TW201741399A - 新型低碳排可降解片材及其製品 - Google Patents

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Abstract

一種新型低碳可降解片材，厚度介於0.01～0.15mm之間，係由一塑膠材料20～80 wt%、一生物基材料10～70wt%及一生物降解助劑1~10wt%所組成；其中，該塑膠材料係石化或植物來源的塑膠材料；該生物基材料包含澱粉、植物纖維粉體或其組合；該生物降解助劑包含聚烯烴樹脂、酵素或微生物以及相關營養成分；及該新型低碳可降解的片材降解率至少90%。

Description

新型低碳可降解片材及其製品
一種可降解片材，特別是一種降解後產碳量低的可降解片材。
石化來源的塑膠材料雖廣泛應用於日常生活用品，但隨著石油原料逐漸減少、溫室效應的增強以及塑膠材料無法分解所造成的環境污染等議題的發酵，減少石化塑膠的使用或是發展可降解塑膠成為一新興的塑料發展趨勢，生物塑料也應運而生。目前生物塑料可分為兩大類，一類是含生物基塑料，另一類是生物可降解塑料，該含生物基塑料是指塑料有部分或全部成分是由可再生的生物源取得，其目的為取代或減少石化來源塑膠的使用，並降低二氧化碳(CO2 )的產生，而生物可降分解塑料是指由玉米澱粉、豌豆澱粉等非石化來源的生物可分解、降解的材料，其目的是可以減少塑膠垃圾的汙染。另外，生物可分解塑料因為可分解，所以在放置一段時間後，其機械強度衰減得很快，一般膜袋產品建議一年內使用，因此開始有廠商轉向開發可促使石化塑料分解的生物可分解助劑，使石化塑料可符合生物可降解目標，目前市售的生物可分解助劑有光氧降解助劑以及新型的酵素調控型助劑，光氧降解助劑的廠商例如：EPI公司的TDPA以及Symphony公司的d2w…等，是目前主流的添加助劑，但由於內含重金屬成分，且無法通過可堆肥測試，因此部分地區或國家已開始禁用。而新型的酵素調控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，目前主要廠商如Earth Nurture(ENAR additive), ECM BioFilms, Bio-Tec Environmental(EcopureR), Enso Plastics, IQON Ecozyme…等，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。
酵素調控型助劑因內含特殊的酵素可與塑膠反應，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膠，更有機會可作為作物堆肥使用。
酵素調控型助劑雖然是以天然的方式分解塑料，但目前若單獨使用在石化塑膠如聚乙烯(Polyethylene, PE)或聚丙烯(Polypropylene, PP)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，其促使石化塑膠降解的速度及能力取決於添加劑的多寡，因該類添加劑加格較高，這點將會反映在產品最終成本上，造成推廣不易。
為了解決目前石化塑膠的石油來源越趨減少及無法分解所造成的環境污染，以及既有酵素調控型助劑成本較高等種種問題，本發明提供一種新型低碳可降解片材，厚度介於0.01～0.15mm之間，密度介於0.6～1 g/cm3 之間，其包含一塑膠材料20～80 wt%、一生物基材料10～70wt%及一酵素調控型助劑1~10wt%，其中：該塑膠材料係石化來源的塑膠材料；該生物基材料包含澱粉、植物纖維粉體或澱粉、植物纖維粉體的組合；該酵素調控型助劑包含聚烯烴樹脂、酵素、微生物及營養源；該新型低碳可降解的片材的降解率至少90%。
其中，該塑膠材料包含聚乙烯、聚丙烯、聚苯乙烯、聚氯乙烯、乙烯-醋酸乙烯共聚物或聚乙烯對苯二甲酸酯；該聚烯烴樹脂是聚乙烯、聚丙烯或乙烯-醋酸乙烯共聚物；以及生物基材料進一步包含聚乙烯、聚丙烯、聚苯乙烯、聚氯乙烯、乙烯-醋酸乙烯共聚物或聚乙烯對苯二甲酸酯。
其中，該植物纖維粉體包含竹粉、米糠粉、秸稈粉、木粉或咖啡粉。
其中，其進一步包含色料、填充劑、增韌劑、加工助劑或奈米無機物之功能性添加材料1~20wt%。
其中，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，該加工助劑包含分散劑、滑劑等石蠟、聚乙烯蠟、氧化聚乙烯蠟、脂肪酸類或脂肪醯胺；以及該奈米無機物包含奈米級滑石、雲母、高領土。
其中，其係以押出或吹塑的方法製造而成。
本發明進一步提供以該新型低碳可降解片材所製成之盛裝容器、袋類產品及瓶子。
本發明將含植物源粉末之生物基材料搭配目前既有的酵素調控型助劑後經押出或吹塑成型製程，製成膜、袋、板、片材等產品，其優點在於：
1. 含植物源粉末之生物基材料內含的微量水分於製造過程中產生發泡效果，在無需添加發泡劑的情況下可得到密度在0.6~1 g/cm3 的膜、袋、板、片材等產品，造成產品中含有一定數量微孔，使得產品有輕量化效果，也因微孔的產生因此澱粉和酵素與細菌的接觸面積變大，因此有助於澱粉或塑膠材料的分解。且植物源粉末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，加速石化塑膠的崩解及降解速率外，植物源粉末先分解後，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。
2.本發明有可高度降解或全分解的優點，可以通過ISO14855、EN13432等堆肥測試。
3.由塑膠材料的化學式，例如聚乙烯為(CH2 )n，生物基材料的化學式，如澱粉為(C6 H12 O5 )n，兩者降解或燃燒後所產生的二氧化碳以塑膠所產生的量較多，故本發明含大量可再生的生物基材料，取代了塑膠材料的添加量，可大量減少降解或焚燒後產生的二氧化碳排放量，以符合本發明所稱之低碳功效。
本發明透過添加如澱粉或植物纖維等成本較低的植物源粉末生物基材料，除了可直接減少酵素調控型助劑的使用量，又可因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，亦可同時降低石化來源的塑膠使用量，更可不受限制地複合其他種類的塑膠材料，併使其分解；再藉由本發明表1的降解速率比較表證實，添加生物基材料可進一步加快石化塑膠的分解速率。表2.為聚乙烯塑料膜、生物基塑料膜與生物基酵素可分解膜的物性比較表，可以發現加了酵素調控型助劑的薄膜，相對於未添加或僅添加酵素調控型助劑之對照組，物性影響不大。
