經濟部產業發展署石化產業高值化推動專案

摘要/Abstract

我國石化產業自1960年發展以來，已成為重要兆元核心產業。台灣石化產業在歷經兩次石油危機、產業外移、環保意識抬頭、中東及中國大陸石化業者強力競爭與全球貿易戰等不利條件影響下，卻仍能保持競爭力而蓬勃發展，其中的關鍵因素即是高值化策略。本文闡述工研院材化所高分子組自1983年成立以來，如何藉由高分子改質技術引領我國石化產業朝向高值化發展的軌跡。

Taiwan’s petrochemical industry has become a pivotal core industry with the product value of NT$ 1 trillion. Under the adverse conditions of 1973/1979 oil crises, industrial offshore migration, awareness of environmental protection, strong competition with middle Eastern/Chinese petrochemical manufacturers, and global trade war, however, it still can remain competitive and flourish because of highvalue strategy. In this article, the history about that Polymer Division of MCL of ITRI led Taiwan’s petrochemical industry into high-value development with polymer modifying technology since established in 1983 has been elaborated.

關鍵字/Keywords

高分子改質技術(Polymer Modifying Technology)、石化產業(Petrochemical Industry)、高值化(High Value)

 

前　言

石化產業(Petrochemical Industry)不但是我國經濟發展的基礎，也是重要兆元產業之一。台灣石化產業歷經60多年的發展，在缺乏天然資源的先天環境下，以「逆向整合」發展模式成功建立上、中、下游之完整體系。但近年來業者受限於本土市場規模小且飽和、環保要求、勞力及土地成本提高等因素而外移，再加上廠商在本土的部分新投資案遭遇環評因素而延緩，引起產業界對於我國石化產業競爭力逐漸喪失的憂心。此外，在面臨中東與中國大陸石化產業崛起所引發的產業版圖重整，以及中國成為未來全球石化產業主要市場重心之現實壓力下，我國石化產業如何才能在這波改變巨浪中生存已成為值得關切的議題。工研院材料與化工研究所高分子組自1983年起即投入高分子改質技術(Polymer

Modifying Technology)研發，多年來已累積豐富成果與經驗，茲以本文說明本組前輩與同仁一路走來，引領台灣石化產業朝向高值化(High Value)發展的方法與貢獻。

 

熱塑高分子改質技術開發、技術移轉與生產輔導

    1983年本組有鑑於台灣石化產品停留在PVC、PE合成與下游加工應用階段，即以科專計畫進行高分子複合化（合膠、複合材料、阻燃材料）技術開發，之後藉由轉移技術至產業界且輔導產業界進行商業化生產，以因應國內資通、車輛、機械等各產業對工程塑料的需求，也逐漸建立起台灣高分子改質(Compounding)產業。由於創新高性能熱塑高分子不容易被設計及合成，透過材料改質技術來升級既有熱塑高分子性能，已成為最便捷且符合成本效益的路徑。本組主要藉由建構全台首套W&P ZSK-30雙螺桿押出機，開啟了國內熱塑高分子改質產業的蓬勃發展，開發出大於60項次之熱塑高分子改質技術，且進行大於100家次廠商的技術移轉，所創造之年產值大於500億元，成功落實商業化。整體成果重點摘錄如下。

1. 熱塑高分子改質技術之新規格材料開發/生產流程：如圖一所示。

2. 熱塑高分子改質技術移轉重點及輔導產業項目/成果說明（1985~2000年）。

(1) Nylon/GF、Nylon/GF/難燃FR、超韌尼龍、長纖補強Nylon膠粒研製技術—輔導耐○公司由回收料廠轉型為工程塑膠配料廠及建立長纖補強膠粒研製生產線；輔導晉○/邦○公司設立配料廠，主要應用於汽車引擎連接器、電子電氣Switch/Relay/Coil Bobbin、行李箱及辦公椅滑輪等。

(2) PBT/GF、PBT/GF/FR、PC/PBT/EPDM合膠、PET色母開發—協助新○ 公司建立中壢改質配料工廠（1988~1990年），並成立工程塑膠新事業部門，主要產品應用於電腦連接器與機殼冷卻風扇。

