聚酯材料化學解聚與應用

 

刊登日期:2022/6/5
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郭信良 / 工研院材化所
 
因應全球減塑政策以及2050淨零排放目標,塑膠製品的循環利用成為產業減碳的關鍵方法之一。其中,2030年全球再生PET目標需求將推升到3,000萬噸,除透過提升寶特瓶回收率與物理回收的拓展,針對雜質含量較高之聚酯料源的化學回收技術開發,更成為補足回收總量缺口的關鍵。本文將分享目前國際領導廠商的PET化學解聚製程技術比較與發展現況。
 
【內文精選】
聚酯市場與回收需求概況
聚對苯二甲酸乙二酯(Polyethylene Terephthalate; PET)為目前最為廣泛使用的塑膠之一,如圖一所示,全球年需求量高達7,200萬噸,其中4,800萬噸應用於纖維領域、約2,000萬噸用於寶特瓶等食品包裝、400萬噸用於薄膜及其他應用。然而,由於最終產品的組成與回收分類上的困難,應用至紡織產業的聚酯成分幾乎尚未進行有效的循環利用;而瓶裝容器經過長達20至30年以上的回收機制與循環技術能量的建立與累積,迄今全球約有近4成的瓶裝用聚酯已經導入聚酯循環鏈,主要藉由物理回收技術轉為回收聚酯纖維與瓶裝容器使用。
 
圖一、PET價值鏈與生命途徑
圖一、PET價值鏈與生命途徑
 
化學回收技術概況
相較於物理回收在高溫加工時會造成的材料降解問題,化學回收技術則是透過化學反應將其高分子結構進行斷鍵以形成可再聚合的單體,故可藉由單體品質的控制,使材料具有無限循環使用的潛力。就學理而論,化學回收技術概念並無太大問題,確實可藉由繁複的化工製程工藝進行材料的提純以及品質提升,然而從減碳與實際應用層面上,可兼具減碳效益以及經濟化的製程技術開發,將會成為化學回收技術落實的關鍵。
 
PET化學回收技術透過解鏈劑於特定製程環境下將PET酯基進行斷鍵,以降解成為二元醇、二元酸與二元胺等單體,可再作為PET聚合的原料循環利用。其製程上主要依據解鏈劑的不同進行分類,大致可區分為甲醇解(Methanolysis)、醇解(Glycolysis)、水解(Hydrolysis)、胺解(Aminolysis)以及生物酵素解聚(Enzymatic Process)等製程,最終產物亦隨不同製程而有所差異。
 
工研院技術發展現況
目前工研院針對聚酯化學回收技術的發展,同樣鎖定PET封閉循環以及回收PET轉化高值化應用技術等兩方面進行開發。在PET封閉循環技術上,主要著重以雜色瓶片及聚酯織物事業廢棄物等高雜質含量的聚酯作為原料,透過經濟化醇解與純化製程技術的建立,以期擴大未來可供循環應用的聚酯料源。如前述所提,純化製程之複雜性與成本的改善成為高雜質料源循環回收應用的技術瓶頸,工研院藉由具低金屬溶出特性之觸媒技術篩選與設計、醇解製程參數優化以及物料循環整合,並以再結晶技術開發取代高能耗、高成本的分子蒸餾精鍊製程。此外,依不同料源特性進行前處理製程設計與後段製程的調控,以期有效提升BHET色度、純度等產品品質規格。
 
在雜色瓶部分,所製備之BHET純度可高於99%,色度b*<1.5,與商品料規格相近(圖八(a));為確認其聚合特性,透過單純熔融聚合程序,所得之rPET的固有黏度(Intrinsic Viscosity; IV)可達0.6,符合纖維級PET酯粒規格。此外,研發團隊更進一步進行抽絲與後延伸/加工驗證,完成POY及DTY等樣品的試製。另一方面,研究團隊亦以雜色聚酯織物為料源進行化學回收技術調整與開發,初期已可在低活性碳使用量下製備低色度之BHET(圖八(b))。後續相關材料特性、加工特性與製程優化仍持續進行改善中。
 
圖八、工研院開發之化學解聚製程結果 (a)雜色瓶片;(b)廢聚酯織物
圖八、工研院開發之化學解聚製程結果 (a)雜色瓶片;(b)廢聚酯織物
 
而在PET高值轉化應用技術開發上,初期主要針對國內紡織、鞋業等利基產品進行機能性材料開發。在回收衍生機能聚酯部分,為因應單一材料的可循環再生需求,藉由不同結構二醇組成進行醇解製程,並同步導入特定比例的異質二酸單體進行共聚,分別完成低熔點聚酯熱熔紗及低熔點聚酯彈性體貼合薄膜的測試驗證,回收料比例介於35~50%。性多元醇開發上,則透過不同結構的短鏈二醇與聚醚二醇組合設計進行解聚製程開發,可順利製備不同親疏水性與分子量的多元醇,回收比例最高可達40~50%,並藉由後續聚氨酯配方技術以應用至防水透濕膜與接著劑等領域(圖十)---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》426期,更多資料請見下方附檔。

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