蘇育央、劉懷璿 / 工研院材化所
國際上將化石燃料視為主要碳排放的來源，為了因應全球氣候變遷，各國紛紛致力於開發能取代化石燃料的替代材料以實現淨零排放的目標，希望透過碳捕獲與利用將CO2轉變為日常生活中可利用的產品，跨足工業、包裝、生醫、肥料、農業等產業應用。面板為台灣重要的產業之一，相關產品由相當高比例的塑膠所組成，其中的成分—PEF便可由CO2與2,5-呋喃二甲酸共聚合而成，生產的過程會消耗CO2，透過使用此類生質原料取代傳統化石原料，便可將減碳的目標推廣到面板產業。
【內文精選】
關鍵材料
生質材料可簡單分為兩大類：一種是經由植物行光合作用時與CO2進行固碳作用生成的碳水化合物，再將之進行發酵等作用後所生成的生質材料；另一種則為直接將CO2反應所生成的生質材料。
植物生質材料是由CO2轉化而成的材料，最簡單的便是植物以CO2進行光合作用所進行的固碳作用，將CO2反應成葡萄糖後，再經過一連串的生化反應變成富含碳元素的材料。若將此進行發酵生成酒精，便稱為生質酒精，可作為燃料。而葡萄糖在植物的體內會繼續轉化生成澱粉和纖維素，其中纖維素與醋酸酐在硫酸的催化下可以反應得到三醋酸纖維素(Tri-acetyl Cellulose; TAC)高分子，為常見的液晶顯示器偏光板材料。
若將纖維素發酵可以產生乳酸，將其進行聚合反應後便形成聚乳酸(Polylactide; PLA)，其可被微生物降解變回CO2與水回到自然界，如圖三，為真正的可分解塑膠，已普遍使用於包裝的容器中。而纖維素水解會變回葡萄糖，再經由催化反應可轉變為乙二醇(Ethylene Glycol; EG)，這種取自於天然材料的乙二醇也被稱為Bio-EG，可作為聚酯類高分子的單體，其中若與呋喃二甲酸進行共聚合反應，可得到生質聚呋喃二甲酸乙二酯聚合物(Polyethylene Furanoate; PEF)，其具有良好的機械強度與阻氣性，以及可被微生物分解的特性，更被視為具有取代聚對苯二甲酸乙二酯(Polyethylene Terephthalate; PET)的潛力。
圖三、PLA塑膠的生成與降解圖
然而以電解的方法能合成出的分子結構有限，且同時又產生耗電與能源的問題，因此開始發展利用催化的方式，透過觸媒反應將CO2與其他原物料結合，使得CO2的利用方面更加多元化。藉由原物料的選擇以及合適觸媒的搭配，可將CO2加工為常用的化學品，如：乙烯、丙烯、碳酸酯、醋酸、丙酸、內酯類溶劑、苯乙烯以及可作為環氧樹脂原料的環氧乙烷、環氧丙烷、環氧丁烷、苯基環氧乙烷等(如圖六)。其中環氧烷類作成的環氧樹脂為相當重要的熱固性材料，其擁有相當良好的附著力、高的力學強度、低固化溫度、優良的耐熱性及耐溶劑性，因此普遍應用於日常生活及工業生產中。
圖六、常見可由CO2為原料生產之化學品種類
應用於面板材料之近期研究
理想上，CO2能夠製備的高分子聚合物雖種類眾多，但具有可量產性的產品仍然很少，除已知商業化的脲素與三聚氰胺甲醛樹脂外，多數將CO2轉化成高分子材料仍屬開發中的技術。廣泛的研究集中於生產CO2聚合物的方法及產品，例如，CO2與環氧化物共聚生成可降解聚碳酸酯、無光氣法製備脂芳族聚碳酸酯、可生物降解脂肪族聚碳酸酯及聚碳酸酯多元醇(Polyol)、非異氰酸酯聚氨酯(Non-isocyanate Polyrethane; NIPU)，以及CO2與烯烴化合物製備的各種聚烯烴共聚物(Polyolefins)在各領域的應用。
以CO2與環氧化物衍生之PC可作為可分解的封裝材料(屬複合材料)或者黏合劑，但商業化的規模仍明顯低於聚烯烴。CO2衍生之PC若要提升其量產以及應用，關鍵是要發展與齊格勒–納塔(Ziegler-Natta)烯烴催化劑一樣高效率、經濟的催化劑。CO2與環氧化物共聚高分子合成中，雖已有多種催化劑系統被研究開發，但目前以異相Zn2[Co(CN)6]催化劑與雙功能Salenco(III)配合物和雙功能硼有機催化劑表現出較高的產率並逐步朝工業生產邁進，是目前相當有前景的CO2原料衍生之高分子材料之一，此新型高分子材料具有優異熱性質，提升應用的可能性。
而CO2衍生之PC可以經由改質提升附加功能性，包含透明、耐磨、阻燃、光學性等，PC薄膜具有廣泛的應用領域，涵蓋了電子電器、光學器件、建築、汽車、醫療器械等多個領域，具有不同的性能特點和用途。在面板材料上，可將透明PC薄膜具有高透明度、高強度、高耐熱性和高耐候性等之優點，應用於顯示器面板、螢幕等---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》448期，更多資料請見下方附檔。