綠色生質纖維材料發展趨勢(下)

 

刊登日期:2021/10/5
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莊仲揚、張昌榮 / 工研院材化所
 
隨著人們對於環境永續發展日漸重視,紡織品是否符合環境永續發展精神,也逐漸成為品牌商與終端消費者關注的課題。其中,以生質原料製造纖維因兼顧環保與環境永續發展概念,成為近年來綠色循環纖維的技術發展主流方向。本文將針對具綠色永續概念之生質纖維材料,包括PTT、PLA、生質PET與生質尼龍等的發展與趨勢進行介紹,說明綠色生質纖維材料的應用潛力與未來發展。
 
【內文精選】
生質高分子材料定義與生質高分子纖維材料
生質高分子(Bio-based Polymer or Bioplastics)是指製造原料來自於可再生來源,目前市場生質高分子纖維材料以PTT、PLA、生質PET與生質尼龍為主,其原料來源是以生物工程結合化學合成製造而成,現針對各材料技術發展狀況分述如下。
2. 聚乳酸(PLA)纖維
聚乳酸纖維是一種原料來源完全來自於天然再生,且可以熔紡製程製造之纖維,其原料乳酸單體,可藉由植物(例如:玉米)透過發酵製程轉換成葡萄糖,進一步轉化成乳酸,再透過聚合反應形成聚乳酸(圖十五),而聚乳酸在堆肥或在自然環境下,生物分解後產生水分與二氧化碳,再被植物所吸收應用,形成一個封閉的循環(圖十六),屬於生質且可完全循環再生之生物可分解聚酯。
 
圖十六、聚乳酸循環示意
圖十六、聚乳酸循環示意
 
3. 生質PET纖維
PET纖維是目前紡織業界使用量最大的人造纖維,是以乙二醇(EG)以及對苯二甲酸(PTA)為單體,利用縮合聚合反應製造,以往這兩種單體都是以石化原料製造,但近年為因應來自品牌商與消費者對於產品二氧化碳減排與減少資源消耗的要求,相關以生質來源製造乙二醇與對苯二甲酸之技術也逐漸問世(圖十九)。其中生產生質乙二醇的技術較為成熟與穩定,是將澱粉或蔗糖轉化為葡萄糖後,藉由微生物發酵製成乙醇,再進一步結合化學反應製成乙二醇。但製造生質來源對苯二甲酸則出現不同方法(圖廿),其中美國Gevo公司採用將澱粉或蔗糖轉化為葡萄糖後,透過微生物發酵製造異丁醇,以此為原料結合化學合成方式製造對二甲苯,再進一步氧化為對苯二甲酸,並在2013年於美國德州建立示範規模工廠。
 
圖廿、生質對苯二甲酸合成途徑流程
圖廿、生質對苯二甲酸合成途徑流程
 
4. 生質尼龍纖維
除了聚酯纖維之外,尼龍纖維是使用量第二大的人造纖維,且在衣著、袋包以及工業纖維上都有廣泛的應用,因此生質尼龍亦吸引許多生技與纖維材料廠商投入,常見的生質尼龍製造流程如圖廿二所示。生產生質來源的尼龍單體相較於聚酯單體,在技術困難性上提升頗多,主要來自於以微生物發酵製造胺基單體的技術尚未完全成熟,且因近年低油價影響,導致生質來源原料製造商不利籌資進行研發,因此相關微生物技術發展有停滯現象。目前僅有美國Genomatica仍持續進行以微生物發酵製造己二胺(HDMA)以及己內醯胺(CPL)之研發與試量產,並與義大利尼龍製造商Aquafil合作生產由生質來源己內醯胺製造之尼龍6 (PA6)纖維。而現行市面上所標榜的生質尼龍產品,主要以蓖麻油(Castor Oil)作為生質來源,透過蓖麻油裂解製造癸二酸,以此為原料進一步胺化製造癸二胺,以此生質來源單體聚合製造100%生質來源尼龍(PA1010),或結合石化來源胺基單體製造尼龍(如:PA610),抑或藉蓖麻油熱裂解產出十一烯酸,進一步胺化產出十一胺基酸,再聚合製造100%生質來源PA11。
 
綠色生質纖維材料未來發展趨勢
隨著消費者環保意識逐漸抬頭,人們對於衣著紡織品於生產與廢棄過程中,環境影響衝擊之重視程度也會與日俱增。生質纖維材料由於低二氧化碳排放與低耗能特性,是一環境友善(Eco-friendly)材料,有助於環境永續發展,將會逐漸成為各類紡織品的優先選擇材料。不過技術門檻、製造成本、國際法規以及石油價格仍是此類綠色生質纖維材料是否能被廣泛使用的關鍵因素。展望未來,預期在國際法規以及品牌商對於環境保護明確要求下,訴求低二氧化碳排放與低環境衝擊的生質纖維,在衣著纖維應用市場具有高成長潛力,若能在生質單體技術上進一步有所突破,例如:利用…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》418期,更多資料請見下方附檔。
 

 


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