開發具有特殊機能的生質高分子材料擁有低碳排與高附加價值的優點，FDCA為一種可取代石油基對苯二甲酸(PTA)的平台化學物，可用於合成聚2,5-呋喃二甲酸乙二醇酯(PEF)高阻氣機能材料，為下世代的生質聚酯材料。
本文將從以下大綱，針對此新穎生質高分子材料介紹其國際技術發展現況及未來應用方向。
‧前言
‧低碳排塑膠材料發展的驅動力
‧生質飲料包裝瓶材料發展現況
‧高阻氣PEF包裝材料的應用潛力
‧全生質包裝瓶商業化進程現況
‧PEF回收機制近況與研究進展
‧結論
【內文精選】
低碳排塑膠材料發展的驅動力
在充滿挑戰的塑料環境中，包裝材料廢棄物和海洋塑膠是近年最受矚目的環保議題。目前全球生質材料發展最大推力源自於品牌廠商的推動，最成功的案例就屬美國可口可樂(Coca Cola)公司PlantBottle PET包裝瓶產品。此PET材料20%碳重量為生質來源，目前約有35億支的PlantBottle在40個國家銷售，並達到超過31.5萬噸的CO2減量，等同節省超過3,600萬加侖汽油的使用。
世界排名第一和第二的瓶裝水公司正在合作創造下一代生物基PET包裝瓶。達能(Danone)公司與雀巢瓶裝水(Nestlé Waters)與美國Origin Materials組成NaturALL Bottle Alliance，目標在2022年開發並使用95%的生質PET包裝瓶材料（圖一）。百事可樂也於2018年9月加入NaturALL聯盟。此計畫將經過生命週期評估(Life Cycle Assessment; LCA)全面審核，並嚴格避免使用糧食生產生質塑料，因此預計將使用第二代木質纖維素(Ligno-cellulosic)生物質，如使用過的紙板和鋸末(Sawdust)。
圖一、 NaturALL Bottle Alliance生質包裝瓶發展目標進程
全球最早的全生質飲料包裝瓶於2015年6月在義大利米蘭所舉辦的世界博覽會(World Expo)展出，分別是100%全生質PET與PEF聚酯材料所生產（圖二）。而全生質聚酯材料開發關鍵在於將生質原料轉化為芳香環二酸單體的技術。
在展覽會中，PET聚酯二酸單體來源是由美國Virent公司的BioForming®技術所生產，Virent以水相重組(Aqueous Phase Reforming; APR)搭配觸媒轉化的專利技術，可將糖類或澱粉轉化為對二甲苯(p-Xylene)，再經過氧化製程轉化成純對苯二甲酸(Purified Terephthalic Acid; PTA)。另一方面，荷蘭Avantium公司開發觸媒脫水與氧化的XYX®專利製程技術，可將碳水化合物轉化成2,5-呋喃二甲酸(2,5-furandicarboxylic Acid; FDCA)。可口可樂公司身為可持續性(Sustainable)包裝材料的領導者，已投入大量資金與Virent及Avantium公司合作開發下世代的PlantBottle產品。因此在不久的將來，全生質PET與PEF聚酯皆有機會被品牌廠採用作為下世代的100%生質包裝瓶材料。
表一、表二分別整理出兩項材料的優/缺點比較與基本材料特性。最值得注意的是PEF因結構的2,5二酸單體取代位置產生極佳的阻氣特性，更可延長食品保存期間，同時具有更優異的熱性質與機械特性。此外，PET包裝空瓶的價格約占一瓶可樂飲料成本的30%，而空瓶的成本約60%為樹脂原料。進一步分析生質PEF與PET成本，由醣轉化成FDCA的理論產率高達86%，轉化成PTA單體僅有61%（圖三）。原因是PTA為芳香烴化合物，由醣轉化過程中的氧原子被脫除，而FDCA單體為具有氧原子的五元芳雜環，有效利用醣結構中的氧原子，因此具有較高的理論產率。故PEF不僅具有優異的阻氣特性，於成本上更具有競爭優勢。
全生質包裝瓶商業化進程現況
Synvina公司是由荷蘭Avantium與德國BASF公司於2016年10月成立的合資公司，是第一家計畫商業化生產FDCA的公司。在2017年6月，歐洲聯合生物工業公司(European Joint Undertaking on Bio-based Industries; BBI)宣布將授予由十一家公司所組成的PEFerence聯盟2,500萬歐元，用於發展PEF化學品並建立創新價值鏈，其中包括建立一套年產能50,000噸FDCA單體的Reference Plant。聯盟成員中，Synvina公司將負責本計畫案的項目組織協調。
PEFerence聯盟計畫目標為：①設計並建造年產量5萬噸之FDCA旗艦工廠；②展示和驗證至少三種FDCA的應用產品；③商業化生產100% FDCA；④展示和最適化從原材料到PEF終端產品的區域價值鏈；⑤評估計畫所開發產品的環境和社會經濟效益。
PEF回收機制近況與研究進展
歐洲PET包裝瓶平台協會(The European PET Bottle Platform; EPBP)於2017年5月批准Synvina公司所生產的PEF包裝瓶未來可直接進入歐洲市場的PEF回收系統。EPBP經過實驗評估，認為Synvina公司目前規劃的5萬噸FDCA產能所製成的PEF包裝瓶占歐洲PET寶特瓶市場約2%，並不會影響回收PET的性能。
近期Synvina公司公布PEF材料回收的實驗數據。圖七為PEF包裝瓶與其他材質塑料使用近紅外線(Near-infrared Spectroscopy)篩選的分辨圖譜，無需更新現有設備與軟體的條件下，即可輕易地將PEF包裝瓶分辨出來並進行回收…以上為部分節錄資料，完整內容請見下方附檔。
圖七、PEF包裝瓶使用NIR篩選系統的分辨結果
作者：黃承鈞／工研院材化所
★本文節錄自「工業材料雜誌」387期，更多資料請見下方附檔。