生物可分解高分子材料認識
生物可分解高分子材料認識
一. 前言
塑膠的問世，改善人類生活上許多便利，到1980年代塑膠全球的總需求量已經超過20,000萬噸，而塑膠的製成是以石油為基質，雖然在應用上有很多的便利性與低成本的優點，但在塑膠廢棄物的處理上，卻會造成環境很大的污染。由於塑膠無法在自然環境中被微生物菌所分解，甚至於以添加其他的物質也無法徹底的妥善處理，所以目前為止，塑膠廢棄物僅能以焚化的方式處理，雖然除PVC之外的塑膠，焚化並不會產生戴奧辛(Dioxin)，但就許多觀點來評估，塑膠廢棄物以焚化處理仍然有許多不良之處，因此在1980年代末期塑膠蓬勃發展的同時，許多專家也試圖希望能發明一種具有塑膠的便利性且能對環境更友善的材料來取代塑膠，因此造就目前世界上被熱烈討論的新環保科技材料─生物可分解材料(Biodegradable Materials)，成為未來許多產業發展的趨勢，就以下幾個觀點來比較傳統塑膠與生物可分解材料的優劣：
1. 永續性(Sustainability)：
由於石油產生的週期必須幾萬年，傳統塑膠必須以石油為基質產生，評估每年石油耗用的量，遠大於石油產出的量，而由石油製成塑膠後，塑膠並無法再回歸成石油，因此石油終究會枯竭。
生物可分解材料的製成是以天然的生物材料為基質，如：微生物、植物與動物等。生物可分解材料於使用後，可用堆肥的方式回歸於大自然，滋養微生物、植物與動物，所以原料來源可不斷重複取得，符合永續性的原則。
2. 生態效益(Eco-Efficiency)：
生態效益的達成，須在提供價格具有競爭力的商品和服務，以滿足人們需求、提高生活品質的同時，在商品和服務的整個生命週期內將其對環境的衝擊及天然資源的耗用，逐漸減少到地球能負荷的程度。講求生態效益的產品，由於持續的減少污染與資源的消耗，故生產了更有用的產品和服務，亦即提高了附加價值。
生物可分解材料以天然資源為原料，但使用後可再回歸大自然，使天然資源重複使用循環不息，所以比傳統塑膠較符合生態環境的效益。
生物可分解材料使用後可以堆肥方式回收處理，不對環境產生負荷與衝擊，同時堆肥處理後的有機質可滋養天然物質，提高了原料本身的附加價值。而傳統塑膠使用後，最終僅能以焚化處理，必須耗用很高的處理成本與社會成本，所以生物可分解材料比傳統塑膠較符合生態環境的效益。
生物可分解材料在整個產品的生命循環過程中，無論在生產與廢棄物處理均較傳統塑膠對環境產生較少的毒性，所以生物可分解材料較傳統塑膠更符合生態環境的效益。
3. 價格競爭優勢：
現階段雖然生物可分解材料的價格比傳統塑膠高出許多，然而隨著各國意識到重視經濟成長時也必須考慮生態保護的問題，所以產品的附加價值及生命週期的整體成本與對環境的衝擊，必須一併評估。由於全球石油存量減少，所以傳統塑膠材料的價格在未來只增不減，產業發展也已達飽和狀態，產品銷售毛利不如往常，反之，生物可分解材料的原料取得不受限制，且為萌芽的階段，綠色行銷的趨勢，可預知材料本身的價格只減不增，加上各國逐漸增加對傳統塑膠的高回收處理費與關稅，也將是生物可分解材料未來價格競爭的優勢。
二. 可分解塑膠的概念
1. 光降解性塑膠﹙Photodegradable Plastics﹚：
定義：以傳統塑膠材質﹙PS、PP、PE、PVC等﹚加上「光敏促進劑（感光性添加物）」以傳統的生產設備加工成製品。利用紫外線之輻射能量，，促使塑膠產生裂化。碎裂後殘留塑膠碎片，而塑膠的物性與質量不因碎裂而改變﹙塑膠仍無法分解﹚。
缺點：
- 光敏促進劑具有劇毒，進行分解反應後可能危害環境。
- 碎裂後殘留的塑膠碎片，與不分解的塑膠物性相同。
- 易造成使用者誤解其為「完全分解」而助長隨地丟棄，造成的環境污染。
2. 崩解性塑膠﹙Disintegradable Plastics﹚
定義：以傳統塑膠材質﹙PS、PP、PE、PVC等﹚與澱粉﹙Starch﹚混煉而成母粒(Master-batch)，於加工過程中以高於70%以上的傳統塑膠加上低於30%以下的母粒做製品加工。藉由在製程中，以傳統塑膠摻配澱粉及生物發酵物的成份，誘使環境普遍存在的微生物吞噬澱粉及生物發酵物，進而達到分解消耗，製品中殘留的塑膠材質物性與質量不會改變，仍無法被微生物所分解。
