□夫喃系生質聚酯材料於阻氣包裝材料之應用與發展趨勢

 

刊登日期:2016/5/5
  • 字級

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
★本文節錄自「工業材料雜誌」353期,更多資料請見下方附檔。


分享
為此篇文章評分

相關廠商