汪孟緯 / 旺來企業股份有限公司
熱固型複合材料係指以熱固型高分子為基材的纖維補強材料，應用到產品上具有質地輕、堅固、耐用等特性，利於減少產品使用週期中的碳排放。然而，基於材料本身特性，相關廢棄物處理為產業長期以來遭遇的難題，在環保減碳趨勢下，加速了複材產業面對廢棄物處理與再利用議題，亟需尋求有效的解決方案。本文將概述熱固型複合材料使用與廢棄物處理的產業現況，並以印刷電路板、風力發電及船體應用為例，淺談目前台灣產業瓶頸與未來展望。
【內文精選】
風力發電應用產業現況
全球環保意識抬頭，為取代原本高汙染的石化能源，世界各國開始積極擴展永續能源的開發，風力發電設施因而加速擴張。 然而，由於現今風機葉片幾乎由熱固型纖維複合材料構成，導致退役後的風機約有10~15%的部分並無法回收再利用。根據歐洲風能協會(WindEurope)與EuCIA估計，儘管風機的使用年限長達20~25年，退役葉片產出的複材廢棄物將在2025年達約6.6萬噸，占當年度複材廢棄物總預估量約10%左右；且隨著風場的快速擴張，預計2050年全球退役的葉片重量將高達4,300萬噸。未來大量複材廢棄物的處理問題將不容忽視，但目前業界對於退役的葉片廢棄物幾乎只能以粉碎後掩埋的方式處理，對環境造成極大的危害，使得相關廠商不得不加速思考解決方案。
圖四、Recyclamine環氧固化物降解示意圖
船體應用產業現況
目前船用玻纖複材主要以不飽和聚酯樹脂(Unsaturated Polyester; UP)為基材，以手積層製法製作船體。不飽和聚酯樹脂以二醇跟酸酐進行酯化合成，藉由馬來酸酐在結構中導入不飽和雙鍵， 使合成出的聚酯寡聚物可透過低溫自由基聚合進行固化，產物可以苯乙烯為稀釋劑，根據施工需求調整黏度，產品具有價格低廉、堅固耐用等優勢而廣泛應用在交通載具中。雖然不飽和聚酯樹脂市占率高，但現階段業界並未有完善的回收制度處理其廢棄物。以化學結構的觀點來看，透過酸解或鹼催化水解都能針對結構中的酯基進行破壞，將網狀結構分解成SMA寡聚物(Styrene-Maleic Anhydride Copolymer)與小分子單體；遺憾的是，基於材料高交聯密度與疏水性特性，降解製程中的觸媒、溶劑、溫度、時間等條件受到侷限，導致降解效果與製程成本難以達到理想的平衡點。因此，雖然自2012年以來陸續都有學術文章討論如何針對不飽和聚酯系統的複合材料進行化學回收，卻遲遲未能落實到產業應用。
為了解決未來廢棄漁船的困境，上緯集團近期也開發出自由基聚合體系的EzCiclo可降解樹脂RH513，適用於目前漁船業者的手積層工藝。經初步測試材料物性可符合業界規範，並已委由船商試製簡單部件，確認操作性與固化性無虞，部件裁切後於實驗室評估降解效果，使用CleaVER降解液於150˚C下2.5小時可完全降解，順利分離纖維與樹脂(圖十)。
圖十、部件以CleaVER降解過程與成果
印刷電路板產業現況
PCB主成分普遍由銅、玻璃纖維以及環氧樹脂構成，製程上會以溶劑型環氧樹脂含浸玻璃纖維後壓合成絕緣預浸料，再與銅箔壓製成銅箔基板(Copper Clad Laminate; CCL)，CCL經多道製程處理後製備成符合各種產品應用需求的PCB板材。
目前業界對於PCB廢棄物回收主要有三種方式：機械破碎法、火法冶金與濕法冶金。機械破碎法是最直接且簡易的做法，但欲將金屬物質與玻纖樹脂有效分離，需將PCB廢棄物研磨到極細顆粒。依《印刷電路板業資源化應用技術手冊》列舉的應用個案所述，玻纖樹脂粉的品質標準為粒徑250 μm以下、總金屬含量1%以內，導致耗能較大、處理成本較高，且容易造成粉塵汙染，增加現場操作人員安全性風險。
以目前技術而言，要將分解後的寡聚物再應用至原配方中產出穩定的產品十分困難，為符合未來環保趨勢，筆者團隊於近期以廢棄樹脂為原料製備EzCiclo環氧樹脂硬化劑，與常規雙酚A型環氧樹脂BE188固化後，其玻璃轉移溫度(Tg)可達125˚C以上，固化物以CleaVER降解液於135˚C下反應2小時後，可順利將其分解，並透過簡單的處理程序分離出分子量1萬以上的苯氧樹脂，預估可再應用到其他產品作為功能添加劑使用(圖十二)。產品目前已著手與廠商配合，共同評估在PCB以及EMC (Epoxy Molding Compounds)上的應用潛力 ---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。