缺點：
- 製品中塑膠成份居高﹙約佔70%以上﹚，掩埋無法完全分解、焚燒易產生有害物質，不符合環保標準與趨勢。
- 碎裂後殘留的塑膠微粒、碎片較不分解前更難加以蒐集處理。
- 易造成使用者誤解其為「完全分解」而助長隨地丟棄，造成的環境污染。
3. 生物可分解塑膠﹙Biodegradable Plastics﹚
又稱生物可分解材料(Biodegradable Materials)、生物高分子聚合物(Bio-Polymer)或綠色塑膠(Green Plastics)。
定義：
(A) 由可不斷重複取得的天然資源，如微生物、植物、動物，所製成的一種聚合物。
(B) 具生物可分解的能力，生產時無毒害產生。
(C) 可替代以石油為基質的傳統塑膠，可利用傳統塑膠的生產機器加工。
(D) 以ISO14855檢測，並取得可堆肥化的標準，為環境最友善的熱可塑性塑膠材料。
優點：
(A) 材料天然、無毒。
(B) 使用任何廢棄物處理方式﹙如焚化、掩埋、回收、堆肥﹚皆不致對環境造成任何衝擊。
(C) 具有類似傳統塑膠製品之物性，使用方法相同。
(D) 丟棄後，經由堆肥或掩埋即可完全分解。
分類：已商業化為主
(A) 聚酯(Polyesters)：
(a) 脂肪族─芳香族聚酯的異量分子聚合物(Aliphatic-Aromatic Polyester Copolymers)：
結合PET優良的物性與脂肪族聚酯的生物可分解性，同時使PET呈現較軟易彎曲與低噪音的特性，熔點約為200℃。
依據應用的不同，可以有3個脂肪族單體合併在PET的分子結構中，也同時造成較弱的聚合鏈，因此使得它們容易因水解作用而分解。
加工方式：Blow molding, Injection molding, Extrusion
美國Dupont─Biomax
韓國IRe Chemical─EnPol
美國Eastman Chemical Co.─Eastar Bio copolyesters
德國BASF─Ecoflex
(b) 脂肪族聚酯(Aliphatic Polyesters)
脂肪族聚酯的特性與PE及PP很類似，雖然具有生物可分解的特性，但沒有像芳香族聚酯擁有良好的熱塑性及機械特性。可在140~200℃時以傳統機器加工。
加工方式：blow molding, extrusion, injection molding, foaming,
日本Showa Highpolymer─Bionolle
韓國SK Chemicals─SKYGREEN
韓國Saehan Ind.─ESLON GREEN
韓國Samyang Co.─TRISORB
韓國IRe Chemical─EnPol
(c) 聚乳酸─脂肪族聚酯的異量分子聚合物(CPLA, Polylactide Aliphatic Polyester Copolymers)
以聚乳酸與脂肪族聚酯以一定的比例混合而成的混合物，可因為混合脂肪族聚酯的比例不同，可行成於類似PS剛性較好的材質，與類似PP較柔軟的材質。可以在200℃下以傳統機器加工。
加工方式：blow molding, extrusion, injection molding, Vacuum forming
日本Dainippon Ink and Chemicals Inc.─DIC
(d) 聚己內酯(PCL, Polycaprolactone)
PCL是一種以原油所化學合成的一種熱可塑性聚合物，雖然不是取材於可重複取得的天然原物料，但卻是一種可完全生物可分解的聚合物。PCL對水、油質、溶劑與氯有很好的抵抗性。低熔點(58~60℃)、低黏度、易加工。 是一種常用的聚胺酯，用於表面塗佈、接著劑、合成皮與合成紡織纖維。
加工方式：
- blow molding, extrusion, injection molding
- 比利時Solvay─CAPA
- 美國Union Carbide Corp.(UCC)─Tone
- 日本Daicel Chemical Ind.
