替代石油來源的生質材料產業(上) 

技術能量

替代石油來源的生質材料產業(上)

發佈日期:2018-10-31  |  資料來源: 工研院材料與化工研究所 陳建明、劉榮昌(https://ejournal.stpi.narl.org


循環經濟:
自工業革命以來,全球的商業就呈線性經濟式的發展,也就是說人們在消費的過程中,產品用完即丟並不回收。相對於此的就是循環經濟(circular economy),使消費完的產品回到經濟體循環再利用,因而達到零廢棄物的產生。
循環經濟是運用生態學概念進行經濟發展,生物材料和工業材料都可透過循環經濟系統
的循環重返環境,避免資源的過度浪費。循環經濟須充分考量自然生態系統的承載能力,預先透過優良設計(如原料、產品、系統及商業模式)與產品5R 原則(Reuse(再使用)、Recycle(再循環)、Reduce(降低消耗)、Repair(修理)、Recovery(再復原))以降低廢棄物的產生與能源消耗,使生產合理地依附在自然生態循環中,藉此有效地利用自然資源。
循環經濟同時提倡消費時必須考量到廢棄物的資源化,建立循環生產與消費的觀念。循
環經濟包括生物循環與工業循環。生物循環是指產品由生物可分解的原料製成,最終也會回到生態循環提供養分。常見的回歸生物圈的方式包括厭氧消化、堆肥等,也可透過級聯循環(cascade cycle)延長材料壽命,發揮每一分的價值。
工業循環則是指產品材料持續回到工業循環,把可再利用的材質維持同等品質回收,或
升級製成更高價值的新產品,無法直接再利用的產品則予以維修、翻新。至於塑膠、金屬等無法生物分解的材料才會回收製成新產品,如此才能最有效地利用能量與資源。

消費時必須考量到廢棄物的資源化,建立循環生產與消費的觀念。

循環經濟的概念是透過區域系統性的合作,優化配置資源,盡可能地提高資源的利用效率,使生產過程中減少投入與排放,達成利潤的創造。循環經濟超越了環保道德上的永續概念,已成為21世紀企業獲利的新趨勢,可預期在不久的未來,循環經濟將成為國際企業的主要生產模式。
依據麥肯錫顧問公司的估算,經濟的發展模式如全面走向資源循環運用的概念,每年將創造高達5,000 億歐元的效益(約16 兆5,000 億台幣,大致與台灣全年國民生產毛額相當)。且未來一旦全面普及,商業利益更是無可限量。因為利之所在,近年來循環經濟已成為企業尋求獲利的新趨勢。

環保理念經過數十年的討論與演進,綠色環保與經濟製造由相斥走到相合,企業實際獲利的時刻已經來到。此外,循環經濟模式不僅是一種社會責任與義務,也可藉由企業間的合作循環與創新以增加利潤。

若再透過政府與民間合作以整合組織及企業資源循環模式,開創更多的商業機會與經濟發展將可以預期。

生質材料產業:
據估計,全球石油儲存量逐漸耗竭,石化原料價格長期看漲應是必然的,而非石化來源的生質材料會是下一世代高分子材料應用的焦點。生質材料是一種再生材料,與風能、太陽能、地熱一樣具有取之不盡、用之不竭的特性。而且取材多是廢棄物,目前各國都以發展非糧食作物為主,其植物生長過程還可以吸收二氧化碳、減少溫室氣體的累積,因此開發生質材料技術既可解決地球資源衰竭的問題,又能符合節能減碳的要求,以之取代現有石化產品已成為生質材料產業發展的方向。
生質材料產業正積極投入商業化,可望找到發展的新方向與契機,但因產品具有生物可分解的特性,因此目前的主力應用市場是包裝產業。近年來因減碳概念盛行,為了營造環
保的綠色形象,世界各大廠牌都在自家產品上推動生質材料的創新與應用。例如:筆電外殼就使用生質材料、運用生質材料生產DVD 光碟機、推出生質來源的飲料瓶、把生質材料應用於汽車內部零組件、使用生質材料生產3C 產品。

此外,生活用品(如尿布)、休閒產品(如水壺、運動鞋、滑雪靴等)、汽車工業(內裝飾板、備胎蓋等)等也開始注重綠色生質材料的應用。
生質材料產業的發展現況
由於原油枯竭造成油價高漲,使得生質材料與石化材料的競爭優勢逐漸浮現。全球暖化的迫切危機也促使簽署京都議定書的各國政府以政策補助大力地推動生質材料的使用,這些因素都成為生質材料發展最主要的驅動力量。

一般高分子廢棄物的處理方式都需付出很高的環境成本與代價(例如:焚化會產生致癌的戴歐辛、掩埋400 年不會腐化、再生利用則處理的成本高昂),因此開發可生物分解的生質高分子材料就成為解決環境汙染與使用需求問題的良好方案。由於生產生質高分子的原料是來自植物,原料則是大氣中的二氧化碳、水分與陽光,生質高分子材料使生命周期中的二氧化碳總量增加較石化來源材料低得多,對於地球整體二氧化碳的減量確有實質的功效。
現今全球生質材料的市場需求以澱粉基高分子、聚乳酸(polylactic acid, PLA)與聚羥基脂肪酸酯(polyhydroxyalkanoates,PHA) / 聚− β − 羥丁酸(poly− β −hydroxybutyrate, PHB)3 類材料為主。
其中澱粉基高分子的需求市場最大(約占49%),其次是PLA(約占42%),剛發
展的PHA/PHB 則居第三(約占9%)。

澱粉基高分子的發展現況:
澱粉是植物儲備能量的方式,主要存在於植物的種子、根、莖和果實中,是地球上蘊藏量僅次於纖維素的天然有機化合物。目前全世界每年生產的澱粉約12 億噸,主要來自玉米、小麥、木薯、馬鈴薯等,尤以前者年產5 億5,000 萬噸最高。