生物基塑料與酵素調控型助劑中的生物質粉末、蛋白質與細菌成分，容易因為氫鍵與凡得瓦力等吸引力造成團聚，團聚現象易造成產品強度弱化及印刷性不佳等問題產生，因此這些生物基材料在塑料中的分散與細化將影響產品的質量。另外，不論是生物基材料或是酵素調控型助劑中的酵素與菌種，皆會因溫度過高而影響產品功能及機械強度，因此在產品生產過程中降低製程溫度也至關重要。本發明透過添加加工助劑與奈米無機物並搭配合適的設備規劃，增加生物基材料在塑料中的分散性，生產出產品強度或印刷性都較佳的高品質片材。加工助劑包含分散劑或滑劑等石蠟、PE蠟、OPE蠟、脂肪酸類或脂肪醯胺。奈米無機物包含奈米級的矽酸鹽類，例如滑石、雲母、高領土等。本發明含有植物源粉末的生物基材料及酵素助劑可藉由該奈米無機物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。
一種新型低碳可降解片材，厚度介於0.01～0.15mm之間，密度在0.6~1 g/cm3 之間，其包含一塑膠材料20～80 wt%、一生物基材料10～70wt%以及一酵素調控型助劑1~10wt%，該新型低碳可降解的片材的生物降解率至少90%。
本發明所述的片材就一般而言，依據厚度可區分為：厚度較薄的片材可稱之為膜材，厚度較厚的片材則可稱之為板材，但皆不離本發明所揭示的精神。
其中，上述該塑膠材料係一般石化或植物來源的塑膠材料，例如聚乙烯(Polyethylene, PE)、聚丙烯(Polypropylene, PP)、聚苯乙烯(Polystyrene, PS)、聚氯乙烯、乙烯-醋酸乙烯共聚物(Poly ethylene-co-vinyl acetate, EVA)或聚乙烯對苯二甲酸酯(Polyethylene Terephthalate, PET)等，該塑膠材料在未添加其他可助降解的成分前，係無法自行在環境中降解。
該生物基材料包含澱粉或如竹粉、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，且進一步地該生物基材料可以是將澱粉或植物纖維與一基礎塑料(聚乙烯、聚丙烯、聚苯乙烯、乙烯-醋酸乙烯共聚物或聚乙烯對苯二甲酸酯等)混練形成塑膠粒後，再與本發明其他成分混合，較佳地，塑膠粒中含有之澱粉或植物纖維含量60～80wt%。
本發明所使用的酵素調控型助劑內含特殊酵素，該特殊酵素對特定化學結構的專一反應性，使該塑膠材料可在土壤環境下藉由酵素與細菌對塑膠材料進行分解，該類酵素調控型助劑除了特殊酵素外，可能進一步含有聚烯烴樹脂(PE、PP、EVA等)、微生物及微生物的營養源，其可使所添加之聚乙烯(PE)高度降解或全分解之功效。本發明中所謂的高度降解或全分解是指該塑膠材料可達到90%或以上的降解率。
本發明的組成中進一步依據製程需求或終端產品需求可添加功能性添加材料1~20wt%，諸如色料、填充劑、增韌劑、加工助劑或奈米無機物等。其中填充劑包含碳酸鈣、滑石…等無機物，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)類彈性體等，加工助劑包含分散劑、滑劑等石蠟、聚乙烯蠟(PE蠟)、氧化聚乙烯蠟(OPE蠟)、脂肪酸類或脂肪醯胺。奈米無機物包含奈米級的矽酸鹽類，例如奈米等級滑石、雲母、高領土等。
而本發明所提供的配方組成可利用一般塑膠加工方法成形為片材，於此不限定，如將塑膠材料、生物基材料以及酵素調控型助劑共同熔融混練後，以吹塑、押出製程，依據厚度需求加工為板、片或膜材，而該板、片或膜材可進一步以吸塑成形的方式製成塑膠碗、盤、杯等盛裝容器或其他膜袋類產品。本發明所提及之塑膠材料、生物基材料以及酵素調控型助劑的配方亦可以吹製方法製為瓶子或罐子。
一般而言，添加植物源粉末的生物基塑料和酵素調控型助劑時，因為當中的生物源粉末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，在本發明中將生物基材料與酵素調控型助劑和石化塑料共混前，生物基材料與酵素調控型助劑皆需乾燥至含水率小於0.5%，以減少後續製程中瑕疵的問題。而本發明若選用植物纖維粉體作為生物基材料時，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，選用澱粉及植物纖維粉體的任意組合，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無機物並搭配合適的設備規劃，增加生物基材料在塑料中的分散性，生產出產品強度或印刷性都較佳的高品質片材。本發明含有植物源粉末的生物基材料及酵素助劑可藉由該奈米無機物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。
請參考表1，為證實本發明透過含植物源粉末之生物基材料及酵素調控型助劑的搭配，可進一步加速該塑膠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)厚度為0.03mm膜材、對照組2僅添加澱粉的聚乙烯(PE)厚度為0.03mm膜材，對比本發明含植物源粉末之生物基材料及酵素調控型助劑的聚乙烯所做的厚度為0.03mm膜材，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40wt％分解完後，自150天到180天短短的30天內，7wt%的酵素調控型助劑可將53wt%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，除了可使產品有輕量化的效果外，也因微孔的產生因此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，加速石化塑膠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53wt%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。
請參考下表2，其係用上述表1之實驗組別所做之聚乙烯塑料膜、生物基塑料膜與生物基酵素可分解膜的物性比較表，可以發現加了酵素調控型助劑的薄膜，相對於未添加或僅添加酵素調控型助劑之對照組，物性影響不大。(膜材厚度0.06mm) 【表2】
上述表1及表2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 (9)

