TW201741384A

TW201741384A - 生物可降解發泡材及其製品

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Publication number: TW201741384A
Application number: TW105116357A
Authority: TW
Inventors: 楊華鴻; 林建誠
Original assignee: 鴻明環保科技股份有限公司
Priority date: 2016-05-25
Filing date: 2016-05-25
Publication date: 2017-12-01
Also published as: TWI605083B

Abstract

本發明提供一種生物可降解發泡材，其降解率至少達90wt%，其包含：一聚烯烴材料20～70 wt%；含70～80wt％澱粉或纖維粉的一塑料母粒20～70wt%；一酵素調控型助劑1~10wt%；一功能助劑0~20 wt%；以及該功能性助劑包含滑劑0.5~3wt%，抗氧化劑0.2~2wt%，成核劑0.1～2wt%，發泡劑2~10wt%、發泡助劑0.2~2wt%。

Description

生物可降解發泡材及其製品

一種發泡材，特別是一種生物可高度降解或全降解的發泡材。

隨著網路時代來臨，網路購物大大改變新世代人們的購物習慣，在家裡不必出門即可輕輕鬆鬆購買日常生活所需的用品，但是方便的背後代表著貨物運輸量增加，為了保護貨物在運輸途中不致碰撞損壞，發泡緩衝材料的使用量因而大增，目前這些發泡緩衝材主要是依賴石化來源的塑膠材料所製成，但石油原料逐漸減少，溫室效應的增強以及石化塑料材料無法分解所造成的環境污染等議題的發酵，減少石化塑料材料的使用或是發展生物可降解塑膠成為一新興的塑料發展趨勢。

生物可降解塑膠中有一種澱粉基塑料，因部份含有來自於可再生資源的澱粉成分，因此具有可降解、可崩解及價格低廉的特性，因此逐漸受到業界注意並進行相關開發。目前澱粉基塑料可分為全降解型與部分降解型，全降解型的成本較高且耐用性較低，因此市面上多以部份降解型澱粉基材料來開發為發泡材。

部分降解型澱粉基塑料是經由澱粉與石化塑料如聚乙烯(PE)、聚丙烯(PP)、聚苯乙烯(PS)或乙烯-醋酸乙烯共聚物(EVA)共混而得，市面上已有許多該類澱粉基塑料販售，由該部分降解型澱粉基塑料所製得的相關發泡產品，雖然製程較簡單且價格較低，但其中所含的石化塑料成分依然存在著無法分解的問題，因此仍會對環境造成衝擊。

且目前針對澱粉基塑料並未有周全的回收標誌、分類等回收機制，使得澱粉基塑料與一般塑料一起回收時，因加工溫度的不同，澱粉基塑料中所含的澱粉會產生焦化，使回收塑料物性變差，進而影響回收商回收的意願，導致澱粉基塑料被任意棄置而產生塑料無法被環境分解的污染問題。

由於環保意識造成石化塑料有生物可分解的需求，因此生物降解助劑應運而生，這類助劑可以協助石化塑料加速老化、崩解甚至降解，生物可分解助劑目前可分為二種，EPI公司、Symphony公司所開發的TDPA、d2w光氧降解助劑及Earth Nurture(ENAR additive)、ECM BioFilms、 Bio-Tec Environmental(EcopureR)、Enso Plastics、IQON Ecozyme…等的酵素控制型助劑，該酵素控制型助劑之公開資訊如以下網址：http://agbio.coa.gov.tw/information_detail.aspx?dno=34347&ito=87；http://technews.tw/2016/03/13/bacteria-eat-plastic/； http://www.bioindustry.cn/info/view/26856。

光氧降解助劑的缺點是內含重金屬成分，且無法通過可堆肥測試，因此部分地區或國家已開始禁用，故酵素控制型助劑因無重金屬殘留問題，未來將會有相當程度的發展性。

酵素調控型助劑主要含有特殊蛋白質酵素可與塑膠反應，可降低塑膠分子間碳-碳鍵(C-C)和碳-氫鍵(C-H)的鍵能，促使微生物較容易分解該石化塑料，更有機會可作為作物堆肥使用。

