王惠民、陳俊智、張昌榮 / 工研院材化所
消費者對環境問題的意識日益增強，並積極尋求永續產品。由於對塑膠污染、氣候變遷和資源枯竭的擔憂，人們越來越青睞能替代傳統塑膠的環保產品。雖然聚丙烯本身並非來自可再生資源，但其優異的可回收性和潛在的低碳足跡，使其成為具有環保意識的消費者關注之焦點。消費者對永續包裝、紡織品、消費品和汽車零件的偏好，推動了歐洲對綠色聚丙烯的需求。低碳可染聚丙烯纖維的研發始於解決傳統聚丙烯纖維染色困難的問題，由於聚丙烯本身為非極性材料，難以與染料結合，限制了其在紡織業中的應用。通過改進聚丙烯的分子結構和添加特定的功能性單體，研究者們逐步突破了此一技術瓶頸，使聚丙烯纖維能夠有效染色，同時降低其生產和應用過程中的碳足跡。
【內文精選】
聚丙烯纖維市場規模與應用
聚丙烯纖維在全球紡織市場中逐漸占據了重要地位。根據最新市場研究報告，2024年全球聚丙烯纖維的產能達到319萬噸，預計到2029年將增至367萬噸，市場規模預計增長至192.9億美元，複合年增長率(CAGR)為2.82%(圖二)，此一增長主要受到環保材料需求上升的推動。聚丙烯纖維憑藉其低碳排放(Low Carbon Emission)和高回收利用率，完美契合當前全球對可持續發展的高度重視。
圖二、全球聚丙烯纖維市場規模分析
聚丙烯纖維可分為長纖維、短纖維、紡黏不織布和熔噴不織布等。其中，聚丙烯長纖維包括普通長纖維和細長長纖維(單絲纖度≤2.2 dtex)，廣泛用於服裝、裝飾及部分產業用長絲製品；細長長纖維具有良好的光澤、柔軟的手感、優秀的懸垂性和低密度，是製作高級運動服和T恤的理想選擇。聚丙烯纖維的密度為0.90~0.92 g/cm3，為所有化學纖維中最輕的，其強度高、彈性好、耐磨、耐腐蝕，並具備電絕緣性和保暖性。由於染色技術尚無突破，聚丙烯纖維仍難以打入色彩要求高的流行服裝及其他工業用紡織品市場。
聚丙烯可染性研究發展
聚丙烯本身屬於非極性材料，這使得它難以與染料結合，限制了其在紡織業中的應用。然而，研究者通過改變聚丙烯的分子結構，並添加特定的功能性單體，逐步突破了這一技術瓶頸，使聚丙烯纖維能夠有效染色，同時降低其生產和應用過程中的碳足跡。聚丙烯是一種單純的支鏈烴高分子，儘管含有支鏈甲基，但缺乏與染料發生化學反應的有效官能基。此外，聚丙烯的結晶相對緻密，且具有極高的疏水性，幾乎不會因吸水而膨脹。正因如此，傳統染色方法難以對聚丙烯進行有效著色，其染色後的顏色通常較淡且染色牢度差，使用普通染料無法將其上色。
目前市場上的有色聚丙烯纖維大多是通過原液染色法，在聚合物切粒製造階段添加顏料而製成的原著紗線(圖三)。然而，這種染色方式需要在纖維製品的最初製造階段決定顏色，無法靈活調整。此外，因為原著紗線添加了顏料，相較於未染色的常規紡絲，紡絲性能較差，難以穩定生產單絲細度低於1 dtex的紗線。更甚者，在變更製造紗線的顏色時，需要用新顏色的樹脂置換掉熔融紡絲裝置中的舊顏色樹脂，這不僅耗費大量樹脂，還需要花費大量時間。因此，為了兼顧經濟效益和市場需求，原著紗線必須以特定顏色進行大量生產，在一定程度上限制了色彩的多樣性。
圖三、原液染色製程流程
2. 接枝改質
接枝技術是將具染料接受能力的單體以共價鍵嫁接到聚合物分子主鏈上，使纖維對染料產生親和力。為避免影響聚丙烯的物理特性，接枝度通常控制在5%~10%。接枝聚合有三種方法：化學引發、光化學引發及高能量輻射引發。常用的引發劑包括過氧化物、臭氧和氧化還原催化劑等；光化學引發則需配合紫外線與光引發劑，如苯偶姻乙醚、二苯甲酮等；高能量輻射引發則使用γ射線或高速電子束，常見的接枝單體有乙烯基類、丙烯酸類、環氧化合物、聚醯胺類等。
3. 表面改質
表面改質主要利用化學鹵化和浸漬處理，透過強氧化劑、鹵化劑、氯磺化劑或磺化劑等改變聚丙烯纖維表面，使其染色。氯化法是一種實用的表面改質技術，將聚丙烯纖維置於次氯酸鹽溶液中處理，再進行水解，使羥基與染料分子共價鍵結合，從而實現表面染色。然而，這種方法存在染料難以滲透纖維內部、染色牢度不足、成本高及化學試劑對環境影響大等問題，因此不適合大規模生產---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》454期，更多資料請見下方附檔。