賦予塑膠新生命,我們可以怎麼做?

2021專欄 2021-06-11

 

財團法人塑膠工業技術發展中心 何承翰

 

塑膠為高分子材料應用的其中一種,此種材質具有質地輕、韌性強、價格低廉…等優勢,因此於二次大戰後廣受人們使用。此種材質於開發初期人們只著重於追求堅韌耐用之性能,因此這些塑膠在大自然中不易分解。過往人們也由於對於塑膠不夠熟悉狀況下,造成大多透過焚燒或掩埋方式處理,這些方式都將造成生態環境重大危害。當人類意識到此問題後,便發展出許多方式來解決它,在本文將用深入淺出方式向大家介紹這些手法。首先我們將透過塑膠是什麼?它為何不易自然分解?及不當處理塑膠造成的危害…等議題帶大家了解什麼是塑膠。當我們對塑膠有了初步認識後,將透過探討目前有哪些處理手法可使塑膠賦與新的生命之議題,讓大家認識塑膠的處理方式。最後我們便可學習到若用對方式,將可使塑膠具有循環經濟之價值。
關鍵詞 : 永續材質圖書館、熱塑性塑膠、熱固性塑膠、物理性回收、化學性回收

 

■ 塑膠是什麼?[1]

人們俗稱的塑膠也就是高分子材料的一種應用。利用化學合成法將單體分子聚合在一起,當分子量大於10,000 g/mol時即稱之為高分子材料。此種材質具有質地輕、韌性強、價格低廉、耐用…等特性,因此在二次大戰後開始有了爆發性的成長,人們大量開發成各式塑膠使用。塑膠可依受熱後特性不同區分成熱固及熱塑兩類。這兩種塑膠,其結構如圖1所示。

圖1 高分子之分子結構[1]

 

熱固性塑膠(Thermosetting)為一種在高溫下受熱固化成形之材質。此種材料成形後結構屬於交聯結構,如網狀的形狀,其特性不易以再受熱塑化,故稱熱固。
熱塑性塑膠(Thermoplastic)則是在高溫下塑化,並在經冷卻後固化成形之材質。此種材料結構往往屬於線狀結構,如線條的形狀,其特性易再利用加熱方式塑化成型,故稱熱塑。
這兩種塑膠基於受熱後特性不同,進而影響回收性,就一般回收而言熱塑性塑膠會較熱固性塑膠易於回收。

 

■ 塑膠為何不易自然分解?[1]
塑膠之所以不易在大自然中分解,原因是分子間有一引力抓著彼此即稱為鍵結能。
若我們要把塑膠分解就必須將此鍵結打斷。而鍵結可依其強弱,分為主要及次要兩種。
主要鍵結又名化學鍵,通常由共價鍵所構成,此種鍵結如同火車車廂間的連接器,構成塑膠分子的主要鏈結之結構。
次要鍵結又名物理鍵,通常由凡德瓦爾鍵所構成,此種鍵結如同當兩條平行的火車乘客與乘客間手牽在一起之力量,當塑膠分子彼此靠近時便會團聚再一起,構成次要支鏈鍵結。
這兩種鍵結組成了塑膠強而有力的結構,造就了塑膠強韌及耐用的原因,但也因此造就了塑膠不易在自然環境中分解之特性。若要使塑膠在大自然中自然分解,往往需經過數百年甚至數千年之久,塑膠才會在大自然環境中分解。這也就是當我們不當處理時,將造成環境危害的主要原因之一。

 

■ 不當處理塑膠造成的危害
塑膠過往多透過掩埋、焚燒等方式進行處理,這些方式都會造成海洋、土壤及空氣等汙染,最後進而造成地球生態遭受嚴重危害。在環保議題推動下,世界各國也逐漸推出限塑、減塑,甚至禁塑…等政策,以減少塑膠帶給人類危害。而塑膠工業近年來已開始由過往的線性生產轉為循環生產的模式。所謂的循環生產乃是產品不再以原料、生產、使用到廢棄的線性化流程,而是轉為將廢棄後的塑膠透過回收循環再造,賜予產品新生命的循環生產模式。如圖2所示,為線性化及循環生產流程圖。

