謝峰銘、蘇湋盛、王美華、時國誠 / 工研院材化所
聚烯烴彈性體(POE)性能優異且應用廣泛，全球需求保持增長。面對國際頁岩氣開採所造成國內聚乙烯產能利用率的衝擊，乙烯的利用勢必朝高值化產品發展，聚烯烴彈性體材料正是國內乙烯高值化發展之重要項目。本文將淺談聚烯烴彈性體應用與市場狀況，並針對聚烯烴彈性體合成觸媒與製程技術的發展，以及工研院研發成果加以介紹。
【內文精選】
聚烯烴彈性體應用與市場
根據Maia Research報告指出，全球車用TPO終端應用是POE的最大消費領域，約占55%，其次是發泡鞋材約占15%，電線電纜約占10%，包裝材約占8%，其他還包括熱熔膠、太陽能封裝材等應用也逐漸嶄露新需求。對於汽車組件應用領域，POE主要用於PP改性，以提升PP之耐衝擊強度及拉伸性質。CNCIC報告解析POE於汽車組件的應用分布如圖二，汽車內部PP組件(如方向盤、座椅等)一般添加10~15 wt%之POE；汽車外部PP組件(如保險桿、擋泥板等)則添加較高的17~25 wt%之POE。對於鞋材應用領域，POE作為發泡鞋材之EVA聚合物改性添加劑，添加量占10~20 wt%，可提升發泡材的強度、彈性、UV穩定性，並降低重量及收縮率。電線電纜工業領域所用POE產品則主要應用於對耐熱性、耐環境性要求高的絕緣層和護套，對於電纜被覆材之改性LLDPE，POE添加量占20~30 wt%，可替代EVA或EPDM用於非PVC電線電纜應用，表現更優異的性能。
圖二、POE於汽車組件之應用分布
聚烯烴彈性體聚合技術發展概況
1. 觸媒體系介紹
觸媒是烯烴配位聚合技術的核心。對於乙烯與α-烯烴共聚物而言，POE的出現與烯烴配位聚合觸媒的發展有密切的關係。從最初用於製備高密度聚乙烯(HDPE)的Ziegler-Natta觸媒， 到活性更高、聚合物結構更可控的單活性中心茂金屬觸媒，再到共聚能力更強、耐高溫性能更好的限制幾何構型觸媒(Constrained Geometry Catalyst; CGC)，以至不含環戊二烯類配位基、結構更豐富的非茂觸媒。
2. POE生產製程介紹
POE的商業化生產主要是通過使用單活性中心觸媒的溶液聚合製程。1960年代中期，Dow公司開發了一種低壓溶液製程，用於生產稱為DOWLEX™的Ziegler-Natta乙烯–辛烯共聚樹脂。而這種製程本身則被Dow公司稱為DOWLEX™溶液製程，該製程使用兩個連續攪拌釜反應器(CSTR) 串聯，通過反應器的回流冷卻除去聚合熱。CSTR溶液聚合製程的一個主要缺點是不能適應非常高的除熱負荷，而聚合反應器中的回流冷卻提供有限的除熱能力並受反應溫度的影響。茂金屬或CGC觸媒通常需要比Ziegler-Natta觸媒更低的反應溫度，因此，使用茂金屬或CGC觸媒進行生產時，需要稀釋聚合物濃度或降低轉化率。隨後，1990年代至2000年，Dow公司開發了環流(Loop)溶液聚合反應器以取代CSTR溶液聚合反應器，每個環流反應器至少有一個原位熱交換器，從而提高了去除聚合熱的能力，這允許更高的聚合物濃度和更高的單體轉化率；此外，可以使用較低的聚合溫度。具有環流反應器的溶液聚合裝置的生產率顯著提高，可以實現至少兩倍的生產率。該製程示意圖如圖六所示。
圖六、Dow公司的DOWLEX™環流溶液製程簡化流程圖
工研院於聚烯烴彈性體聚合技術之發展概況
工研院材料與化工研究所近年投入茂金屬觸媒與烯烴聚合技術開發，已建立關鍵茂金屬觸媒相關專利技術布局，以及烯烴聚合製程技術。透過不同配位基橋聯結構之茂金屬觸媒設計，發展利於結構較大的烯烴單體參與乙烯共聚合反應之茂金屬觸媒，提升烯烴共聚效率。並建構絕水絕氧高壓聚合調控與製程技術，產出POE之α-烯烴共聚量可達40 wt%以上；藉由鏈轉移劑調控聚合分子量，可獲得適當的熔融指數。聚合製程方面將由批次式聚合系統朝向連續式聚合系統演進，主要包括連續溶劑除水系統、高壓微量進料系統及高壓聚合反應系統，能夠協助業界進行POE或其他特用化學品之評估開發。現階段工研院所開發的POE產品已符合指標商品Dow ENGAGE™ 8150及ENGAGE™ 8180之基本材料規格，將持續導入輕量化汽車組件、高性能發泡鞋材或無鹵電線電纜等應用評估驗證---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》429期，更多資料請見下方附檔。