(3) 紡織黑色母開發（中○紡織公司）—應用於PET黑色絲纖維。

(4) ABS/FR、ABS/GF、ABS/PC Alloy、美規保險桿用PC/PBT合膠、ABS/PC/FR、PC/FR、PC/GF/FR、耐磨PC等—技術轉移奇○、國○、南○、綠○公司設立手機機殼材料品質管制實驗室；技術轉移奇○、英○、新○、欣○、標○、佳○、永○、寶○、華○、皇○、泰○、同○、義○、華○等公司設立工程塑料生產廠及研發實驗室，輔導我國ICT產業進行高值化材料技術開發與商業化生產，主要應用於ICT組件、汽車水箱進氣柵板/輪圈蓋/照後鏡座/電腦鍵盤/NB Housing/相機Housing/家電Housing等。

(5) PPO配料技術—輔導中石○公司/觸○中心進行PPO改質技術開發，主要應用於輕量化無蝕浸水幫浦Housing、顯示器Housing等。

(6) 導電材料開發與其加工成型技術—輔導奇○、台○、力○、中○、邦○、台○、協○、大○等公司進行導電材料改質技術開發，應用於IC-tray/Carrier-tape與導電鍵盤按鍵。

(7) PP複合材開發—輔導盛○、邦○ 、同○公司設立配料廠；輔導裕○公司開發汽車保險桿材料，主要應用於汽車保險桿與儀錶板、汽車輕量化內裝件。

(8) 官能化PP反應押出改質技術—輔導耐○、同○、邦○、新○等公司進行官能化PP改質技術開發，主要應用於PP/GF、PP/合膠、PP相關複合材界面相容劑。

3. 熱塑高分子改質技術之技轉執行績效：如圖二所示。

創新技術開發與跨業整合應用

1. 策略性產業政策–開發太陽光電模組封裝材料

    我國為因應全球氣候變化綱要公約之國際新潮流及善盡地球村一份子之職責，訂定2025年再生能源占總發電容量25%的長程目標，制訂國家再生能源發展政策。而太陽光電模組為太陽光電發電系統中最主要與最貴的元件，其封裝材料採用EVA封裝膜，此乃為最關鍵之材料。由於EVA材料之優異阻氣性與耐候性可有效保護太陽光電模組，一般而言，國際大廠都保證其壽命可達20~25年。國內欲發展太陽光電產業，此材料不可缺少。然而，早期都是進口貨，掌握在外國廠商手中。有鑑於此，為了國內太陽光電產業之長遠發展，工研院材化所高分子組於2006年輔導台○公司進行EVA封裝膜開發，藉由光學級合成EVA塑膠粒（圖三與圖四(a)）、EVA封裝膜材料配方開發與EVA封裝膜製造（圖四(b)）等工作，歷經兩年完成了大尺寸太陽光電模組封裝驗證（圖五），取得一條龍自主生產太電模組之能力，並落實應用（如圖六）。不但突破太陽光電產業關鍵封裝材料長期由國外供應之限制，且將EVA應用由民生產業擴大至光電產業，成功高值化EVA原料，建構了國內完整之太陽光電產業鏈。

2. 前進世界級高科技技術–環保節能輪胎開發

    2008年輪胎產業因應全球石油價格高漲，開始進行節能輪胎的開發。節能輪胎在當時只有米其林輪胎剛推出新產品，為世界先進技術。藉由奈米材料技術精進，朝規格越高之節能輪胎邁進是全球輪胎產業的共識，歐洲在2012年已經完成貿易壁壘的建立，若達不到規範要求（主要規格如表一所示），則由協會建議消費者不使用。

    當年節能輪胎所需之胎面膠配方原料由國際大廠所掌握，台灣廠商無法供應，因此胎面膠為節能輪胎之開發重點（製造流程與物性檢測項目分別如圖七與圖八所示）。歷經兩年開發後，正○橡膠公司於雲林斗○科技園區先後設立2座日產1萬條節能輪胎之全自動化生產工廠，以瑪○斯M○XXIS品牌行銷全球，銷售值約新台幣180億元/年。