酵素調控型助劑雖然是透過天然成分使塑料分解，但目前若單獨使用在石化塑料如聚乙烯或聚丙烯中，其缺點是分解速度過慢，初期甚至只能稍微降低材料之機械強度，與一般認知的可分解仍有距離。另外，其促使石化塑料降解的速度及能力取決於酵素調控型助劑的多寡，因該類助劑價格較高，這點將會反映在產品最終成本上，造成推廣不易。

為了解決上述澱粉基塑料無法全分解造成的環境污染、不易回收，或是添加酵素調控型助劑後的石化塑料降解速度過慢及成本較高的問題，本發明提供一種生物可降解發泡材，其降解率至少達90wt%，其包含：一聚烯烴材料20～70 wt%；含70～80wt％澱粉或纖維粉的一塑料母粒20～70wt%；一酵素調控型助劑1~10wt%；一功能助劑0~20 wt%；以及該功能性助劑包含滑劑0.5~3wt%，抗氧化劑0.2~2wt%，成核劑0.1～2wt%，發泡劑2~10wt%、發泡助劑0.2~2wt%。

其中，該聚烯烴材料包含石化來源或植物來源的聚乙烯、聚丙烯、聚苯乙烯、乙烯-醋酸乙烯共聚物或聚氯乙烯；該塑料母粒進一步包含聚乙烯、聚丙烯、聚苯乙烯、乙烯-醋酸乙烯共聚物或聚氯乙烯；該纖維粉為竹粉、木粉、米糠粉、秸稈粉、咖啡粉的一種或多種混合物；該生物可降解發泡材進一步包含色料、填充劑、增韌劑或加工助劑；及該酵素調控型助劑含有蛋白質酵素、微生物及微生物的營養來源。

其中，該填充劑包含碳酸鈣或滑石等無機物填充劑；該增韌劑包含熱塑性聚烯烴、熱塑性彈性體、加硫型熱塑性聚烯烴系彈性體類彈性體或橡膠；及該加工助劑包含脂肪酸、脂肪族醯胺類、酯類、石蠟類之分散劑。

其中，該發泡劑包含偶氮苯二甲醯胺發泡劑或小蘇打，該發泡助劑包含氧化鋅。

其中，該發泡劑包含甲烷、乙烷或丙烷，該發泡助劑包含氧化鋅。

其中，該發泡劑係該塑料母粒之澱粉或纖維粉所內含之水份。

本發明進一步提供一種發泡包裝緩衝材及一種發泡鞋材，其係由前述之生物可降解發泡材所製成。

藉由上述說明可知，本發明透過添加塑料母粒及酵素調控型助劑，不僅可減少無法分解的聚烯烴材料使用量外，更因發泡過後成品含有一定數量微孔，使塑料母粒和酵素調控型助劑與環境中微生物、細菌的接觸面積變大，因此有助於塑料母粒中的基礎塑料及聚烯烴材料的高度或完全分解。

本發明所添加的含澱粉或纖維粉之塑料母粒，可進一步提供微生物更多的營養源，使得微生物快速的增生，加速聚烯烴材料崩解及降解速率，且澱粉或纖維粉本身就具備良好且快速的降解特性，澱粉或纖維粉先分解後，更有助於增加酵素調控型助劑中所含酵素作用的表面積，再次加速整體材料的分解速率。

本發明透過添加如澱粉或植物纖維等成本較低的塑料母粒，除了可直接減少酵素調控型助劑的使用量，又可因聚烯烴材料比重降低間接減少酵素調控型助劑的使用量，達到降低成本又維持高度分解或全分解的效果外，亦可同時降低無法分解的聚烯烴材料使用量，再藉由本發明表1、表3的降解速率比較表證實，添加塑料母粒確實可進一步加快聚烯烴材料的分解速率。

一種生物可降解發泡材，其包含一聚烯烴材料20～70 wt%、含70～80wt％澱粉或纖維粉的一塑料母粒20～70wt%、一酵素調控型助劑1~10wt%及一功能助劑0~20 wt%，該功能性助劑包含滑劑0.5~3wt%、架橋劑0.1~3wt%、抗氧化劑0.2~2wt%、成核劑0.1～2wt%、發泡劑2~10wt%及發泡助劑0.2~2wt%。