而工業玉米澱粉年需求量約5,000 萬噸,約占總產量的9%,主要用於食品業、醫藥業、紡織業、造紙業、塑膠業與其他行業(如建築塗料、建材膠黏劑等)。
天然的澱粉材料包含兩種成分,根據分子的結構可分為澱粉醣和支鏈澱粉兩種。
兩者的差異在於葡萄糖鍵結時,澱粉醣的葡萄糖是接在第四個碳上而形成α−(1−4)
鍵結的直鏈結構;支鏈澱粉則是鍵結在側支鏈,形成α−(1−6)鍵結的支鏈結構。
澱粉因為末端支鏈澱粉形成螺旋結晶結構,所以在自然界中以分離的顆粒存在。而澱
粉顆粒表面含有大量的羥基並形成強氫鍵,使其表現出強烈的親水特性。
由於原澱粉顆粒分子間有強氫鍵作用,使其難以如同可塑性高分子材料般使用熱塑加工。因此,過去澱粉都添加在塑膠中做為填充劑來降低成本和增加材料的剛性。
當這些已添加澱粉的聚烯烴薄膜暴露在土壤中時,由於澱粉可分解成小碎片,若進一步配合光分解劑的使用,可使其完全解體。如在聚乙烯高分子中添加澱粉顆粒,可應用於農業膜和塑膠袋,由於親水性的澱粉與親油性的聚烯烴相容性並不佳,且考慮到產品的機械性能,通常澱粉添加量並不高,只約為6 ∼ 15%。

澱粉材料也可直接做為高分子材料,但純澱粉具有親水性、脆性等缺點,不利於產品的應用,而且其熔點也高於熱分解溫度,使其熱加工性能也不佳。若要克服上述問題,需對澱粉進行包括化學、熱或機械等方式的改質。隨著高分子技術的精進,澱粉高分子已被視為最有潛力取代石化來源的生質材料。

目前的技術發展已可把具生物可分解性的熱可塑澱粉(thermoplastic starch,TPS)研製成農業膜或緩衝材,再進一步透過與其他高分子的共混練技術,製成不同特性與等級的高分子材料,其應用範圍相當廣泛,目前澱粉高分子是生質高分子市場中重要的高分子之一。

若把TPS 摻混其他材料則可形成澱粉複合材料,具有與個別材料顯著不同的物理或化學特性。PaperFoam® 就屬於這類型的產品,其材料組成中,澱粉約占70%、植物纖維20%,其餘是添加劑。它是一個可生物分解的產品,也可回收到紙板與紙箱類。相對於澱粉而言,澱粉複合材料的市場較小且投入的公司不多。

然而,這是一個快速發展的產業,主要應用領域聚焦於替代耐久的塑膠,例如光電、電子、汽車、運動器材、包裝、民生化工等產業。
PLA 的發展現況PLA 是一種熱塑性脂肪族聚酯。生產聚乳酸所需的乳酸和丙交酯可以通過可再生資源發酵、脫水、純化後得到,所得的聚乳酸一般具有良好的機械和加工性能。
而PLA 產品廢棄後又可以各種方式快速降解,因此PLA 是一種具備良好使用性能的
生質材料。
PLA 的熔點、耐熱性、機械性能、加工性能都與其結晶度有關,而影響其結晶度最主要的因素是L−乳酸和D−乳酸的配比。如果原料是純L−乳酸或者純D−乳酸,則所得的聚L−乳酸(簡稱PLLA)和聚D−乳酸(簡稱PDLA)都是半結晶聚合物。原本聚L−乳酸的結晶度大概是37%,但即使只加入少量聚D−乳酸,結晶度就可大幅提高。比如聚L−乳酸按照一定比例和聚D−乳酸共混後,聚L−乳酸的熔點最多可以提高50℃,熱彎曲溫度提高了大約60℃,達到攝氏190 度。所得的抗熱性使PLA 可以在攝氏110 度的環境下使用。
PLA 和聚苯乙烯的機械性質相似,但可連續使用的溫度較後者低得多,結晶度提升後可以提高可連續使用的溫度,但生物降解速率也隨之變低。相對於其他生物可降解材料,聚乳酸具有部分疏水性。

PLA已經廣泛應用在生物醫學工程上,如用做手術縫合線、骨釘、骨板等。使用PLA 製作的手術線不需拆線,可以緩慢水解為乳酸被身體代謝掉,一般的降解時間需要半年到兩年。骨板的理想要求是能夠逐漸降解,使骨頭一步步承受起逐漸增加的應力,而PLA 逐漸降解的性質就非常適合製作骨板。不足之處是純乳酸降解時的機械強度下降得太快,一般還需加入纖維形成有較高強度的複合材料。
現在PLA 的應用已經超出醫學的範圍,廣泛應用於一些常見的物品,如:包裝袋、農作物用薄膜、紡織纖維和杯子。
PLA 所製的包裝材料初期造價較高,但如今已成為最普遍的包裝材料。通過擠出、注塑、拉伸等加工處理,PLA 可以製成纖維和薄膜。PLA 薄膜的透水透氣性都比聚苯乙烯薄膜低,由於水和氣體分子是通過聚合物的無定形區擴散的,因此可以藉由調節PLA 的結晶度改變PLA 薄膜的透水透氧性。

聚L−乳酸的玻璃轉化溫度較低,可用於形狀記憶聚合物的研究。其低玻璃轉化溫度的特性也應用於熔融沉積成型3D 列印機的進料材料,也是塑造臉部輪廓產品的主要組成部分。加入D−乳酸之後的抗熱PLA 可用於生產微波爐加熱用器皿或盛放
熱液體的容器。 

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