(e) 聚羥基羧酸酯(PHA, Polyhydroxyalkanoates)
聚羥基丁酸酯(PHB, Poly-beta-hydroxybutyrate)
聚羥基戊酸酯(PHBV, Polyhydroxybutyrate-valerate)
PHAs是利用糖或油質以微生物菌發酵後再聚合而成的一種線性聚酯，在這個族群中超過百種以上的單體可以相聯結而呈現各種不同材料的特性，可以形成熱可塑性塑膠或彈性體，熔點在40~180℃之間。最常見的PHAs是PHB，特性與PP很類似，但較堅硬易碎。PHBV是PHB的一種異量分子聚合物，硬度較差但較不易碎，通常應用於包裝材料。
加工方式：blow molding, extrusion, injection molding
美國Monsanto Company─BIOPOL
英國ICI─Biopol
德國Biomer
(f) 聚乳酸(PLA, Polylactide)
聚乳酸是一種以天然穀類作物為原料的聚合物。
製程如下：
- 取材於可恢復的資源(Renewable Resource)：
將玉米等穀類作物碾碎後，從中提取出澱粉，然後將澱粉製成未精化的葡萄糖。未來技術將克服減去碾碎的過程，直接以大量的農作物來提取原料。 - 發酵(Fermentation)：
以類似生產啤酒或酒精的方式來發酵葡萄糖，而葡萄糖發酵後變成類似於食物添加用與人體肌肉組織內中的乳酸。 - 中間型產物(Intermediate Production)：
將乳酸單體以特殊的濃縮製程，轉變成中間型產物─減水乳酸，為一種環狀二聚物。 - 聚合(Polymer Production)：
單體減水乳酸經過真空淨化，再以一種不使用溶劑的溶解製程來完成開環的動作，使單體聚合。 - 聚合物修飾(Modification)：
由於聚合物分子量與結晶度的不同，可使材料特性的變化空間很大，所以因應不同應用產品，將PLA做不同的修飾。
加工方式：
- blow molding, extrusion, injection molding, foaming, vacuum forming
- 美國Cargill Dow LLC─NatureWork PLA
- 美國Neste Corporate Technology
- 美國Chronopol
- 荷蘭PURAC
- 日本Mitsui─LACEA
- 日本Shimad
(B) 澱粉合膠(Starch-based Polymers)
以修飾澱粉與其他熱可塑性高分子混煉而成的一種膠粒，添加澱粉的主要原因是要降低成本與加強聚合物的生物可分解的能力。
加工方式：
- blow molding, extrusion, injection molding, foaming, vacuum forming
- 義大利Novamont─Mater-Bi
- 美國National Starch & Chemical─Eco-Foam
- 德國Biotec GmbH─Bioplast
- 美國NOVON International─NOVON
- 美國Norel unisource─Envirofill
- 韓國Samyang Co.─BIOFIL
- 韓國Daesang─REGREEN
- 韓國SK Chemicals─SKYGREEN
- 韓國Saehan Ind.─ESLON GREEN
- 韓國SK Corp.─GREENPOL、BIONYL
- 荷蘭AVEBEBA─PARAGON
- 美國EarthShell Container Corp.
(C) 其他
- 聚醋酸乙烯酯(PVA, Polyvinyl acetate)
聚乙烯醇PVOH(Poly vinylealcohol)
義大利Idroplast SpA─HYDROLENE
台灣長春石化 - 酪蛋白甲醛(Casein Formaldehyde)
- 醋酸纖維(Cellulose Acetate)
日本Nippon Shokubai - 角質(Horn)
四. 生物可分解塑膠的檢測、標準與認證：
| 組織名稱 | 德國 DIN CERTCO IBAW | 比利時 AIB Vincotte | 美國 生物可分解機構及 美國堆肥協會 |
| 標章 | |||
| 化學測試堆肥測試 | DIN V 54900 | EN 13432 | ASTM 6400 |
| 完全生物可分解測試 | DIN V 54900 | EN 13432 ISO 14851 ISO 14852 ISO 14855 | ASTM 6400-99 ASTM D5271 ASTM D5338 ASTM D6002 |
| 細節規範 | DIN V 54900-1, 第5,6 及7段 | DIN EN 13432, 第4.2.2段及附件A.1 | ASTM D 6400, 第6.4.1段 40 cfr 503.13 |
| 檢測主體 | 超過1%濃度成份 (最高3%可未檢測) | 超過1%濃度成份 (最高5%可未檢測) | 所有成份皆必須要鑑別 |
| 最長期間 | 6個月 | 6個月 | 6個月 |
| 分解程度 | 60% (單體) 或90% (摻合分子) | 90%適當參照數值 | 60%（單體）或90%（摻合分子） |
| 組織名稱 | 芬蘭 Jatelaito syhdistys | 日本 生物可分解塑膠協會 | 台灣 中華民國環保生物 可分解材料協會 |
| 標章 | |||
| 化學測試/堆肥測試 | EN 13432 | GreenPla 認證制度 | ASTM 6400 |
| 完全生物可分解測試 | EN 13432、 ISO 14851、 ISO 14852、 ISO 14855 | OECD 301C、 JIS K 6950 JIS K 6951 JIS K 6953 | CNS14432 CNS14433 CNS14478 |
| 細節規範 | 同美國BPI規範 | ||
| 檢測主體 | 超過1%濃度成份 (最高5%可未檢測) | 所有成份皆必須要鑑別 | |
| 最長期間 | 未詳細規範 | 6個月 | |
| 分解程度 | 60%適當參照數值 | 60%（單體）或90%（摻合分子） |
