林哲增 / 工研院材化所
隨著研發與科技的水準提升，高分子材料的應用領域越來越廣泛，但其不可分解的特性，造成大量廢棄物的累積，致使環境污染的問題日益嚴重。目前由循環料源替代大部分石油衍生塑料，已成為解決方案之一。本文將概述如何以回收PET作為原料，藉由一鍋法的化學回收，將其轉化成熱塑性聚酯彈性體與可生分解聚酯材料PBAT。
【內文精選】
循環PET再製彈性體材料技術
雖然化學回收法存在技術門檻高、能耗及成本較高等限制，但其優勢在於透過化學解聚/再反應、再聚合等方式，可將回收PET轉化成新的化學材料，擴大整個衍生產品的價值與應用領域。此可達到循環兼顧經濟效益的潛力，讓材料循環系統建立應有經濟效益評估為原則。
符合環境3R(Reduce、Recycle、Reuse)趨勢之高值化材料— 熱塑性聚酯彈性體(Thermoplastic Polyether Ester Elastomer; TPEE)，其結構及製程與PET相似，可利用PET循環料取代石化原料PTA，將其轉化為rTPEE彈性體，建構彈性體材料之新綠色製程技術，同時提升再生產品的價值與應用性。透過二元醇對廢棄PET進行降解，可獲得rTPEE組成中的硬鏈段結構，後續再加入軟鏈段的原料Poly(alkylene ether)，進行熔融縮聚，經反覆的酯交換脫除二醇後製得rTPEE。
循環PET再製高彈性回復纖維技術
TPEE由硬段分子結晶形成的物理交聯作用力較弱，材料易產生不可逆形變，將此材料用於高附加價值衣著用彈性纖維材料時，則因彈性回復率較差而大幅限制其發展。因此工研院材料與化工研究所團隊在回收PET再製彈性體材料聚合上，如圖七所示，透過分子結構設計與改質，創造結構中產生能承擔應力的結點，提升分子間的作用力，並搭配軟、硬段鏈段的比例調控，最終可得到具有高彈性回復率的材料。本技術已具備rTPEE百公升聚合放大製程技術，在纖維加工上，藉由調整熔體流變速率，搭配驟冷固化及順向延伸技術，控制rTPEE之結晶行為，避免彈性纖維成型後發生沾黏的問題，順利完成纖維成型的驗證。
圖七、TPEE結構改質示意圖
可降解高分子材料進展
要達到快速降解的塑膠材料主要有兩種，分別是光降解和生物降解。前者是在傳統塑膠中添加特定比例的氧化促進劑，使塑膠的分子結構在受熱或陽光曝曬的環境中發生光化學反應，再加上大氣中氧氣的催化，破裂形成細小的塑膠碎片；然而由於光降解塑料的分解受限於溫度、光照強度的影響，及降解後的小碎片無法完全分解等缺點，最終宣告失敗。生物降解則在適當的堆肥環境下(溫度、濕度、氧氣、微生物及磷、鉀、氮存在於土壤中)，分子鏈會水解成寡聚物及單體，再經由微生物分解成對環境無害的二氧化碳和水，最後回歸自然界的循環，因此成為目前可降解塑膠的主流材料。
生物塑膠材料市場及應用
生物塑膠材料依照種類可分為天然高分子、微生物合成高分子和化學合成高分子。天然高分子通常是將多醣類(如澱粉)進行改性，或直接與合成高分子共混，具有成本低的優勢，但受制於性能較差，如不防水、缺少韌性等，因此應用有限。微生物合成高分子則是利用微生物在生物質(澱粉、油脂)上發酵來合成，如聚羥基脂肪酸酯(PHAs)；化學合成高分子依據原料來源不同，可再細分為生物基可降解和石油基可降解塑膠，如聚乳酸(PLA)、聚對苯二甲酸己二酸丁二醇酯(PBAT)和聚丁二酸丁二醇酯(PBS)等，其在機械特性、熱性質的表現與傳統塑膠較為接近，能滿足使用需求，同時也可藉由分子結構的設計、物理或化學的改性來調節材料的力學性能、降解速率、加工性能，而被廣泛應用於包裝材、一次性餐具、農用地膜等領域。
循環PET再製生物可分解材料PBAT
合成PLA與PBS的單體，皆有生質料源可使用，唯獨PBAT中的對苯二甲酸(PTA)，尚無非石化料源的替代方案。因此工研院材化所研究團隊藉由循環料源回收PET取代石化單體PTA，搭配結構設計，將PET解聚並轉化成可生分解聚酯材料(PBAT)，建立rPBAT綠色新聚合製程(圖十五)，透過初步的實驗評估與性質驗證，可得到與PBAT新料匹配的物性水準---以上為部分節錄資料，完整內容請見下方附檔。
圖十五、PET解聚再製PBAT反應路徑圖
★本文節錄自《工業材料雜誌》432期，更多資料請見下方附檔。