聚碳酸酯(PC)化學回收
- 刊登日期：2024-06-11
- 資料來源：材料世界網
- 作者：林其瑞、郭信良 / 工研院材化所
消費後的聚碳酸酯(PC)廢料因經過長時間使用而造成其降解，也因市場上同時存在許多複合PC(主要為PC/ABS)而造成廢料組成複雜，目前僅特定PC產品具回收價值(包含板材、中空板、浪板、採光罩、水桶、太空瓶、飲水機殼、安全帽鏡片與車燈殼)，但其僅能加工進行PC次級產品應用。以目前終端品牌對達成碳中和的策略，若能將廢PC中的雙酚A(BPA)單體回收，將大幅提升回收產品價值，並可應用於高階產品，如：光學板材(PC)及印刷電路板(環氧樹脂)，藉此提高廢PC的回收價值並達到減碳目的。本文分享回收BPA市場需求及國內外PC化學回收技術的發展。
【內文精選】
前 言
因目前國內有上看6萬噸/年的廢PC與PC/ABS，其中5.5萬噸/年的PC與PC/ABS無法物理回收只能焚化，且PC化學回收(Chemical Recycling)是rBPA的最主要來源之一，若開發PC的化學回收技術，擴展廢料源至目前無法物理回收的廢PC與PC/ABS，經由解聚與純化技術得到的高品質rBPA，將補足產業鏈對低碳BPA需求的空缺，並能應用至高階PC與環氧樹脂產品中。
台灣有完整的PC與環氧樹脂產業鏈，目前除透過綠電使用、降低製程能耗來達到減碳需求外，低碳原料的取得與替代對於整體減碳效益更為顯著。發展循環再製低碳BPA技術有機會補足3C、面板與銅箔基板等產業缺口，預期可帶動低碳聚碳酸酯、低碳環氧樹脂材料以及品牌市場的推動。
由於廢PC化學解聚與BPA純化製程技術目前尚未有大規模且具經濟效益的回收產業鏈，整體製程仍有高能耗與達不到高品質聚合級BPA等問題，因此，若能將國內包含劣化之PC與PC/ABS等混合廢料源進行解聚，發展低溫常壓的低能耗PC化學回收技術，並藉由異材質分離程序設計與純化/精煉技術開發，以製備高品質之低碳聚合級BPA循環料源，進一步透過與國內業者合作，完成環氧樹脂與聚碳酸酯之合成與應用驗證，協助國內大廠降低對於石化BPA之需求，將可實現低碳循環料源自主化與提升產品競爭力。
PC化學回收技術
長久以來，塑膠產業大多關注工業塑膠的性能與耐久性，而不是可降解性與可回收性，因此，塑膠的化學回收成為現今的一個重大挑戰。如何將塑膠經由化學回收轉化為其原始單體或有價值的衍生化合物，為現今發展重點。Xu及Wang的研究團隊即提供單一塑膠與混合塑膠的解聚策略，供後續研究參考，如圖一；其使用一鍋法解聚(One-pot Depolymerization)，針對各式塑膠(PLA、BPA-PC、PBS、PBAT、PCL及PET)及混合塑膠(BPAPC/PET、PLA/PBS、PLA/PBAT)進行解聚。目前市面上最大宗的PC廢料中，純PC即適合藉由一鍋法解聚，而PC/ABS則適合藉由階段式解聚(Sequential Depolymerization)進行回收BPA單體之製造。
圖一、單一塑膠與混合塑膠的解聚策略
1. 水解法
PC可以水解成雙酚A和碳酸，最終分解為二氧化碳和水。由於PC主要應用於液體容器和戶外採光罩等用途，因此PC水解的研究著重於其接觸水和耐候性的影響。在聚碳酸酯的水解評估中，儘管小的芳香族碳酸酯在鹼性條件下會快速水解，但由於疏水性的PC阻礙了水的滲透，因此聚碳酸酯在使用過程中不容易因水解降解而失去其性能。自1990年代以來，各種研究開始從化學回收的角度切入PC的水解。
2. 醇解法
García等人在NaOH及甲醇條件下進行PC醇解反應，在100˚C以上可定量產生BPA及DMC。近期Pandit等人添加THF並使用超聲波進行NaOH催化的醇解，觀察到醇解速率顯著增加。Frediani等人則使用微波加熱進行PC的醇解以提高效率，反應溫度保持在乙二醇的沸點以下(198˚C)，測試了各種催化劑，其中鹼性催化劑之催化效率較佳(如NaOH、KOH、Na2CO3 和CaO)，且微波縮短了反應時間至10分鐘。在超臨界甲醇和乙醇的醇解研究中，由於甲醇和乙醇的臨界溫度分別為240˚C和241˚C，遠低於水的臨界溫度(374˚C)，故在接近臨界條件下，甲醇和乙醇均有效地將PC裂解為BPA和碳酸二甲酯(DMC)或碳酸二乙酯(DEC)。為了尋找更溫和、更實用的醇解系統，提升催化劑效率及簡化後處理製程為現今發展目標。由於碳酸酯的酯交換反應類似於酯類，故針對具有高酯交換活性的有機鹼進行PC醇解催化評估。Quaranta對1,8-二氮雜二環[5.4.0]十一碳-7-烯(DBU)的研究集中於無共溶劑下的甲醇解和乙二醇解，有機化合物DBU被認為比無機或離子催化劑更適合於PC醇解。
工研院材料與化工研究所開發PC醇解化學回收技術，可望協助業者建立低溫常壓的低能耗PC化學回收技術及聚合級BPA循環料源純化技術，藉此將PC廢料轉化之再生BPA應用至PC或環氧樹脂產品中，實現再生PC或再生環氧樹脂產品開發。在PC廢料源的選擇中，本技術可針對PC採光罩及PC水桶等PC料(如圖六)進行化學回收與BPA純化 ---以上為部分節錄資料，完整內容請見下方附檔。
圖六、(a) PC採光罩料；(b) PC水桶料
★本文節錄自《工業材料雜誌》450期，更多資料請見下方附檔。
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