劉弘仁 / 工研院材化所
隨著環保意識提升，廢棄塑膠包裝的去向也逐漸被人們所重視，目前全世界每年約生產7,800萬公噸的塑膠包裝材料，約有14%能進入回收體系，最後僅僅只有170萬噸(約2%)能回到原來的塑膠包裝應用體系中。如今循環經濟逐漸成為顯學，具備重新循環再利用潛力之單一化材質包材成為當紅的開發方向，而其中的BOPE(雙軸延伸聚乙烯膜)結構層的加工及生產技術，是單一化包材中最關鍵的部分。本文概述單一化包裝的沿革，並探討BOPE技術的開發現況與遭遇之挑戰。
【內文精選】
前 言
現階段傳統的塑膠包材大都經由多種薄膜積層而成，各層薄膜提供材料不同用途，如阻氣、抗穿刺、印刷、結構強度及熱封性等等，市場極其廣大，推估到2029年，全球軟性積層膜市場將會達到123億美元，年複合成長率5.6%。由於異質材料本身無法回收或僅能做一次的低階回用(塊材、地磚、步道等)，所以大多是以焚化處理。部分需求阻隔性高的鍍鋁或鋁積層薄膜，在焚化後鋁會沉積於焚化爐底，且回收比例極差(焚化爐底灰可從鋁罐頭中以鑄錠的形式回收近八成，含鋁托盤僅五成，含鋁複合膜回收率則不到三成)，所以許多地方的焚化爐已經不再收含鋁塑膠垃圾。然而，要將鋁積層膜中的鋁分離，其難度很高且成本昂貴不具經濟效益，所以將包裝材料單一化且無鋁化，成為現今循環經濟的趨勢。
包材單一材質化
異質積層複合包材是現今大部分塑膠包裝的主流，也是目前包材回收最大的阻力。主要的原因是各功能層透過化學分選不具有量產性及經濟效益，物理分選又無法分離各層結構；又因各層結構多具不可取代性，若需要抽換替代掉其中的材料，則需要由其他層補上其特性，難度甚高。傳統袋式應用最內層熱封接著層(Sealant Layer)大多採用聚乙烯(PE)，因其熱封溫度低、強度高且製程成熟，具有高度不可取代性。
圖六、(a)薄膜材質單一PE化；(b)常見單一化組成結構示意
BOPE薄膜及單一化包材技術
目前世界各國都有塑化公司在進行單一化包材的技術開發及推動，而要完成全PE類型的單一化包材，中間最關鍵的因子是BOPE薄膜(Bi-axial Orientation Polyethylene，雙軸延伸聚乙烯膜)。與傳統的聚乙烯吹膜(Blown Film)不同的是，BOPE薄膜具有更高的拉伸強度(約2.5倍)、更高的穿刺強度(約2.3倍)、兩倍的衝擊強度、更好的透明性及尺寸安定性。
由於與吹膜PE相比，BOPE具有很高的機械性能及光學特性，所以它對傳統積層膜中的吹膜PE層具有很高的減薄潛力。Dow宣稱BOPE可以比Blown PE減薄約一半厚度，且具有相等或更佳的機械物性(如圖十)，相較於極度成熟的BOPP(雙軸延伸聚丙烯膜)來說，BOPE的各項性能都與其相當，具有高度取代潛力。
圖十、Dow BOPE與Blown PE (a)性能；(b)減薄結構之比較
BOPE技術難題與挑戰
BOPE雖然具有高度開發潛力，也是單一化包材趨勢中最關鍵的一環，但是由於技術新穎，成熟度還不佳，還有許多挑戰需要面對，目前全世界的公司都在試圖克服這些難題，列點如下：
① 缺乏專用量產級原料：
由於先前PE薄膜大部分都是擠出流延膜(Cast Film)或是吹膜，沒有適配於雙軸延伸製程的材料。雖先前有日本Mitsui開發的SP3020 m-LLDPE、Dow的XUS 59910.08、SABIC的BX202及NOVA Chemicals的SURPASS® HPs267-AB原料，但都還是實驗室級階段，未有真正大型量產規模。
② 成本貴：
同①所述，由於未有專用量產級原料，造成生產成本高昂，但這部分問題有望在產能開出後解決。
③ 缺乏專用產線：
目前部分BOPE產線是沿用舊式BOPP或BOPE/BOPP Hybrid產線，沒有完整針對PE材料去做優化，延伸成品的品質穩定度還不夠。如欲提升品質，可能還需要重新針對BOPE特性去打造專用產線。
現階段工研院材料與化工研究所高分子組已掌握PE材料流變特性與熔融強度等關鍵因子，並建立加工視窗，已能在特定條件下進行6 × 6的BOPE雙軸延伸成功(圖十七)，具備高光學特性(Haze 3.2%)及高強度(Tensile > 70 MPa)，並完成貼合BOPE// PE全單一包材，未來可作為全PE單一材料包材的潛力基材，應用於食品、民化、生醫等多種領域 ---以上為部分節錄資料，完整內容請見下方附檔。
圖十七、工研院材化所高分子組自製雙軸延伸BOPE薄膜(倍率6×6)
★本文節錄自《工業材料雜誌》437期，更多資料請見下方附檔。