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產業技術評析

廢塑膠機械回收應用之塑膠添加劑發展現況
發表日期:2023-10-25
作者:陳育誠(工研院)
摘要:
本文將說明國際上利於塑膠機械回收再利用的創新添加劑產品案例,以作為國內評估此技術發展的參考資訊。

全文:

一、前言

傳統上,塑膠添加劑(包含色料)可以被視為塑膠母體中,用來改善材料特性的不純物。在塑膠產業朝向循環經濟發展時,這些不純物的存在,影響機械回收(Mechanical Recycling)塑膠料的性質,也被視為是必須克服的挑戰。但若能發展不影響回收料性質的添加劑並透過添加這些不純物,提高塑膠分類與回收的效率、改善機械回收塑膠料的特性或者提高整體塑膠的循環性,這些塑膠添加劑將有助於塑膠產業朝向循環經濟轉型。

近年來塑膠添加劑廠商已推出許多創新的塑膠添加劑產品,像是利於光學辨識分類的添加劑、減少機械回收過程中塑膠劣化的穩定劑以及提高機械回收混和塑膠料的相容劑或增強劑等。應用這些添加劑,有助於改善廢塑膠機械回收的流程並提高機械回收塑膠料的性質。

本文將說明國際上利於塑膠機械回收再利用的創新添加劑產品案例,以作為國內評估此技術發展的參考資訊。

二、塑膠機械回收再利用的各流程有機會透過添加劑來提高分類回收效率

由於投資成本較低,技術發展較成熟且相較於正在發展中的廢塑膠化學回收(Chemical Recycling) 技術較不具備環保爭議,機械回收仍是目前全球最主流的塑膠回收方式。

廢塑膠機械回收可以分為1. 收集廢塑膠產品、2. 將廢塑膠分類,為增加速度並提高材質辨識的正確性,目前多應用光學儀器與機械手臂協助進行光學自動分類、3.將分類完的廢塑膠進行機械粉碎與清洗移除部分不純物、4.將粉碎與清潔後的廢塑膠粒加熱熔融重新造粒並回到產品製造的材料供應鏈中。機械回收的流程以及能應用添加劑來增加回收效率的機會,整理於下圖1中。
 

圖1 塑膠機械回收流程可以應用添加劑來提升效率

資料來源:工研院產科國際所 (2023/10)
圖1、塑膠機械回收流程可以應用添加劑來提升效率
 

在分類、粉碎與再造粒的流程中,皆有機會透過創新的添加劑來提高分類與回收效率,或者提高機械回收塑膠料的品質,下文將說明相關的國際案例。

三、應用添加劑導入光學特徵將有助於廢塑膠分類

由於以人工肉眼辨識來分類廢塑膠,不但速度慢,而且很容易產生人為誤判,效率並不好。目前廢塑膠分類業者,多傾向應用廢棄塑膠物理性質上的差異,來進行更有效率的自動分類。其中應用自動光學檢測設備(Automated Optical Inspection, AOI)來判別廢棄塑膠種類並配合機械來進行自動化的分類流程,更是最受矚目的技術。

這類光學分類的設備的運作,是應用AOI設備先發出近紅外光(Near Infrared, NIR)去照射欲分類的廢塑膠物流,而不同種類的廢塑膠,會反射出不同的訊號,這可供AOI辨識廢塑膠種類,AOI再將判讀結果傳送至機械上,由機械將不同的廢塑膠分類至其所屬物流中。

若欲分類的廢塑膠中含有會吸收NIR的物質(最常見的是碳黑顏料),而不反射光學訊號至接收器,將使自動光學分類流程遇到困難。發展不吸收NIR的塑膠添加劑便成為許多廠商投入的發展方向。

自2019年起許多國際顏料大廠紛紛推出不會吸收NIR的黑色顏料產品像是PolyOne(現為Avient)的OnColor™ Infrared Sortable Black for Recyclable Packaging系列與LANXESS 應用鐵與錳的氧化物混和物作為基底的Bayferrox® 303 T,皆是產業案例。