 

圖2線性生產及循環生產流程圖

 

■那我們又當如何處理呢?
為了達到循環目標,我們該如何做呢?目前塑膠大致上可用3種處理方式,接著我們將針對這些處理方式介紹。


1.    機械法[2,3]
機械法又稱物理性回收,為最常見的方式。此法透過分類、粉碎、清洗、造粒、改質等方式將熱塑性塑膠再做成塑膠粒使用。優點在於手法簡單、技術成熟,但同時具有a.塑膠種類繁多,分類須仰賴許多人力b.塑膠造粒過程容易斷鍊裂解造成物性下降…等缺點。為了解決這些缺點,近年來也有業者開發自動篩選機減少人工分選作業人力,並透過改質技術解決塑膠斷鍊物性下降…等問題[3]。其機械法處理流程如圖3所示。

 

圖3 機械法處理流程

 

塑膠中心永續材質圖書館(駐)中也收集了一些在產業應用的案例,如華美光學海廢太陽眼鏡(樣品編號1-051-B01)、SKB黑琵鋼筆(樣品編號1-066-B01)…等。

 

圖4 塑膠機械法再生商品

 

2.    熱裂解法
熱裂解為化學性回收之一環,此法可透過粉碎、無氧裂解、冷凝、油水分離、蒸餾、冷凝等過程,將熱固或熱塑性塑膠變成裂解燃油(40%)、氣體燃料(20%)、碳黑(20%)及水(20%)等產物再利用[4]。其熱裂解法處理流程如圖5所示。

 

 

圖5熱裂解法處理流程圖[5]

 

無氧裂解過程中,又可依溫度區間的不同,分為低溫(300-500℃)停留時間較長,產生碳黑;中溫(500~600℃)停留時間短,產生液體裂解油;高溫(600-800℃)停留時間長,產生氣體燃料等不同階段。根據文獻指出此技術產生的裂解油成分含C5-C9(輕腦油)及C10-C16(煤油) 兩者比例約可高至 80% 以上,其餘20%則為C16-C26(重石油腦)為主[4]。
此種回收法在具有a.可將裂解油、氣體燃料做為燃料使用b.可回收熱塑及熱固兩種塑膠之優點,但同時具有a.裂解油尚有法規限制,無法直接於國內販售b.碳黑因品質不夠穩定尚無法大量取代輪胎、潛水衣…等橡膠領域添加用料使用之缺點。
為了解決此問題目前產業界也有一些相對應對策如下a.將產生的裂解油及氣體燃料作為汽電共生廠之燃料使用b.碳黑透過多方尋找適合應用之客戶進行銷售。
目前永續材質圖書館(駐)也展出一些國內業界有在應用的案例,如環拓科技透過熱裂解將其橡膠分解成熱裂解油(樣品編號7-013-T31)及碳黑(樣品編號7-012-T31)等。

 

圖6 橡膠熱裂解法再生商品

 

3.    化學法[6]
化學回收又稱化學性回收,為一種發展中的技術之統稱,此種手法依石化製程分成純化(purification)、分解(decomposition)和石化原料還原(feedstock recycling)等作法。化學法好處是可以處理一些其它方法較難處理之塑膠,如複合薄膜、降解塑膠、高分子纖維複合材……等。其化學回收處理流程如圖7所示。

 

 

圖7化學回收法處理流程圖。[6]

 

純化(purification) 為利用溶劑將塑膠進行溶解,以去除其添加劑及雜質,最後純化後的分子可重新聚合成塑膠。此種手法較適合處理透過加成聚合而來的塑膠,如PVC、PS、PE及PP等。

分解(decomposition)為將塑膠透過化學之手法如甲醇分解、糖酵分解、水分解…等方法將塑膠解聚成寡體(oilgomer)或單體(monomer),最後再將寡體或單體聚合成塑膠。此種手法較適合處理縮合聚合而來的塑膠,如PC、PET、PA及PU等。