  1. 一種新型低碳可降解片材，厚度介於0.01～0.15mm之間，密度介於0.6～1 g/cm3 之間，其包含一塑膠材料20～90 wt%、一生物基材料10～80wt%及一酵素調控型助劑1~10wt%，其中： 該塑膠材料係石化來源的塑膠材料； 該生物基材料包含澱粉、植物纖維粉體或澱粉、植物纖維粉體的組合； 該酵素調控型助劑包含聚烯烴樹脂、酵素、微生物及營養源； 該新型低碳可降解的片材的降解率至少90%。
  2. 如申請專利範圍第1項之新型低碳可降解片材，其中： 該塑膠材料包含聚乙烯、聚丙烯、聚苯乙烯、聚氯乙烯、乙烯-醋酸乙烯共聚物或聚乙烯對苯二甲酸酯； 該聚烯烴樹脂是聚乙烯、聚丙烯或乙烯-醋酸乙烯共聚物；以及 該生物基材料進一步包含聚乙烯、聚丙烯、聚苯乙烯、聚氯乙烯、乙烯-醋酸乙烯共聚物或聚乙烯對苯二甲酸酯。
  3. 如申請範圍第1項之新型低碳可降解片材，該植物纖維粉體包含竹粉、米糠粉、秸稈粉、木粉或咖啡粉。
  4. 如申請專利範圍第1項之新型低碳可降解片材，其進一步包含色料、填充劑、增韌劑、加工助劑或奈米無機物之功能性添加材料1~20wt%。
  5. 如申請專利範圍第4項之新型低碳可降解片材，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，該加工助劑包含分散劑、滑劑等石蠟、聚乙烯蠟、氧化聚乙烯蠟、脂肪酸類或脂肪醯胺；以及該奈米無機物包含奈米級滑石、雲母、高領土。
  6. 如申請專利範圍第1項之新型低碳可降解片材，其係以押出或吹塑的方法製造而成。
  7. 一種新型低碳可降解片材的盛裝容器，其係以專利申請範圍第1～6項之新型低碳可降解的片材所製成。
  8. 一種新型低碳可降解片材的袋類產品，其係以專利申請範圍第1～6項之新型低碳可降解的片材所製成。
  9. 一種新型低碳可降解片材的瓶子，其係以專利申請範圍第1～6項之新型新型低碳可降解的片材所製成。
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