黃旭良、陳鍵誼、賴美君、蕭柏齡、陳姵吟 / 工研院材化所
在歐盟推動2030年包裝全面可回收法規的政策驅動下，市值規模高達1,689億美元的多層包裝市場正迫切面臨向單一材質(Mono-material)解決方案轉型的壓力。然而產業在推動單一包材化時，傳統的研發模式過度依賴低效率的試錯法，且在以聚烯烴取代包裝異質層時，常因耐熱性不足導致薄膜在雙軸延伸加工過程中發生破膜。因此，本研究建立一系統化的前驅膜物性評估系統，旨在加速可回收聚烯烴薄膜的開發。聚烯配方設計方面，透過將提供結構強度的HDPE與調控鏈段結晶行為的POE進行混摻，以達成提升雙軸延伸加工穩定性之目的。在檢測方法上，本研究利用動態機械分析(DMA)擷取聚烯薄膜在延伸時的關鍵黏彈數據，並結合材料配方分析、電腦輔助工程模擬(CAE)與AI學習系統，擴展至聚烯延伸配方之快速設計與預測平台的終端應用。相較於傳統的實機試錯測試，此評估平台可減少95%的材料消耗，且單一配方的測試週期縮短至30分鐘以內。這項整合性方法克服了永續包裝創新中的技術瓶頸，提供了一個極具效率的解決方案。
【內文精選】
研究方法與推動策略
此研究之目標在於開發一快速、輕量化之可延伸級聚烯配方驗證平台，以回應現行可回收包材開發的技術挑戰。實際開發流程如圖四所示。
圖四、聚烯延伸加工快速開發平台流程示意圖
1. 聚烯配方設計
雙軸延伸薄膜製程(Tenter Frame)係指薄膜經由T-die押出後，進行二次加熱，並在機械方向(MD)與橫向(TD)兩方向同步延伸的加工程序。延伸後的薄膜經冷卻定型，分子鏈會重新結晶(Recrystallization)與排列，進而提升材料的機械強度與透明度，形成具優良功能性的延伸薄膜。 PE膜延伸加工過程之結構變化如圖五所示。
圖五、PE膜延伸後之結構變化
在配方設計方面，本研究選用具高耐熱性的高密度聚乙烯(HDPE)作為主要原料，其熔點(Tm)可達130˚C以上，取代熔點較低的LDPE/LLDPE (Tm = 100~120˚C)，可有效降低熱貼合過程中因軟化造成的破膜問題。然而，HDPE具有高結晶速率與高度分子取向（MD方向），且分子鏈缺乏支鏈結構，使其在雙軸延伸時容易產生延伸不均與破裂。為解決此問題，本研究採用Bi-model混摻策略，於HDPE中部分添加具不同支鏈長度與分子量的聚烯彈性體(Polyolefin Elastomer; POE)，控制聚烯配方支鏈比例與分子量分布，並調整結晶性，提高MD與TD方向可延伸性 ---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》473期，更多資料請見下方附檔。