萬厚德、莊仲揚、陳芝安、董泯言、張昌榮 / 工研院材化所
全球206家知名紡織品牌商共同訂於2025年增加25%之回收聚酯使用量、2030年達成100%使用回收聚酯/永續材質紡織品，而在紡織品製程中，邊料、裁剪之廢布因無法脫色回用而增加額外清運成本，因此應儘速建立Fiber to Fiber循環聚酯纖維產業鏈。目前回收聚酯受限於低脫色率(~70%)及熔融回收易裂解之技術瓶頸，限縮其可再利用性，工研院所開發的水溶液型及超臨界流體之環保脫色技術，可針對不同結構分散染料在聚酯纖維膨潤的條件下將染料萃取溶出，達到深層脫色的效果。
【內文精選】
前 言
為了克服聚酯纖維染料無法完全去除的問題，目前眾多聚酯纖維製造廠商、研發機構及新創公司，均已投入相關研發資源開發聚酯纖維及紡織品的脫色技術。聚酯纖維及紡織品的脫色技術可分為化學處理以及物理溶解脫色兩大類，其中化學處理是利用處理劑以氧化或還原的方式改變染料結構及極性，使其容易自纖維/紡織品結構中溶出而達到脫色效果；物理溶解脫色則是利用溶劑與染料的親合性，藉由溶劑滲透至纖維及紡織品結構中將染料溶出，可再細分為有機溶劑萃取與蒸氣迴流萃取兩種，其差異在於是以液態有機溶劑，或是將有機溶劑蒸發為蒸氣後，利用蒸氣穿透紡織品以溶出纖維中的染料。
現有的脫色技術以有機溶劑萃取占多數，其中又以芳香族溶劑或是醇類/醚類混合溶劑為主，配合特殊設備(高溫/高壓操作)達到所需的脫色功效；但此技術同時會產生有機溶劑廢液，需同步建構完整的回收–再利用製程技術，避免造成環境上的衝擊，且在成本與操作便易性上有其侷限。蒸氣迴流萃取的脫色效果因得力於蒸氣的高穿透性，脫色效果較佳；但操作時間冗長造成可量產性上的限制，且亦存在有機溶劑廢液處理問題。化學處理雖可改變染料溶解性，但有可能造成副反應發生進而降解聚酯纖維分子鏈，使得回收聚酯纖維的物理特性變差而不堪再製使用；且化學處理所使用的處理劑具反應性，需考慮製程使用上的安全性以及脫色處理後的廢液處理，避免造成更大的環境衝擊。綜合以上所述，聚酯纖維的脫色技術是影響廢棄聚酯紡織品能否回收再利用及形成Fiber to Fiber封閉工業循環鏈的核心關鍵，但現行脫色技術在實際應用上皆有尚待克服的問題，在未來才有可能實現具經濟效益之工業量產技術。
水溶液型脫色技術介紹
由工研院所開發的水溶液型脫色促進劑(Decolorization Accelerator)可針對聚酯織物進行深層脫色，透過不同染料結構之溶解度參數相異，設計脫色促進劑進行全色域深層脫色。在低溫條件下(90~120˚C)將纖維中的分散染料萃取分離，大幅降低聚酯中染料的殘留量，有效提升回收纖維的可再利用性。脫色促進劑所含的膨潤劑在大於聚酯Tg溫度(>80˚C)的條件下可增進纖維在非結晶態膨潤，有助染料從纖維縫隙中脫附並擴散至水溶液，再藉由界面活性劑將非極性的分散性染料從聚酯纖維萃取並分散溶解於水溶液中(圖四)。
圖四、聚酯纖維於水溶液型脫色促進劑的染料移除機制
超臨界流體脫色技術介紹
除了水溶液脫色配方之外，工研院亦針對聚酯織物分散性染料的移除，開發超臨界流體(Supercritical Fluid)脫色技術。二氧化碳在條件溫度高於臨界溫度Tc =31.26˚C及壓力高於臨界壓力Pc = 7.2 MPa的狀態下，其密度近於液體而黏度近於氣體，擴散係數為一般液體的100倍且具有優異的溶解能力和滲透性。以超臨界CO2作為聚酯纖維脫色用的染料萃取溶劑，其優點除了CO2價格低廉、無爆炸性、具惰性、無毒、易取得之外，在萃取後不會殘留於纖維中形成不純物。雖然超臨界流體的設備建置費用較高，約為水溶液脫色法所用染機價格的20~30倍，但在脫色完後沒有廢水的產生及後續處理的問題。使用超臨界態CO2流體搭配膨潤劑，針對不同結構的分散性染料在聚酯纖維膨潤的條件下可將染料萃取溶出(圖六)。
圖六、超臨界流體萃取聚酯纖維染料之脫色流程
超臨界CO2同時具有氣體的低黏度、高擴散係數、低表面張力及液體的高密度、溶解能力等特點，對聚酯纖維分散染料的溶解能力可隨著溫度及壓力的調控加上膨潤劑的使用而提升。此外，系統中的超臨界CO2及脫色促進劑在完成脫色後，可被氣化與染料分離後回收，達到循環再利用且零廢水排放的聚酯纖維脫色效果 ---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》437期，更多資料請見下方附檔。