吳晉安/工研院材化所
循環經濟已逐漸成為全球石化產業的重要趨勢,品牌與製造業者除了將焦點放在周遭的塑料廢棄物回收處理外,目前也開始重視海洋廢棄物所造成的汙染,其中又以占全球總海洋廢棄物約1/10的漁具為主。其主要的材料為尼龍,因較具有經濟價值,已有服飾品牌將再生尼龍纖維做成織物。但尼龍分子鏈容易因為水解效應與多次加工熱履歷而產生斷裂,進而影響其機械性質並使應用範圍受限。本文將針對廢漁網回收與全球發展趨勢,以及工研院開發之新型熔融改質技術與後續應用加工驗證等進行說明。
【內文精選】
前 言
循環經濟趨勢已逐漸成為全球石化業者必須面對的主要議題,同時也驅使各家公司開始轉型,除了開發更為環保的熱塑材料之外,也將重心放在周遭環境的塑膠廢棄物之回收與再生技術開發。近幾年來更是將焦點轉移到海洋廢棄物上。聯合國在2016年的報告中指出,海洋廢棄物已成為威脅海洋與沿岸生物的致命因素,據統計,全世界每年因海廢致死的生物種類已高達800種以上。而每年更至少有800萬噸的塑膠垃圾流入海洋,目前海洋中有超過1.5億噸的塑膠垃圾。到2050年,世界各大海洋中的塑膠垃圾總重量將超過海中魚類總重。而在各類海洋塑料殘留物中,廢棄漁網是對海洋生物產生不利影響的主要汙染物。
循環經濟下的海廢回收趨勢
由綠色和平德國辦公室所發表的《幽靈漁具:纏繞海洋的廢棄漁網》報告中指出,每年約有64萬噸遺失或棄置的漁具沉入海底,雖然僅占總海廢塑膠的1/10,但依然成為海洋生物的死亡陷阱。目前廢棄漁網所用的材料有高密度聚乙烯(HDPE)、尼龍6(PA6)與尼龍66(PA66),而遠洋漁業所使用的拖網多為高強度的PA66,反觀近海漁網則以PA6/PA66混紡纖維為主。尼龍(Nylon)為聚醯胺高分子(Polyamide),是一種在分子主鏈上具有醯胺基團(‒NHCO–)的聚合物,因主鏈具有大量的高極性醯胺基,使分子鏈間有較強的作用力,並能在產生氫鍵同時也使聚醯胺分子鏈排列整齊,進而造成高結晶性,故具有良好的機械性能。同時,因分子鏈末端具有胺基與羧基,在一定條件具有反應活性而易於改質,並可進一步提高其性能。廢棄漁網在回收製程上主要採取熔融工藝,可分為四大步驟,如圖一所示。
圖一、廢棄漁網回收與再製
國內外發展趨勢與品牌投入
由現況來看,絕大多數的回收漁網都作為纖維而重新被製成產品。例如,義大利尼龍紗線生產商Aquafil共耗時4年,投資超過2,000萬歐元並於2011年成功研發出ECONYL® Regeneration System技術,可將回收廢棄漁網再製成100%再生尼龍紗線,這種新型紗線也通過了LEED認證(領先能源與環境認證)。目前,ECONYL®是全球唯一完全使用回收塑料製作而成的環保纖維,而Aquafil也成為在此領域的領導業者。廢漁網回收的技術之難在於如尼龍這類的高分子聚合物在「使用」與「回收」後,都會產生分子鏈斷裂進而大幅影響機械性能,故僅能被降級使用。但ECONYL®的技術特點則賦予再生纖維能夠被無限循環利用,主要係透過將漁網清洗分類並將其粗破碎成小塊,同時在大型反應桶槽內進行化學回收製程,最終將再生粒子重新進行紡絲形成全新的尼龍纖維(如圖三所示)。而ECONYL®技術因結合單體提純與再聚合技術,故所得之尼龍分子量與強度則與新材料無異,但相較於原生尼龍纖維則可大幅減少二氧化碳排放量,並降低對原油的依賴。
圖三、ECONYL®再生尼龍紗之回收再製技術
廢漁網之混煉押出與改質技術
工研院材料與化工研究所高分子組研究團隊在經濟部工業局支持下,針對再生尼龍原料,開發新型熔融改質技術並已申請專利,可使其應用於具有高值化的產品中,如民生、電子、汽車等產業領域。此技術是透過對擴鏈劑與改質劑配方設計著手,並進一步探討最佳化的反應押出(Reactive Extrusion)條件,而在改質製程上,則透過電腦模擬技術來設計捏煉、分散螺塊的排列組合,並開發專用的雙螺桿組態,以此來調控改質劑與材料熔體之間在熔融混煉時的均勻性,並可提高再生原料機械性質與可加工性,如圖八所示。
為了改善rPA66因為水解反應而造成R.V.值與物性下降之問題,研究團隊嘗試透過熔融擴鏈改質來提高其分子量與導入分支結構,進而增加分子鏈糾纏度並使機械強度增加。由於尼龍66是以己二胺和己二酸單體進行聚合反應,因此高分子末端官能基為胺基與羧酸基,而在擴鏈劑的挑選上便能以多官能基親電子性化合物與尼龍反應。例如:環氧樹脂系統、雙唑系統與酸酐系統等。研究初期是以…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》415期,更多資料請見下方附檔。