3. 次世代光學級材料

    輔導寶○公司開發灰階LCD-TV背光模組用反射片（圖九(a)與圖九(b)），其反射率於可見光範圍可達90%以上（圖九(c)）。

4. 高分子淬火液開發與應用

    目前各國之鋼鐵廠及熱處理加工廠的淬火調質技術（表二），漸漸趨向於使用高分子淬火液，以逐漸取代傳統的油、水淬冷系統。高分子淬火液能降低冷卻速率，可避免淬火時棒材發生破裂情形及避免使用油淬冷系統時會發生之火災引發、煙霧產生及去棄等問題，並兼顧調質或熱處理後材料的各項性質，可提高金屬強度、硬度及高附加價值，極具市場潛力。因此，工研院材化所高分子組於2006年輔導基○公司進行綠色、環保及省能源的「環保型高分子淬冷液」商品化製程開發，且將淬火後鋼材應用於汽車照明用模具之驗證（圖十）。由於模具為所有工業生產的基礎，模具鋼材又是製作模具不可或缺的基本材料，因此淬火後鋼材之應用範圍廣泛（圖十一）。成功開發此材料嘉惠了國內鋼鐵廠及熱處理加工廠，並減低傳統油淬所帶來之環保與工安之危害，且鋼材亦保有相當好的物性，開創了國內產業先機。

5. 高分子積層列印創新材料開發與應用

    鞋子是人類生活不可或缺的產品之一，根據研調機構Statista的報告，全球鞋業之市場規模於2020年約4,321億美元，預期於2025年將達到5,650億美元以上，2020~2025年整體鞋業年複合成長率可達5.5%。其中，又以功能性運動鞋的增長較為顯著。近年來，在健康意識提升與路跑潮流的帶動下，休閒運動風氣盛行，使運動鞋市場迅速成長，預計2025年之全球運動鞋規模將達1,723億美元，隨著人口數量及每人可支配所得水平的增長，其發展前景樂觀可期。鞋業的主要消費市場包括美國、歐洲與中國等國為主，其中又以歐美國家主導整體市場發展趨勢；而鞋的製造主要集中在東南亞地區。因此，鞋子在代工製造後，需經過長途運輸至銷售的各國，其長途運輸成本非常的龐大；此外，製鞋產業工序繁複、需大量的生產模具與倉儲空間，且本案合作之寶○公司於東南亞各國的生產基地近年來因勞力與土地成本飛漲，而使其生產成本居高不下。

    積層列印製程具備如下優點：①節省材料，避免非必要材料浪費；②成型時免模具，節省模具製作時間與成本；③產品設計後可就近製造，免除倉庫與長途運輸之成本；④複雜結構設計、獨特性商品開發可行性；⑤搭配積層掃描，能依消費者需求完全客製化。這些優點，正能克服鞋製造業正面臨的難題，因此若能結合工業4.0與物聯網等科技應用，將能引領製鞋製程朝快速、自動化、智慧製造的生產製程發展。積層列印技術應用於鞋業製造尚屬於創新領域的應用開發，故其市場規模尚不明朗，但就近兩年來Nike、adidas、Under Armour與New Balance等國際知名品牌鞋廠積極投入積層列印運動鞋的開發，顯示其未來的市場規模相當可觀。

    積層列印鞋製程的建構係在確保生產品質與製程成本下，發展生產自動化與智慧生產的製鞋製程，而開發之積層列印鞋產品則能針對消費者需求進行客製化產品設計及測試的服務。藉由電腦模擬輔助與積層列印技術的搭配，將能大幅減少製鞋製程中開模打版次數，縮短設計到製成成品時間，透過「取得設計，就近製造」的生產模式減低長途運輸與倉儲的成本，並達到快速反應市場需求、客製化、多樣化的生產模式。在積層列印熱塑高分子材料開發方面，目前市售之積層列印高分子主要以PLA、ABS等硬質材料為主，彈性體材料的應用仍非常缺乏，工研院這項開發案以聚酯彈性體材料與其合膠為主，將有利於擴展積層列印材料的選擇性，有助於相關產業的應用。工業級積層列印機提供產業專業服務及應用，包含列印精密度及大型物件於產業生產使用，此計畫以大型專業列印機台製作客戶需求之平衡片/中底/表面花飾，以提升產業發展，其解決方案如圖十二所示。

