林哲增、尤崇翰 / 工研院材化所
受到歐盟將於2026年正式實施碳邊境調整機制(CBAM),以及國際品牌大廠紛紛提出產品採用回收或永續材料,並發表減碳的時程表與里程碑後,碳足跡將成為產業競爭力的重要因素,這亦表示低碳且可回收的新料源,將是相關中下游產業的優先迫切需求。本文將概述如何以回收PET作為原料,將其轉化成熱塑性聚酯彈性體、可生分解聚酯材料及水性環氧乳化劑,俾提升回收塑料經濟價值,朝向高值化應用,打造更低碳的新料源。
【內文精選】
回收PET再利用發展現況
近年來消費者逐漸意識到環境永續性的重要,這將有利於回收聚酯市場(rPET)的增長;此外,北美和歐洲已開發國家所實施之垃圾掩埋禁令亦將推動rPET市場。Grand View Research的統計資料顯示,2019年全球rPET市場規模為73.4億美元,預計複合年增長率為7.9%;隨著已發展國家實施的垃圾填埋禁令,預估年複合增長率將提升至8.5%。
PET以化學解聚回收方式主要是在特定條件下,經化學反應使PET聚合物降解,除了可生成小分子二醇和對苯二甲酸(TA)單體,也可透過對反應的調控,使部分解聚生成低聚物。針對廢棄PET的化學回收,所採用的化學降解法主要有醇解、水解、糖解三種方式。在醇解中,最常見的就是以甲醇(MeOH)進行降解,可以將廢棄PET分解成對苯二甲酸二甲酯(DMT)和乙二醇(EG);水解則是藉由水的作用,經水解反應將廢棄PET分解成TA和EG;而最典型的糖解是透過EG對廢棄PET降解,使其分解成對低分子量的BHET重複單元寡聚物。
開發材質單一化產品落實永續設計理念
為有利於回收範圍擴大且更便利,設計開發材質單一化產品為未來趨勢。可回收且同時具有橡膠的彈性、柔軟性和熱塑性樹脂的剛硬性與易加工性的聚酯彈性體TPEE (Thermoplastic Polyether Ester Elastomer)已成為重要的原物料來源,其具有極大潛力可取代傳統如運動鞋或彈性機能紡織品的熱固型材料,形成可回收的單一熱塑聚酯材質新產品,以達成產品永續設計理念。然而傳統TPEE是由全石化料源所製得,碳排高達5.34 kgCO2e/kg,亟需透過結構設計與非石化綠色原料的搭配來開發低碳彈性體材料。
TPEE市場與應用
根據Grand View Research市調的統計,2019年全球TPEE市場規模估計約10.2億美元,預計2020年至2025年將以6.6%的複合年增長率(CAGR)擴大。由於TPEE具有優異的機械強度、耐熱性、耐化學品、耐油性、耐磨耗以及高低溫的耐撓曲、輕量化等特性,可廣泛地在如圖四所示的汽車零部件、電子工業配件、3C線材、運動器材及民生消費等領域使用。
圖四、TPEE各領域的應用產品
循環PET再製生物可分解材料PBAT
工研院研究團隊藉由循環料源回收PET取代石化單體,搭配結構設計,將PET解聚並轉化成可生分解聚酯材料(Biodegradable Polyester),建立rPBAT綠色新聚合製程,透過初步的實驗評估與性質驗證,已達到與新料PBAT可匹配的物性水準。而透過回收PET(製程碳排0.35 kgCO2e/kg)取代TA(1.76 kgCO2e/kg),搭配觸媒與製程參數的控制,可有效縮短循環PBAT合成的時間,其製程碳排可從新料的4.20 kgCO2e/kg下降至3.40 kgCO2e/kg,達到減碳19%的功效,同時低碳料源是採用回收PET,成本仍與新料是可競爭的。
循環PET再製水性環氧樹脂乳化劑技術
為提升PET塑料再利用的經濟效益,工研院透過化學酯交換反應,將回收PET轉化成高價值的水性環氧樹脂關鍵物料—乳化劑(Emulsifier),擴大整個衍生水性塗料產業鏈的價值與應用領域,達到循環兼顧經濟效益的潛力。
回收PET塑料透過非離子型的聚乙二醇進行化學改質反應,設計出乳化效果優異的反應型之乳化劑,結構中具有對環氧樹脂相容性更佳的親油段結構,搭配聚乙二醇之親水段,可乳化高分子量環氧樹脂,並在硬化過程中參與反應,避免成膜後有乳化劑游離的疑慮,製程示意圖如圖十一所示。透過回收PET取代石化原料製程而來的TA與乙二醇,其乳化劑製程碳排可從使用新料的7.9 kgCO2e/kg下降至4.77 kgCO2e/kg,達到減碳效益40%,回收效益具有可競爭性---以上為部分節錄資料,完整內容請見下方附檔。
圖十一、PET解聚再製乳化劑製程示意圖
★本文節錄自《工業材料雜誌》437期,更多資料請見下方附檔。