本發明所述的生物可降解是指其中所含的聚烯烴材料於特定的自然環境中可高度降解或甚至是全降解，所謂的高度降解或全分解是可達到至少90%的降解率。

該聚烯烴材料係石化來源或植物來源的聚烯烴材料，例如聚乙烯(Polyethylene, PE)、聚丙烯(Polypropylene, PP)、聚苯乙烯(Polystyrene, PE)、乙烯-醋酸乙烯共聚物(Poly ethylene-co-vinyl acetate, EVA)或聚氯乙烯 (Polyvinyl chloride, PVC)等，該聚烯烴材料在未添加任何協助降解的成分前，無法自行於環境中降解。

該塑料母粒中除了含有70～80wt％澱粉或纖維粉外，另外含有一基礎塑料20～30wt％，該基礎塑料包含聚乙烯、聚丙烯、聚苯乙烯、乙烯-醋酸乙烯共聚物或聚氯乙烯等，所述的該纖維粉包含竹粉、木粉、米糠粉、秸稈粉、咖啡粉等植物纖維粉的一種或多種混合物。該塑料母粒係將澱粉或纖維粉與該基礎塑料混練並造粒後，再與聚烯烴材料、酵素調控型助劑及功能助劑共同混合。

本發明所使用的酵素調控型助劑，即是先前技術中所述的含有特殊蛋白質酵素的酵素調控型助劑，其係利用該蛋白質酵素對聚烯烴材料中特定化學結構的專一反應性，使聚烯烴材料可在土壤環境下藉由酵素與細菌對聚烯烴材料進行分解，該酵素調控型助劑可進一步含有基礎樹脂如聚乙烯(PE)、聚丙烯(PP)、乙烯-醋酸乙烯共聚物(EVA)等、微生物及微生物的營養源，但由於本發明透過添加含澱粉或纖維粉之成本較低的塑料母粒與酵素調控型助劑搭配，不僅可減少聚烯烴材料的使用量並加速其分解速率外，更可降低酵素調控型助劑的使用添加成本。

本發明可透過添加化學性發泡劑進行化學性發泡、藉由石油氣進行物理發泡，或甚至是透過該塑料母粒中的澱粉或纖維粉所內含的水進行發泡。該化學性發泡劑包含偶氮苯二甲醯胺發泡劑(Azodicarbonamide, AC發泡劑)或小蘇打(碳酸氫鈉)等，發泡助劑包含氧化鋅，該石油氣包含甲烷、乙烷或丙烷等石油氣。而前述該發泡劑添加的比例2~10wt%是利用化學性或物理性發泡劑之添加量，若本發明利用該塑料母粒中的澱粉或纖維粉所內含的水進行發泡時，可選擇性的不添加化學或物理性發泡劑，或亦可減少化學或物理性發泡劑使用量。

該功能性助劑中之滑劑包含聚乙烯蠟、石蠟、硬脂酸鹽、脂肪酸類等，該架橋劑包含DCP架橋劑，該抗氧化劑為四-β-（3，5-二叔丁基-4-羟基苯基）丙酸-季戊四醇酯(又稱1010抗氧化劑)或三-(2,4-二叔丁基苯基)-亞磷酸酯(又稱168抗氧化劑)等，該成核劑包含碳酸鈣、滑石、蒙托土、氮化硼或二氧化鈦等，該架橋劑係DCP架橋劑。

另外，依據終端產品需求可進一步添加色料、填充劑、增韌劑或加工助劑等成分。其中填充劑包含碳酸鈣或滑石等無機物填充劑，增韌劑包含熱塑性聚烯烴(Thermoplastic olefin, TPO)、熱塑性彈性體(Thermoplastic elastomer, TPE)、加硫型熱塑性聚烯烴系彈性體(Thermoplastic vulcanizate, TPV)類彈性體或橡膠等，該加工助劑包含脂肪酸、脂肪族醯胺類、酯類、石蠟類之分散劑。

