童世煌 / 臺灣大學高分子所
聚對苯二甲酸乙二酯（Polyethylene Terephthalate; PET）於1941年問世，成為現今最被廣泛使用的聚酯材料，大量應用於包裝、紡織、電子電機等工業領域。尤其在食品包裝業中佔極大的市場，2020年的食品包裝產值高達555億美元，至2026年則預期可達約742億美元。PET具重量輕、機械強度高、透光度高等性質，且因為絕大部分PET合成自石化原料，有低成本的優勢。然而，在石油基PET包裝材的龐大用量下，其生產過程與使用後的廢棄物已造成日益嚴重的環境污染。在環保意識抬頭的現在，石油化工塑料製品的減量甚至是禁用已成全球趨勢。因此，要如何減少石油基PET的用量又不失其優異性質成為重要課題。PET的回收再利用已成趨勢，以生物基PET取代石油基PET也是其中一個發展方向，在國際大廠如可口可樂公司的推動下已有相當程度的進展。
除了環保問題，就包裝材最重要的阻隔性能而言，PET雖有不錯的表現，但仍遠低於玻璃、鋁等材料，不適合單獨應用於需要高阻隔的包裝材。且高單價的產品多盛裝於精緻的小瓶子中，表面積/體積比高於較大容器，氣體以更高的速率與外部交換，對材料的阻隔能力要求更高，PET的阻隔性便顯不足。另外，塑料減量是目前趨勢，若減少PET包裝材厚度，阻隔性質將更為降低。為增加PET的阻氣性，常見的有表面塗膜、多層共射出成型、混摻等三種技術。表面塗膜是將無機物，如二氧化矽、鋁或阻氣性優於PET之高分子，如聚偏二氯乙烯(PVDC)等透過物理或化學方式蒸鍍或塗布於PET表面，形成高阻氣薄膜。多層共射出成型則是利用特殊機台，將高阻氣性乙烯-乙烯醇共聚物(EVOH)或聚醯胺(MXD6)加工夾於PET中間，形成3到5層的瓶體來增加阻氣性。混摻是透過雙螺桿等物理混煉方式，將具片狀結構之無機物，如蒙托土或阻氣性較高之高分子，如EVOH、MXD6等分散或混摻於PET中，以提升其阻氣性。然而，表面塗膜、多層共射出材料回收時需將阻隔層與回收的 PET 進行分離，過程繁複，不利於PET的循環再利用。且EVOH、MXD6與 PET摻合後的相容性差，對材料性能有不利的影響，譬如摻合物的阻隔效果提升有限與透明度明顯下降等問題。
近年來，學界與業界致力於開發新一代綠色生質聚酯材料取代石化塑膠產品。其中聚呋喃二甲酸乙二酯(Polyethylene Furanoate; PEF)，被視為極有潛力取代PET 之生質聚酯材料。除了因為PEF的單體2,5-呋喃二甲酸(FDCA)與乙二醇(EG)皆可由澱粉、醣類等提取而得外，PEF多數物理與機械性質皆優於PET。更值得一提的是，PEF的氣體擴散係數低，為更佳的阻氣材料，其阻二氧化碳效果為PET的19倍、阻氧效果則為11倍(表一)。若以PEF 取代PET，PEF優異的機械性質與阻氣性可以在減少PEF材料的使用下達到PET同等或甚至更好的效果，進而達成塑料減量的目標。
然而，因為製備FDCA單體的成本高，現階段以PEF全面取代PET有其難度，PEF目前仍未被塑膠產業廣泛應用與商業化。在過渡階段，將PEF與PET結合可用少量的PEF增加PET的阻隔性能，且能減少石油基PET的用量，是目前一舉兩得的可行方法(圖一)。PEF與PET結合的施作技術包括：(1) 以合成方式將PEF的單體FDCA與PET的單體對苯二甲酸單體(TPA)共聚成PEFT；(2) 以加工設備將PEF與PET共射出成多層結構；(3)直接將PEF與PET混摻。此三種方法可兼具經濟性、效能與可回收利用性，但仍各有其挑戰，分述如下。
圖一、結合生物基高阻隔性PEF與低成本石油基PET可兼具經濟性、效能與可回收利用性
PEFT共聚物
近十年來，已有許多研究直接透過PEF的單體FDCA與PET的單體TPA共聚合的方式合成PEFT(圖二)，有效改善PET的阻氣性質。於2019年Sun等人的研究中，當EF在PEFT共聚物比例達20%時，其阻氧效果為PET的1.76倍，而阻二氧化碳效果為2.35倍。此外，PEFT共聚物不論為非晶態或經過熱處理後都能保持極高的透光度。2019年Joshi等人則是利用雙軸拉伸，使PEFT共聚物排列與誘導結晶，藉此再增加PEFT的阻氣性近1倍。
雖然透過共聚合方式有助於阻氣性質的改善，但合成的複雜度提高，成本也會因此增加。且EF的比例越高，共聚物結晶能力逐漸下降，當EF比例為30% - 70%時，即使經過熱處理，PEFT共聚物仍無法結晶。這是因為…以上為部分節錄資料，完整內容請見下方附檔。