR®-1020/GUR®-1050，可透過γ-ray交聯，應用於人工髖關節或是人工椎間盤等。布拉斯科(Braskem)公司推出產品商標為UTEC®，依照不同分子量及其機械特性，可應用在耐衝擊或是耐磨耗產品等工業產品中。
國內研發量能與未來展望
國內超高分子量聚乙烯產業鏈尚未完整，目前上游廠商並無生產超高分子量聚乙烯，其來源皆需仰賴進口原料或半成品再至中下游加工，尤其特(軍)規產品若受到國際料源斷貨，勢必將大受影響。而在面對未來乙烯過剩與生產利潤考量下，上游業者可由原本一次性民生用品的紅海市場轉向投入附加價值高的烯烴材料(如超高分子量聚乙烯)，亦可透過產學研合作，先布局相關專利。工研院在高值烯烴材料方面已投入多年研發，期建立國內自主技術量能，目前團隊所開發的承載型觸媒技術，除了保有相當高的觸媒活性(>106 g-Polymer/g-M/h)，亦可調控產物粒徑，並能夠透過製程條件設定可調控不同分子量規格 ---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》444期，更多資料請見下方附檔。