徐健維、許希彥/工研院材化所
聚乳酸(PLA)具有熱塑性、高強度、高模量等特性，廣泛應用於吹塑、纖維、發泡材、食品包材等方面。台灣預估每年使用量約1,500噸，但因受限於工業堆肥設備與法規，廢棄PLA的去化將是一大問題。除了堆肥再循環之外，PLA廢棄物的處理方式還包含物理回收、化學回收、掩埋焚化等。其中化學回收法可將聚乳酸分解成小分子，做為PLA、PU或MOF的原料；乳酸酯亦可當作環保溶劑用於化學合成、化妝品或食品添加劑中，大大增加廢棄PLA之循環應用性。
【內文精選】
前 言
聚乳酸(Polylactic Acid; PLA)是由乳酸聚合而成的脂肪族聚酯高分子，1932年由杜邦公司的Wallace Carothers在真空下加熱乳酸，使其脫水聚合而得，至今科學家們已發展出純熟的化學合成技術（開環聚合法、直接聚合法等），可合成出高分子量的聚乳酸。聚合出來的高分子具有熱塑性、高強度、高模量等特性，可應用於吹塑、纖維、發泡材等方面，1970年代更被美國FDA認證可用於食品包材、藥物傳輸裝置、手術線等，更加擴大其應用範圍。此外，聚乳酸的來源為植物原料，如玉米、甘蔗、小麥、馬鈴薯等的澱粉或纖維素，且材料本身具有生物可分解性，分解堆肥後可做為植物的營養來源，培育出來的植物又可再作為PLA的原料，從而達到低碳排放、循環經濟的理念。
PLA解聚途徑
民生消費使用後與工廠事業廢棄物的塑膠，可經回收、分選、清洗及乾燥後，再依不同等級、處理難易度及雜質含量多寡，以不同的方式處理，一般可分為物理回收、化學回收、生物分解、掩埋或焚化等（圖二）。PLA單純以垃圾場掩埋方式處理，據科學統計，需要100~1,000年才可達到分解的效果，而且若在去除光照及氧氣的條件下，分解速度會更加緩慢；若想要提升其分解效率，一般需要在高溫高濕的環境下才可達到預期效果。焚化處理的方式則是用在雜質含量高，不易分離或分離成本昂貴的情況下，亦或是塑膠容器中含有有毒物質（農藥、除蟲/草劑等）等，再利用可能會有人體及環境安全衛生疑慮下之處理方式。PLA雖然可以做為替代燃料以焚化方式處理，但使用此方法將無法再循環利用PLA，是僅能在無法處理時的下下之選。茲將其他的PLA回收處理方式分類說明如下。
圖二、PLA回收及分解途徑
2. 化學回收(Chemical Recycling)
PLA的化學回收方式又可再細分為三類：熱裂解法、水解法及醇解法。化學回收主要是將PLA高分子解聚到其單體分子結構，再經純化分離，後續可重新聚合成PLA；或解聚成其他小分子衍生物，作其他衍生應用。化學解聚(Chemical Depolymerization)法對於PLA饋料的雜質容忍度也較高，非PLA塑膠、色素、添加劑等可與之一鍋化反應，並在反應後進行分離純化得到單體分子。
PLA循環再應用現況
德國研究機構Fraunhofer在循環塑膠經濟(Circular Plastics Economy; CCPE)議題上也投入PLA化學回收再利用的項目。其將混雜不同廢棄的塑膠容器（PET、PP及PLA）進行化學醇解，在很短的解聚時間（<20分鐘）及溫和的反應條件（常壓，<70˚C）下，得到高產率的乳酸乙酯(80%)，而乳酸乙酯可用於化學合成、磁帶塗料、食品加工等應用，此化學解聚技術已在2019年從實驗室規格放大至15 L的規模。此外，世界上第二大乳酸生產商，比利時的銀河(Galactic)公司發展出LOOPLA®製程，使用化學回收法將PLA廢棄物解聚成乳酸，目前已達到試量產規模（2,000噸/年），並與道達爾(Total Petrochemicals)公司合作，再將解聚後的乳酸聚合回PLA。而致力於發展酵素法回收塑膠的法國Carbios公司則開發出微生物酵素製程，可在48個小時內解聚90%以上的廢棄PLA。
在學術研究上，Paciorek-Sadowska等人利用硬酯酸鋅觸媒，將廢棄的PLA（主要是3D列印後的廢材）與二甘醇解聚成PLA多元醇寡聚物，之後再與異氰酸酯(Isocyanate)聚合成新穎的PU (Polyurethane)或PIR (Polyisocyanurate)泡棉材料（圖四），與原材料PU相比…以上為部分節錄資料，完整內容請見下方附檔。
圖四、PLA解聚再生新穎PU高分子
★本文節錄自《工業材料雜誌》405期，更多資料請見下方附檔。