    積層列印技術應用於鞋業製造不僅能大幅縮短製作時程、成本與人力，還可以結合創意與消費者需求，加速產品研發生產週期。因此，國際各大品牌積極投入積層列印製鞋技術的開發。本計畫結合鞋材用聚酯彈性體材料開發生產、產品結構設計與終端產品生產應用、積層列印材料加工評估與積層列印設備研發技術，建構應用於鞋製造的積層列印製程與新材料，藉由產業之鏈結，提升我國製鞋業創新產品開發技術競爭力，並帶動製鞋產業走向創新設計、智慧製造的數位製造新世代。高分子積層列印鞋產品結構及規格與其生物力學測試結果（地面反作用力/足部壓力測試）分別如圖十三與圖十四所示。

6. 高性能彈性體複材開發與應用

    因應全球化之環境政策，世界各國紛紛針對環保法制定出相關產品法規，如歐盟危害物質限用指令(RoHS)法規禁用聚氯乙烯，減少PVC、EPDM材料的使用量，因此改用環保型材料成為未來發展的主流趨勢之一。由於生產廠商持續的產品創新，使熱塑性彈性體(TPE)不斷取代傳統彈性體和熱塑性塑膠，且TPE亦具有加工簡單、能耗低、可重複回收使用等優點，在環保意識高漲的今天，儼然已成為符合需求之高分子材料。目前已工業化生產且常用的TPE可分為六大類：苯乙烯系熱塑性彈性體(TPS)、聚氨酯類熱塑性彈性體(TPU)、熱塑性硫化彈性體(TPV)、聚烯烴系熱塑性彈性體(TPO)與聚酯類熱塑性彈性體(TPEE)及醯胺系彈性體(TPAE)，其特性及物性如表三所示。

    國內的PET聚酯產品需求少，主要多以外銷為主，面對全球PET聚酯產品供過於求的現況，PET聚酯產業競爭力面對嚴苛的挑戰。因此如何藉由國內過去於PET聚酯產業所建立及累積的能量，進行差異化產品研發，並且結合國內其他產業上/下游產業合作開創新的商機，而具有優異特性且應用範圍廣泛的聚酯彈性體則成為了最佳的突破口。有鑑於此，利用國內自主生產的PET作為基礎原料，所開發合成之TPEAE原料具有物性可調控性及成本優勢，在TPEAE原料段導入耐高溫、耐水性及高熔融強度分子設計，開發應用於汽車轉向系統用防護罩以取代傳統熱固性氯平橡膠。此外，亦可藉由TPEAE分子結構設計，調整其型態微結構製成高彈性回復率之彈性纖維，最後針對彈性體加工性及產品量產製程及後續相關產品進行應用驗證。透過國內自行開發以PET為基質之TPEAE彈性體，除了可解決國內PET產量過剩之困境，並可自行調整最適合的材料特性。整體而言，發展自主化TPEAE材料有利提升我國汽車零組件產業及紡織業的產品競爭力與技術能量，且此新產品具可回收特性，符合綠色環保訴求，將有利於彈性體相關產業在我國的發展，更能符合國家傳統產業的升級政策和產品高附加價值的市場趨勢。

    台灣由於過去長期以來累積精密機械製造、塑膠成型模具開發、彈性生產管理等技術及經驗，且相關車輛零組件產業中心衛星體系完整，已成為全球汽、機車零組件主要供應國。在講究節能效益的驅動下，汽車輕量化是汽車產業共同的目標，因此取代過去耗能高成本熱固型橡膠之TPEAE扮演重要的角色。目前所使用的射吹級TPEE皆由國外進口，若能建立國內自主技術進行聯結，產業預期效益可期。開發應用於綠色環保型汽車防護罩及彈性纖維之熱塑性聚酯彈性體合成及改質技術，並串聯國內車輛零組件製造商及紡織廠同步驗證評估聚酯彈性體材料的推廣與高值化產品應用。本計畫透過不同軟硬段的分子結構設計，開發出不同特質的熱塑性彈性體材料（圖十五），包含耐熱、耐寒、耐水解、耐候、耐熱等多種不同的機能特性，經產品驗證程序（圖十六）後，可製成CVJ產品與彈性纖維產品（圖十七）。（待續）