本發明所提供的配方組成可利用一般塑膠發泡加工方法成形為發泡材，於此不限定，如將該聚烯烴材料、該塑料母粒、該酵素調控型助劑及該功能助劑利用一雙螺桿混練機均勻混練後，擠出造粒並發泡為該發泡材。而本發明之發泡材可應用之範圍廣泛，例如發泡緩衝材、發泡填充材、發泡鞋材、發泡鞋墊、發泡地墊、發泡護具、發泡膠、發泡板或發泡顆粒等。

一般而言，添加含有澱粉或纖維粉的塑料母粒和酵素調控型助劑時，因為在生產製造或儲存過程中，容易因吸濕，導致產品容易變形瑕疵、品質不穩定且物性不佳，是故，在本發明將塑料母粒與酵素調控型助劑和石化來源的聚烯烴材料共混前，塑料母粒與酵素調控型助劑皆需乾燥至含水率0.5 wt %～5wt%，以減少後續製程中瑕疵的問題，且不影響發泡的效果。而本發明若選用含有植物粉的塑料母粒時，則可增加產品的物性及耐磨耗性，故可依據終端產品的特性，選用澱粉及纖維粉的任意組合，達到產品所需的物性及品質要求。

本發明可進一步透過添加加工助劑與奈米級無機物填充劑並搭配合適的設備規劃，增加塑料母粒在整體材料中的分散性，生產出產品強度或印刷性都較佳的高品質片材。本發明含有澱粉或纖維粉的塑料母粒及酵素調控型助劑可藉由該奈米級無機物填充劑與加工助劑的協助下，於螺桿中均勻分散，機台的螺桿需要長徑比大於25，且有一定的剪切力設計。

本發明透過發泡製程使發泡材中含有一定數量微孔，除了使產品有輕量化效果外，也因微孔的產生使澱粉或纖維粉和酵素與細菌的接觸面積變大，因此有助於澱粉、纖維粉或塑膠材料的分解。且澱粉或纖維粉除了本身就具備良好且快速的降解特性，可提供微生物更多的營養源，使得微生物快速的增生，加速聚烯烴材料的崩解及降解速率外，澱粉或纖維粉先分解後，更有助於增加酵素調控型助劑中酵素的作用表面積，再次加速整體材料的分解速率。

請參考表1，為證實本發明透過塑料母粒及酵素調控型助劑的搭配，可進一步加速該聚烯烴材料分解速率之效能，藉由對照組1僅添加酵素調控型助劑的聚乙烯(PE)發泡材、對照組2僅添加澱粉的聚乙烯(PE)發泡材，對比本發明1含塑料母粒及酵素調控型助劑的聚乙烯發泡材，於90天、150天、180天及300天的降解速率比較表。【表1】

由表1可看出，單純PE加澱粉的對照組2自150天後即不再降解，表示對照組2中可被分解的澱粉被分解完後，無法分解的PE就會永遠殘留在環境中造成污染。

而本發明1含PE、澱粉及酵素調控型助劑的組別，同樣於150天所添加的澱粉約40wt％分解完後，自150天到180天短短的30天內，4wt%的酵素調控型助劑可將約50wt%的PE完全或高度分解，這是因為添加澱粉等生物基材料可造成產品中含有一定數量微孔，使澱粉和酵素與細菌的接觸面積變大，因此有助於酵素調控型助劑對於塑膠材料的加速分解。且澱粉除了本身就具備良好且快速的降解特性，可提供微生物更多的營養源，使得微生物快速的增生，加速石化塑料的崩解及降解速率外，澱粉先分解後，更有助於增加酵素調控型助劑中酵素的作用表面積，再次加速整體材料的分解速率。

反觀僅含PE及酵素調控型助劑對照組1，因為無添加澱粉等生物基材料以形成可增加反應表面積的微孔，故PE的分解速率在150天前相當緩慢，或甚至是無分解，即便是要分解其一半量的PE(約50wt%，即相當於本發明組別的PE添加量)，還是至少要花上180天，相對於本發明在30天內(150天～180天)即可將50wt%左右的PE分解完，本發明可加快塑膠材料分解速率至少5～6倍的時間。

請參考表2，其係用上述表1之對照組1、本發明1及對照組2所做的物性比較表，可以發現本發明1加了澱粉及酵素調控型助劑的發泡材，相對於對照組1、2僅添加酵素調控型助劑或僅添加澱粉之對照組，物性影響不大。【表2】

