高信敬、劉弘仁 / 工研院材化所
我國自行車年產約300萬台，平均每台自行車製造的碳排約174 kg CO2e，總碳排高達52萬噸/年以上，因傳統自行車重要部件如車架、車把、輪框、曲柄、前叉等皆以高溫高碳排製程之金屬及碳纖補強熱固複材為主，使得不易回收再利用。本文將介紹碳纖補強熱塑複合材(CFRTP)研製腳踏車架等輕量化塑件之國外發展現況，並探討E-bike用CFRTP射出材料製程的先期評估研究，期能對自行車產業因應全球暖化之永續ESG做出貢獻；另外也將扼要說明現階段高分子複材在運動產業中之應用例，以及減碳之可行方向。
【內文精選】
前 言
傳統自行車重要部件如車架、車把、輪框、曲柄、前叉等皆以高溫高碳排製程之金屬及碳纖補強熱固複材為主，不易回收再利用。國外目前已開始研發量產腳踏車用之碳纖補強熱塑複合材(CFRTP)，訴求熱塑可回收及高速射出成型(不需如熱固複合材的耗時硬化交聯架橋反應過程)等低碳特色。據此，將可因應歐盟碳稅機制於2027年上路的綠色關稅障礙，此碳稅約100美元/噸，我國自行車產業將面臨5,200萬美元/年之碳稅壓力，長期而言甚至有被禁止進口的風險。另一方面，巨大、美利達等大廠去(2022)年電動自行車(E-bike)產值已超越傳統腳踏車，且其營收占比也創新高；台灣E-bike去年出口量約104萬台、平均出口單價逼近1,500美元、年增12.5％，推升E-bike出口值達到15.53億美元、年增18％，出口量與出口值雙雙創新高，預估2028年全球E-bike產值將超過新台幣1.5兆元。
2021年我國自行車年產約300萬台，根據全球最大自行車品牌美國TREK公司統計，平均每台自行車製造的碳排約174 kg CO2e，全台自行車製造總碳排高達52萬噸/年以上，減碳已為勢之所趨！
國外熱塑可回收/低碳FRTP纖維補強熱塑複合材研製E-bike之Benchmark
比利時Solvay工程材料廠與摩洛哥Stajvelo腳踏車廠合作，量產尼龍工程材料PA6T+50%GF長纖複合材(Solvay商品料號：Xencor™ PARA LGF-1050)的射出全複材塑件Stajvelo RV01車款之E-bike，使用於包括車架結構及上、下管、車把、龍頭、輪框、曲柄、前叉、座管及立管、後擋泥板兼貨架、後下叉、側柱、踏板等重要部件，在E-bike廢棄後塑件可完全回收(如圖三)。此外，Solvay和Stajvelo還計劃將這種技術應用到其他領域，例如航空和汽車工業等，透過這種方式促進永續發展，同時也為自行車和其他產業帶來更多的創新。
圖三、Solvay與Stajvelo車廠合作量產射出熱塑GFRTP E-bike
國外熱塑可回收/低碳CFRTP研製E-bike之Benchmark
另AKRO、ENGEL、VELOSION之V-Frames等三家公司也合作推出回收碳纖補強熱塑複合材(rCFRTP)射出E-bike車架材料。2020年來自VELOSION旗下的品牌V-Frames公司成功驗證了透過半芳香尼龍PA-CF40射出全塑膠車架的可行性。從原材料出發，實現綠色發展的AKRO-PLASTIC公司與V-Frame專門針對該應用形式和加工製程進行優化，共同開發了一種全新的回收碳纖維(Recycled Carbon Fiber)補強尼龍複合材AKROLOY® PARA 6128料號。AKRO-PLASTIC提供的基於半芳香的尼龍，以40%碳纖填充補強成為最優材料，相比傳統60%玻纖增強規格，碳纖維可以減輕20%的重量，並且提高70%剛性，相對於傳統生產工藝的鋁合金車架，能減少50%的碳足跡。
材化所前瞻計畫研發E-bike用CFRTP目前的進展
工研院材料與化工研究所透過低剪切/高分散的複合化混合分散造粒技術(圖八)，可降低補強碳纖切股被雙螺桿混煉螺塊剪斷，進而提升補強碳纖分散長度，據此躍升CFRTP強度與剛性。初步研製之CFRTP複合材的彎曲強度與剛性，以及流變加工性於高剪切中流動特性，與AKROLOY® PARA 6128競品料差異不大，並已成功試射出輕量化一體式座弓座墊雛形品 ---以上為部分節錄資料，完整內容請見下方附檔。
圖八、工研院材化所自製CFRTP的低剪切/高分散的TSE複合化混合分散螺塊造粒技術
★本文節錄自《工業材料雜誌》437期，更多資料請見下方附檔。