在國內如遠東集團也於2020年利用化學回收法(分解&純化)成功將廢衣物纖維搖身一變成了化學原料,爾後可再透過重新投入產線便可再製成為新的衣物[7]。

 

圖8 塑膠化學法(分解&純化)再生品[7]

 

石化原料還原(feedstock recycling)與上述的熱裂解法類似,只是此法透過無氧熱裂解技術將塑膠先還原成石化液體油或氣體等石化原料,最後再經由重新聚合,將這些石化原料再造塑膠或其它再生石化商品。
在國外也有這類的應用,如LyondellBasell成功利用石化原料還原(feedstock recycling)之手法,成功將塑膠垃圾透過熱裂解技術裂解成裂解油,接著透過氣化將其分離出C2及C3氣體,最終透過聚合將其分別再製成PE及PP之塑膠使用[10]。其化學法 (石化原料還原)處理流程如圖9所示。

 

圖9化學法(石化原料還原)處理流程[10]

 

就以上這些化學法來說,化學法具有可將塑膠再造成如新料一樣的優點,但就製造而言,目前成本還相當高,因此為了改善其製造成本,目前有許多大廠如遠東[8]、BASF[9]、台塑[10]、LyondellBasell[10]等國內外大廠都在努力進行這系列研究及開發,甚至已經進入小規模試量產,以降低其製造成本。

 

■  總結
針對以上介紹之塑膠處理方式,我們從中可知其各有其優缺點,因此為了使塑膠可妥善被使用,我們應該針對不同塑膠產品,找到其最有價值的處理模式,這樣才可同時滿足兼顧環保及經濟發展之需求。


■  備註
財團法人塑膠工業技術發展中心在經濟部中小企業處支持下成立「永續材質圖書館」實體館及線上平台(https://sml.pidc.org.tw/index_tw.php),並於2021年正式對外開放。館內收集塑膠、纖維、橡膠、金屬、礦物、天然及其它等七大類材質。並透過提供企業媒合、材質諮詢、設計及打樣…等多項服務,以促進國內永續材質循環經濟發展。

 

資料來源: 
1.    WilliamD.,Callister Jr. ,Fundamentals of Materials Science and Engineering, John Wiley & Sons, Inc., 2001, 5th ed. Ch2&4.
2.    INSIDE 2019【綠色觀點】報導 塑膠回收做球衣還是發電好?三分鐘帶你看懂全球各種塑膠再利用技術https://www.inside.com.tw/article/16843-what-should-we-do-about-recycled-plastic
3.    陳良哲、黃冠燁"廢塑膠循環再生複合材”工業材料雜誌383期2018。
4.    楊仁泊、劉耀仁"台灣熱裂解處理廢塑膠再利用製油技術介紹"工業污染防治141期2017
5.    經濟部工業局工業廢棄物處理與資源化資訊網-技術資料 廢塑膠資源化技術(三)熱裂解技術
https://riw.tgpf.org.tw/Tech/more?id=68
6.    BPF British Plastics Federation Report "Chemical Recycling 101"
https://www.bpf.co.uk/plastipedia/chemical-recycling-101.aspx
7.    天下2021吳靜芳 報導"「黑衣最難處理」全世界舊衣回收解方,藏在70年台灣化纖大廠"
http://news.fenc.com/news_detail.aspx?lang=zh&id=5299
8.    BASF官方網站2018新聞稿 "巴斯夫首度利用化學回收塑膠製造產品"https://www.basf.com/tw/zh/who-we-are/sustainability/management-and-instruments/circular-economy/chemcycling.html
9.    鉅亨網2021林薏茹 報導"台化回收廢棄蚵繩再利用再生尼龍料廠明年底前產能翻倍"
https://news.cnyes.com/news/id/4632885
10.    Start-up of LyondellBasell’s MoReTec plant underlines ambitious plastic waste targets - cefic.org
https://cefic.org/a-solution-provider-for-sustainability/chemical-recycling-making-plastics-circular/chemical-recycling-via-conversion-to-feedstock/start-up-of-lyondellbasells-moretec-plant-underlines-ambitious-plastic-waste-targets