生質發泡材料技術與應用：材料世界網

廖聖茹／工研院材化所

高分子發泡材料根據其特殊性能可應用於各種領域，包括隔熱、隔音、防震、緩衝、過濾/分離濃縮、汽車、建築/結構與包裝。近年來由於海洋塑膠污染問題日益嚴重，開發由可再生資源來的可持續發展材料備受關注。本文將介紹幾種目前正在發展的環境友善生質基發泡材料，包括：澱粉、纖維素/紙、聚乳酸、聚羥基烷酸酯以及生物碳材。

【內文精選】

前　言

根據研究，每年約有800~1,300萬噸的塑膠被流入全球海洋環境，聚苯乙烯發泡塊（保麗龍）及塑膠珠是最常見的海洋塑膠污染(Marine Plastic Pollution)來源。塑膠垃圾對海洋與環境的污染已成為繼氣候變遷的人類第二大威脅，每年會對全球海洋造成130億美元的傷害。歐洲議會通過全球目前最全面的禁塑令，將在2021年全面禁用一次性塑膠用品，從免洗餐具、吸管、攪拌棒，到保麗龍杯都在內。然而，高分子發泡材料不僅質量輕，並具有優良的性能，在機械、化工、食品、裝飾、建築、運輸與電子等行業被大量使用，在特性與成本上是很多材料所無法比擬的。由可再生資源(Renewable Resources)來的生物塑膠發泡材料，其產品生命週期評估(Life Cycle Assessment; LCA)具有節能與減少碳排放的優勢，成為必然發展的新世代永續材料(Sustainable Materials)。因此，占全球塑膠總體市場不到1%生質塑膠，在2019年全球經濟論壇中，被選為十大潛力技術，如圖一所示。本文將介紹目前全球正在發展的環境友善生質基發泡材料，說明其材料特性，並作其產品生命週期評估。

圖一、Top 10 Emerging Technologies 2019

澱粉基發泡材料

澱粉(Starch)是目前全球產能最豐富、來源廣泛、價格低廉的可再生資源之一，由澱粉混練(Starch Blends)的材料與產品，其產能約占全球生質塑膠產能的1/5以上（圖二）。澱粉可經由擠出(Extrusion)、熱模烘烤(Hot-mold Baking)、微波加熱(Microwave Heating)、冷凍乾燥(Freeze-drying)以及溶劑交換(Solvent Exchange)等方法形成多孔材料（圖三）。澱粉發泡材料的應用市場主要區分為食品容器以及工業包裝兩大類。由於石化塑膠發泡材料之固體廢棄物對土地以及海洋資源產生嚴重的污染，迫使許多政府使用加稅或禁用EPS (Expanded Polystyrene)食物托盤來降低其對環境的衝擊。圖四和表一說明分別由發泡澱粉和EPS做成的托盤，其在外觀、泡孔型態以及物性的差異性。目前在工業上量產製程可經由押出塗層(Extrusion-coated)或貼合(Laminated)製成杯子、餐盤和容器。

澱粉發泡材料的另一個重要應用為工業包裝。澱粉材料通常以水當塑化劑和發泡劑，透過擠出來發泡（圖五∼圖六），其產品應用包括鬆散填充材(Loose Fills)（圖七），以及經後加工處理做為緩衝發泡板或發泡箱（圖八）。澱粉基鬆散填充材目前主要的銷售市場在美國，雖然澱粉基填充材之相對密度比EPS高出兩倍，但是根據義大利Novament公司對此兩種材料的產品生命週期評估結果顯示，澱粉基填充材對環境的衝擊明顯降低，如圖九所示。全球澱粉基發泡材料主要的生產廠商為National Starch、ENPAC、Novamont，其年產量超過一萬噸，如表二所示。這些材料的解構澱粉(Destructured Starch)含量超過85%，具生物可分解以及生物可堆肥特性…以上為部分節錄資料，完整內容請見下方附檔。