請參考表3，本發明進一步使用聚烯烴材料-乙烯-醋酸乙烯共聚物(EVA)混合物所做的發泡材降解試驗，藉由對照組3僅添加酵素調控型助劑的乙烯-醋酸乙烯共聚物混合物發泡材料、對照組4僅添加澱粉的乙烯-醋酸乙烯共聚物混合物發泡材料，對比本發明2含澱粉及酵素調控型助劑的乙烯-醋酸乙烯共聚物混合物發泡材料，於90天、150天、180天及300天的降解速率比較表。【表3】

表3所述之功能性助劑包含AC發泡劑、DCP架橋劑、硬脂酸鹽類與TPE彈性體或橡膠。

請參考表4，其為本發明2與既有EVA發泡產品之物性測試結果比較，由測試結果比較發現，本發明之物性與既有EVA發泡材之物性相當，不因添加澱粉或纖維粉及酵素控制型助劑而使得產品物性降低，更可達到替代無法分解的聚烯烴材料之優勢，進一步的透過添加酵素調控型助劑達到聚烯烴材料高度降解或甚至是全分解之功效。【表4】

上述表1～4中所述僅為本發明的較佳實施例而已，並非用以限定本發明主張的權利範圍，凡其它未脫離本發明所揭示的精神所完成的等效改變或修飾，均應包括在本發明的主張範圍內。

Claims

一種生物可降解發泡材，其降解率至少達90wt%，其包含：一聚烯烴材料20～70 wt%；含70～80wt％澱粉或纖維粉的一塑料母粒20～70wt%；一酵素調控型助劑1~10wt%；一功能助劑0~20 wt%；以及該功能性助劑包含滑劑0.5~3wt%、抗氧化劑0.2~2wt%、成核劑0.1～2wt%、架橋劑0.1～3wt%、發泡劑2~10wt%及發泡助劑0.2~2wt%。
如申請專利範圍第1項的生物可降解發泡材，其中：該聚烯烴材料包含石化來源或植物來源的聚乙烯、聚丙烯、聚苯乙烯、乙烯-醋酸乙烯共聚物或聚氯乙烯；該塑料母粒包含聚乙烯、聚丙烯、聚苯乙烯、乙烯-醋酸乙烯共聚物或聚氯乙烯；該纖維粉為竹粉、木粉、米糠粉、秸稈粉、咖啡粉的一種或多種混合物；該功能性助劑中之該滑劑包含聚乙烯蠟、石蠟、硬脂酸鹽或脂肪酸類，該抗氧化劑包含1010抗氧化劑或168抗氧化劑，該成核劑包含碳酸鈣、滑石、蒙托土、氮化硼或二氧化鈦，該架橋劑包含DCP架橋劑；該生物可降解發泡材進一步包含色料、填充劑、增韌劑或加工助劑；及該酵素調控型助劑含有蛋白質酵素、微生物及微生物的營養來源。
如申請專利範圍第2項的生物可降解發泡材，其中：該填充劑包含碳酸鈣或滑石等無機物填充劑；該增韌劑包含熱塑性聚烯烴、熱塑性彈性體、加硫型熱塑性聚烯烴系彈性體類彈性體或橡膠；及該加工助劑包含脂肪酸、脂肪族醯胺類、酯類或石蠟類分散劑。
如申請專利範圍第1項的生物可降解發泡材，該發泡劑包含偶氮苯二甲醯胺發泡劑或小蘇打，該發泡助劑包含氧化鋅。
如申請專利範圍第1項的生物可降解發泡材，該發泡劑包含甲烷、乙烷或丙烷，該發泡助劑包含氧化鋅。
如申請專利範圍第1項的生物可降解發泡材，該發泡劑係該塑料母粒之澱粉或纖維粉所內含之水份。
一種生物可降解發泡包裝緩衝材，其係用申請專利範圍第1～6項之生物可降解發泡材所製成。
一種發泡鞋材，其係用申請專利範圍第1～6項之生物可降解發泡材所製成。
一種發泡地墊，其係用申請專利範圍第1～6項之生物可降解發泡材所製成。
一種發泡護具，其係用申請專利範圍第1～6項之生物可降解發泡材所製成。