黃元昌、陳文揚、林宏誠 / 工研院材化所
全球減碳趨勢下，國內《氣候變遷因應法》也完成減碳目標制定，預計2050年達到淨零排放。鋼鐵產業由於碳排放量高，更是碳邊境關稅管制重點。彩塗鋼捲為鋼鐵產業之一，台灣每年約有60~70萬噸產量。從國際彩塗樹脂與塗料發展趨勢下，不難發現減少溶劑使用是減碳主要方法。工研院亦投入低溶劑聚酯與彩塗塗料開發，除了VOC含量從370 g/L下降至260 g/L，並將氣泡黏度從Z1下降至X，同時提升耐候效果，未來將有助於彩鋼產品減碳。
【內文精選】
VOC與減碳趨勢
有機溶劑是金屬塗料成分之一，一般來說溶劑含量占整體塗料30~50%。有機溶劑是用來稀釋、調整黏度、促使塗料流動和塗佈的化學物質，這些溶劑必須能揮發，減少在塗層乾燥後殘留，塗層才能發揮良好的保護效果，在這樣的要求下，塗料溶劑勢必成為揮發性有機化合物(VOC)之一。VOC會直接對人體產生危害，導致眼睛、鼻子和喉嚨的刺激，也可能引起頭痛、噁心、眩暈和疲勞等症狀；另外VOC亦會與大氣中成分參與化學反應，形成臭氧和細懸浮微粒等致污物，對空氣質量產生負面影響，進一步對人體產生傷害。
歐洲議會和理事會於2004年4月21日修改1999/13/EC指令，並發布DIRECTIVE 2004/42/CE關於限制塗料和清漆以及車輛修飾產品中揮發性有機化合物排放的指令，其中規定了特定塗料和清漆類別中VOC的最大允許含量，以確保在使用這些產品時，揮發性有機化合物的排放得到控制。如水性室內建築塗料下降至30 g/L、外牆塗料VOC要求下降至40 g/L。美國環保署Clean Air Act規範NSPS (New Source Performance Standard)，金屬捲材塗料VOC要求280 g/L以下。在國內，近年來(2015年)實施「高屏地區空氣污染物總量管制計畫」，第一期(3年)計畫規定VOC污染物需減量5%。
彩塗鋼捲樹脂與塗料發展趨勢
金屬表面在大氣中容易腐蝕，腐蝕的結果會造成金屬結構的破壞、損毀，因此金屬在應用時會於表面進行處理，處理方式包含：熱浸鍍鋅、電鍍鋅、熱浸鍍鋅鋁等，彩塗鋼捲也是其中之一。彩塗鋼捲是指將冷軋、鍍鋅、鍍鋅鋁鋼捲之表面塗裝各式塗料來保護鋼材或是賦予美觀。為了達到連續、快速、大量生產的目的，彩塗鋼捲製造都常是以捲對捲方式生產。一般原料為鍍鋅鋼捲，先進行脫脂、水洗後，再進行表面皮膜處理，將鍍鋅鋼捲以表面處理劑形成一薄薄的皮膜，接著在高速下進行底漆塗裝與高溫快速乾燥，面漆同樣進行塗裝並高溫乾燥，經由收捲後可得到彩塗鋼捲產品。
一般彩鋼正面塗層結構如圖二，包含鍍鋅層或鍍鋅鋁層、表面皮膜、底漆與面漆共四層，每層都有著不同的厚度與功能：①鍍層厚度通常為20 μm，主要作為犧牲陽極，避免金屬鋼材腐蝕；②表面皮膜是以鉻、磷酸或矽氧烷等化合物以增加抗腐蝕功能；③底漆厚度一般為5 μm，主要功能是提供面層與皮膜間之接著，並提供阻氣、阻水等防蝕功能；④面漆厚度為20 μm，一般分為PVDF、矽改質聚酯或聚酯三種樹脂塗料系統，主要提供彩色鋼捲面耐光、耐候性、美觀與保護性等。
圖二、彩鋼塗層結構
在市場方面，根據經濟部統計處工業產銷存動態調查資料統計，台灣彩色鋼捲2018~2021年產量約為60~70萬噸/年，產值約新台幣200~300億元。在2022年因疫後庫存調整與經濟下滑等問題，產量下降到56萬噸，產值仍保有新台幣244億元。在碳排放方面，根據SimaPro資料庫，聚酯熱浸鍍鋅碳排放為2.82 kgCO2e/kg，塗層鋼捲為2.99 kgCO2e/kg，以台灣每年約65萬噸彩鋼產量計算，彩塗鋼捲約有194萬噸CO2e/年碳排放，其中彩塗製程造成7.2萬噸CO2e/年碳排放。
為降低彩塗塗料VOC與碳排放，相關國際樹脂大廠皆投入開發低溶劑彩塗用樹脂。Allnex公司開發新型彩塗用聚酯塗料DUROFTAL® VPE 6128/70NAGB，與傳統聚酯黏度相同情況下(1,500~3,000 mPa·s)，非揮發分(Nonvolatile Content)從60%提高至70%，VOC從440 g/L下降至330 g/L，並具有良好接著、耐候等特性。Evonik公司同樣也發展高非揮發分聚酯樹脂，如DYNAPOL® LH 748-02，其非揮發分也達到65%、黏度約1,500~3,500 mPa·s。
工研院低碳彩塗樹脂與塗料
工研院為降低國內彩塗產業碳排放，同樣投入低溶劑聚酯樹脂與彩塗塗料開發。如圖四，利用聚酯結構設計導入低黏度單體來降低聚酯黏度，同時導入多交聯單體提高樹脂物性，成功合成之聚酯樹脂與塗料 ---以上為部分節錄資料，完整內容請見下方附檔。
圖四、低溶劑聚酯樹脂設計
表四、工研院開發聚酯樹脂與塗料性能比較
★本文節錄自《工業材料雜誌》446期，更多資料請見下方附檔。