王業昇 / 工研院材化所
在全球節能減碳風潮及綠色環保政策驅動下，熱塑性複合材料因擁有韌性高、耐衝擊性能佳、製造週期短、可重複加工性，而成為開發的重點。其中，熱塑性工程塑料之PET可利用雙螺桿反應押出技術製備成低溫聚酯，改善其冷卻時結晶速度過快、熔融張力小而導致成型加工的困難，使之具備良好的柔軟性和低熔點。而優異的機械強度和易加工特性，使其適合作為後續熱塑性複材應用之原料，並可進一步透過再生與高值應用技術，導入環保綠建材產品市場。不僅能去化混合聚酯廢塑，減少焚燒與掩埋所造成的環境污染，亦同時達成高值應用的目的。
【內文精選】
市售低溫PET分析
市售低溫PET之熱分析結果顯示其特性與常規PET除熔點外無顯著差異。為了進一步進行結構解析，我們後續透過熱裂解氣相層析質譜儀(Pyrolysis-GC-MS)，將市售低溫PET萃取後，於低溫環境下進行裂解，測得片段結構進行分析比對，判斷其成分應為PET以及PTMEG。為了進一步確認市售低溫PET為共聚或是混摻達到低溫特性，我們後續進行了高溫裂解分析。由高溫764˚C的Py-GC-MS分析片段推測，樹脂主要成分應為PET與PTMEG共聚所組成，由此可推測該產品是以PTMEG作為軟鏈段達到低溫特性。此外，我們亦進一步透過NMR解析，判斷市售低溫PET之主結構為PET與PTMEG，比例約為93:7。
低溫聚酯改質技術
1. 模擬設計
工研院材料與化工研究所透過材料物性設計模擬技術，針對塑膠材料設計材料相容與分散技術，進行PET的混合配比組成設計，由具有高硬度、高熔點的玻璃型或結晶型聚酯硬鏈段，以及具有柔軟性、低玻璃轉移溫度的長鏈、非結晶型聚醚或聚酯軟鏈段，組成多嵌段共聚高分子，進行分子量及鏈段區段調控設計，並透過模擬預測高分子形態、大小及微結構，選擇相容性較佳的分子結構進行改質(圖五)。
圖五、1D-Density Concentration Distribution
2. 反應押出技術
工研院材化所長期以來投入螺桿反應押出之研究，開發快速連續式低熔點聚酯製備技術，利用雙螺桿反應押出(TwinScrew Reaction Extrusion)技術，透過螺桿組態模擬設計，以Top-down的方式製備低熔點聚酯。此製程技術快速、具連續生產性且低VOCs，與過去批次式聚合反應大量使用溶劑而造成汙染，且無法連續生產有所不同；亦優於傳統Bottom-up生產方式，可解決聚合反應時間長之問題，有效提升聚合效率，節能且具經濟效益。
3. 物性調控
實驗始於調控二元醇的比例來了解此因素對PET熔點的影響。如圖七(a)所示，自製低熔點聚酯隨著所加入二元醇單體濃度提高(圖七之橫標軸往右)而降低熔點。此結果顯示，如將二元醇導入聚酯中不僅會降低其熔點也會降低其IV值。再者，當所加入之二元醇分子量提升時，所製備而成之低溫PET，其熔點無法如使用短鏈二元醇所製備而成的低溫PET低，但能保留較高的IV，如圖七(b)。推測其原因可能為短鏈二元醇的反應性較長鏈二元醇的反應性佳，因此導致大部分的PET被降解為小片段進而影響其IV值。接下來，將二元醇改為三元醇以增加聚酯之交聯程度，降低因使用二元醇作為醇解原料會導致IV大量下降的缺點。如圖七(c)所示，當使用三元醇作為醇解材料時，改質後的低熔點聚酯之IV如預期比使用二元醇解來得高，IV值提升。再者，當使用三元醇時，其產物的融化熱也會隨之降低。由圖七(c)可知，當將二元醇改為三元醇時，產物的融化熱會下降，顯示三元醇會導致產物的結晶度下降。
圖七、低熔點聚酯反應影響因素關係圖
低溫聚酯改質技術
低溫聚酯技術除了對PET純料進行物性改良，另一大特色是可對回收PET做改質，將原本塑膠分子進行結構重組，降低塑膠熔點，避免製程中裂解，並且改善不同塑膠間相容性不佳之問題，提供良好的物性，非常適合作為熱塑性複材應用之再生原料，並且可將其導入綠建材(Green Building Materials)相關產品，包括：建築扁條、塑木板材與建築用隔間材，開發有別於市場之高性質產品。工研院材化所協同塑膠中心，以回收低熔點改質廢塑聚酯為主要材料，透過配方設計與纖維相容混摻，共同開發具高抗折強度(為HDPE的1.5~2倍)、耐溫、且含25%回收料之建築扁條，利於國際運輸與高附加價值60 cm長踢腳板等產品，達成高值低溫聚酯複材應用之目的---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》432期，更多資料請見下方附檔。