林哲增 / 工研院材化所
隨著研發與科技的水準提升，高分子材料的應用領域越來越廣泛，但其不可分解的特性，造成大量廢棄物的累積，對於環境汙染產生的問題日益嚴重。相較於傳統高分子材料，生物可分解高分子在一定的時間與條件作用下能夠發生分解，因而具有較高的環保應用價值。本文將概述生物可分解材料的種類、應用領域和發展狀況，並針對聚乳酸(PLA)、聚丁二酸丁二醇酯(PBS)和聚對苯二甲酸己二酸丁二醇酯(PBAT)的基本性質與化學合成方法進行說明。
【內文精選】
生分解材料發展現況
在全球各國政府限、禁塑法令推動與品牌商承諾下，全球開始積極發展生物可降解塑膠來逐漸取代傳統的塑膠製品，解決白色汙染的問題。要達到快速降解的塑膠材料主要有兩種，分別是光降解和生物降解。前者是在傳統塑膠中添加特定比例的氧化促進劑，使塑膠的分子結構在受熱或陽光曝曬的環境中發生光化學反應，再加上大氣中氧氣的催化，破裂形成細小的塑膠碎片；由於光降解塑料的分解受限於溫度、光照強度的影響，及降解後的小碎片無法完全分解等缺點，最終宣告失敗。後者則由於在適當的堆肥環境下(溫度、濕度、氧氣、微生物及磷、鉀、氮存在於土壤中)，分子鏈會水解成寡聚物及單體，再經由微生物分解成對環境無害的二氧化碳和水，最後回歸自然界的循環(圖四)，因此成為目前可降解塑膠的主流材料。
圖四、可生物分解塑膠之降解示意圖
生物可分解高分子(Biodegradable Polymer)依照種類可分為天然高分子、微生物合成高分子和化學合成(Chemical Synthesis)高分子。天然高分子通常是將多醣類如澱粉進行改性，或直接與合成高分子共混，具有成本低的優勢，但限制於性能較差，如不防水、缺少韌性等，應用有限；微生物合成高分子則是利用微生物在生物質(澱粉、油脂)上發酵來合成，如聚羥基脂肪酸酯(PHAs)；化學合成高分子依據原料來源不同，細分為生物基可降解和石油基可降解塑膠，如聚乳酸(PLA)、聚對苯二甲酸己二酸丁二醇酯(PBAT)和聚丁二酸丁二醇酯(PBS)等。
生分解材料PLA合成方式應用進展
聚乳酸(PLA)的單體原料是乳酸，其分子乳醯基團中含有一個手性(Chiral)碳原子，具有旋光性。因此，藉由不同異構單體所聚成的PLA分別具有左旋聚乳酸(L-PLA)、右旋聚乳酸(D-PLA)、外消旋聚乳酸(DL-PLA)和內消旋聚乳酸(Meso-PLA)等不同的旋光異構聚合體。具體合成方法，主要可分為直接聚合法或開環聚合法兩種。前者是藉由乳酸作為單體原料，在溶劑、觸媒及高溫高真空環境下進行聚合反應，因在黏度較高時除水不易，以及副反應乳酸環狀二聚體(丙交酯)的生成，導致最終材料分子量偏低，需再進一步透過帶有環氧基或異氰酸基等擴鏈劑導入，以提升分子量。由於直接聚合法受限於上述問題，導致無法應用於大規模生產。
生分解材料PBAT合成與應用進展
PBAT是基於石化原料合成出來的高分子，結構是由含有柔性的聚己二酸丁二醇酯(PBA)脂肪鏈段，和帶有剛性的聚對苯二甲酸丁二醇酯(PBT)芳香鏈段組成的共聚高分子，使材料除具有優異的延展性之外，也具備良好的熱穩定性和力學性能，已被廣泛應用於餐具、包裝材(食品包裝、化妝品盒、藥品盒)及農用膜。
PBAT的合成方法分別有直接酯化法和分段酯化法。直接酯化法是以對苯二甲酸(PTA)、己二酸(AA)以及1,4-丁二醇(BDO)為原料，按照特定比例，在觸媒的條件下，進行酯化、預縮聚及終縮聚反應(如圖七)。優點是程序簡易、時間短、生產效率高；缺點是反應物質較複雜、環境酸性強、部分BDO發生環化脫水反應生成THF(四氫喃)，AA也易受到觸媒影響，產生副反應造成酯粒色相變差，皆是對品質有負面影響。
圖七、PBAT合成路徑
生分解材料PBS合成與應用進展
PBS是使用琥珀酸(SA)及1,4-BDO作為起始原料，進行酯化反應形成寡聚物後，再透過縮合聚合製得之高分子材料，其單體來源除了石化基以外，也可從生物資源發酵獲得。
PBS雖耐熱性佳，但力學性能較差且熔融強度低，不易進行流延、吹塑等成形加工，再加上與其他塑料相比價格昂貴，限制其發展應用性。因此，與其他合適的材料(澱粉、植物纖維或既有的生分解材料)進行共混改性，既能調整PBS的機械特性、降解速度，同時亦能降低產品成本，可擴大 ---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。