生分解發泡材料技術與應用(上)

 

刊登日期:2022/6/5
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廖聖茹 / 工研院材化所
 
近年來由於海洋塑膠污染問題日益嚴重,開發由生物可分解的生物循環材料備受關注。含有大量氣體的高分子發泡材料,可降低材料的使用量。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。生物塑膠在全球塑膠產能僅占1%~3%,仍屬於小眾市場,可朝高值化發泡材料發展。本文將介紹幾種目前正在發展的生物可分解發泡材料,包括:多醣(如澱粉、纖維素/紙、甲殼素等)、聚乳酸、聚羥基烷酸酯以及聚氨酯。
 
【內文精選】
多醣體發泡材料
多醣(Polysaccharides)是由生物體或可再生資源產生的天然聚合物,是一種綠色可持續發展的環保材料,包含澱粉(Starch)、纖維素(Cellulose)、幾丁質/殼聚醣(Chitin & Chitosan)、樹膠(Gum)、海藻酸鹽(Alginate)、果膠(Pectin)等。這些天然高分子材料蘊藏量豐富、結構特性優異,具無毒性、生物相容性、生物可分解等特性,在非石油基之高分子發泡具有發展潛力。以下將介紹已經於工業應用的澱粉發泡材料,以及近年來逐漸浮現的纖維素、幾丁質/殼聚醣等發泡材料。
1. 澱粉基發泡材料
澱粉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,由澱粉混煉(Starch Blends)的材料與產品,其產能約占全球生質塑膠產能的16.4%(圖三)。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。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和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。與EPS相比,澱粉發泡材料具有濕度敏感特性,在工業上量產製程通常經由押出塗層(Extrusioncoated)或貼合(Laminated)來製成杯子、餐盤和容器。
 
圖三、2021年全球生質塑膠產能材料結構分布
圖三、2021年全球生質塑膠產能材料結構分布
 
2. 纖維素基發泡材料
天然纖維由於來源廣泛、全球蘊藏量豐富、價格低廉以及優越的機械性能,使其廣泛應用在熱塑性與熱固性高分子作為補強材料。此環保發泡製程產生兩種型式的孔洞(Dual-pore),大孔洞是高分子基材中留下的空氣所產生,小孔洞則是在冷凍乾燥過程中移除水所形成的。圖十是美國華盛頓大學發表的超輕量奈米纖維素發泡材料,它是由74 wt%的奈米纖維晶體(Nanocrystalline Cellulose; NCC)、7.5 wt% PVOH以及18.5 wt%的交聯劑製備而成。
 
圖十、超輕量奈米纖維素發泡材料
圖十、超輕量奈米纖維素發泡材料
 
近年來隨著全球限塑問題持續發燒,輕量化的纖維素基發泡材料備受關注。全球最大居家用品零售企業宜家家居(IKEA) 從2019年中開始使用可堆肥的蘑菇基發泡材料(Myco Foam)包裝其產品,此新材料為農業廢棄物循環再利用,與傳統石化塑膠相比,其生產製程僅使用12%的能量,並減少90%碳排放量。Myco Foam是美國紐約州倫斯勒理工學院學生利用農業廢棄物和菌絲體創造之新材料,透過簡單的壓製成型製程,引入菌絲體,成長去活化。產品可以重複使用,廢棄時在堆肥環境下僅需30天即可分解。
 
4. 聚乳酸發泡材料
1994年Cargill開始商業化生產聚乳酸(Polylactic Acid; PLA)酯粒,旋即拉開PLA發泡材料開發的序幕。PLA年產能已接近46萬噸,是全球供應鏈最穩定以及產品應用最為成熟的生質/生物分解聚酯材料。NatureWorks(美國)和Total Corbion(法國–荷蘭)是全球最大的兩家聚乳酸供應商,占據70%以上市場,其他有比利時Futerro、奧地利weforyou、中國海正等已初步具備聚乳酸量產技術。Total Corbion Luminy® PLA樹脂系列是由泰國本地採購的可再生非轉基因甘蔗製成。2019年,由於海洋塑膠垃圾污染議題以及全球限塑政策,使得PLA的需求爆發式增長,聚乳酸全球供不應求,價格上漲超過 ---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》426期,更多資料請見下方附檔。
 

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