黃承鈞 / 工研院材化所
聚乙烯-2,5- 呋喃二甲酸酯(Polyethylene 2,5-furandicarboxylate; PEF)目前被工業界和學術界認為是替代PET的最佳可再生選擇材料，特別是應用於阻氣薄膜和包裝瓶。支持替代的主要依據除了它的可再生特性和無可挑剔的永續特質，主要理由是PEF一系列獨特的使用特性表現。本文整理近期PEF材料商業化生產進程與其生命週期評估數據，並介紹工研院發展PEF之技術進展。
【內文精選】
PEF的可回收性
與當今廣泛使用的石油基PET相比，PEF具有更優異的阻隔性、機械和熱性能。相較於PET，PEF對O2的阻隔性要好6~10倍，對CO2的阻隔性要好2~5倍，對水的阻隔性要好2倍。與傳統的包裝解決方案相比，在規模化生產時，PEF的性能、價格和永續性都是一個革命性的機會，提升的阻隔性能使被包裝產品的保存期限更長。PEF還具有更高的機械強度，這意味著可以生產更輕薄的PEF包裝，且只需更少的原料資源。在熱性質方面，PEF具有優越的耐高溫能力，並可以在較低的溫度下進行加工。同時，PEF具有更強的機械剛度，可以增加塑形的可能性。
選定PEF包裝瓶應用進行生命週期評估
生命週期評估(Life Cycle Assessment; LCA)是瞭解各種PEF應用之潛在可持續發展效益的基礎工具。LCA可以評估一個產品的整個價值鏈，從原材料的提取或種植，到產品的生產、使用和處置(從搖籃到墳墓，Cradle-to-Grave)；通常被評估的環境影響，包括溫室氣體(Greenhouse Gas; GHG)排放、對自然資源和生態系統的影響。
2017年Avantium公司在歐盟發展PEF材料的PEFerence專案框架下，與德國nova-Institut GmbH合作，評估PEF包裝材料與傳統石化PET相比之下對環境的潛在影響與LCA，目的就是提供Avantium公司於PEF商業化過程中的資本投資依據與技術支援。
生命週期影響評估–環境影響貢獻分析(Potential EnvironmentalImpact Analysis)
大部分環境影響，包括氣候變遷、礦物資源使用與土壤/水資源，絕大部分皆來自上游的果糖、生質乙二醇生產和下游製瓶生產製程階段。在氣候變化和化石資源利用影響明顯分布在PEF瓶價值鏈上，包括果糖供應、FDCA生產(Avantium的YXY®觸媒技術)和瓶子製造過程。PEF聚合生產對於氣候變化與化石資源貢獻較小，主要的影響在於聚合觸媒的使用。
在各項貢獻評估的類別中，農業生產生物質原料果糖供應，成為一個重要的環境影響，如小麥和甘蔗種植期間，化學肥料和農藥的使用對許多評估指標，特別是對酸化(Acidification)、優養化(Eutrophication)以及土地和水資源的影響巨大(圖二)。
圖二、250毫升單層PEF包裝瓶之環境影響貢獻評估
多層包裝瓶系統的LCA比較
除了單層PEF瓶，PEF也適用於多層結構包裝瓶產品。當單層包裝材不能保證所需的保存期限時，多層結構是一種有效的選擇。目前，各樣多層PET包裝瓶，包括聚醯胺尼龍(Polyamide; PA)，如MXD6，可提高其阻隔性能。然而，MXD6等現有阻隔材料的一個共同問題是它們與PET的相容性差，因此必須在回收過程中與PET分離，導致回收業者須完全分離多層容器，以減少雜質塑膠污染和回收PET性能損失的風險。PEF可以作為尼龍等阻隔材料的替代品，因為PEF提供了良好的O2和CO2阻隔性，同時在相對較高的PET/PEF混摻水準上不會損害所生產的回收PET產品性能，使這些多層瓶的可回收性(Recyclability)大幅提高。
工研院於生質基聚酯材料開發及加工應用技術現況
工研院材料與化工研究所投入生質原料與應用技術開發多年，已建立由醣類轉化成HMF、FDCA生質單體與PEF聚合專利技術布局(9案26件)，並完成HMF試量產技術驗證與連續式FDCA氧化技術驗證(圖四)。針對高分子量PEF聚合技術，已開發特有的觸媒組合配方，搭配固態聚合(Solidstate Polymerization)製程，達到固有黏度(Inherent Viscosity) IV >0.85 dL/g，並持續進行應用產品開發的驗證，包括雙軸延伸阻氣膜、碳酸飲料包裝瓶與生質纖維應用---以上為部分節錄資料，完整內容請見下方附檔。
圖四、工研院生質聚酯技術能量
★本文節錄自《工業材料雜誌》426期，更多資料請見下方附檔。