除了黑色顏料外,傳統上銀色顏料也容易造成AOI辨識失誤,為解決這個問題,2022年顏料大廠ECKART發展有利於廢棄塑膠光學自動分類的銀色金屬效果顏料產品NIR Silver,來改善銀色顏料的光學辨識性。

另外,若廢塑膠流中有著光學辨識訊號相同,但卻不能歸屬於同類的組成,像是純PVC與PVC/玻璃纖維複合材,則需要加入不影響回收料物性的光學辨識添加劑-示蹤劑(tracer)-來創造訊號差異,以利AOI辨別分類。

德國的Polysecure已應用螢光物質開發出示蹤劑產品,另外該公司在2022年4月和塑膠加工設備業者Röchling Industrial合作推出創新的塑膠產品辨識與仿偽技術 SmartMarker®。

四、加入穩定劑可以減少機械粉碎廢塑膠的負面效應

在機械粉碎廢塑膠的過程中,被粉碎的廢塑膠除了體積變小外,也常常會伴隨劣化反應發生,這將會產生小分子降解物,這些小分子多數會降低回收塑膠料的物性,如何避免這些小分子的出現便是塑膠機械回收業者須解決的問題。

有許多塑膠添加劑業者,為解決上述問題,針對不同材質的廢塑膠,開發出不同種類的穩定劑,以減少廢塑膠在機械粉碎過程中小分子的產生。

以食品包裝常見的HDPE廢塑膠為例,HDPE在機械粉碎的過程中會產生小分子的PE蠟,這些PE蠟若混入機械回收HDPE塑膠料中,會降低材料物性,需要被避免。添加劑業者Addisperse為了解決這個問題,推出結合了交鏈劑與抗氧化劑的的穩定劑產品NC 203 C,這項創新的添加劑產品,有效的減少劣化產生的小分子的PE蠟,也防止機械回收HDPE塑膠料的物性降低。

五、透過增強或相容劑提高機械回收料的性能與價值

廢塑膠機械粉碎後重新製造的回收塑膠料中,很容易殘留此批廢塑膠中不易分離的添加劑、小分子或其它種類的塑膠等雜質,這些雜質若殘留在機械回收料裡面,很容易造成臭味、讓回收料加工困難或者讓回收料的物性降低等負面影響。透過在機械回收料加入增強或相容添加劑,來改善使用機械回收料的負面效應,成為了塑膠添加劑業者創新發展的方向。

(一) 應用除臭劑可以消除機械回收塑膠料的異味

若廢塑膠是來自於生鮮等食品包裝,在這些廢塑膠成為機械回收塑膠料後,還很容易殘留生鮮食品的味道,這些味道將影響機械回收料的再利用。Addisperse 為了解決這項問題,應用一些天然物質,像是木質素、海藻或纖維素作為添加劑去中和回收生鮮食品包裝上異味。該公司目前有提供ON 106 與ON 108 兩類除臭配方。

與Addisperse類似,2021年Ampacet推出可以吸收臭味的塑膠母粒產品OdorClear™,這項創新產品能有效消除機械回收料的臭味,有利於廢棄塑膠機械回收再利用。

(二) 加工助劑與增強劑可以改善機械回收塑膠料的加工性與加工後材料的穩定性

而廢塑膠成為機械回收料後,其熔融加工的能力,以及加工成型後的材料穩定性也往往較原生料來的差,因此有許多廠商開發創新的加工助劑與增強劑,來提升機械回收料的實用性。像是PP添加劑的專家Milliken 在2021年就推出可以應用在PP機械回收料加工的黏度修飾劑產品DeltaFlow™ ,產品可以提高PP機械回收料的熔融指數,有利於成形製造。

除了PP外,機械回收PET料的加工性質改善,也是添加劑廠商開發的方向。為解決這問題,PolyOne(現為Avient)推出具有專利保護,能協助機械回收PET料,加工時保有熱安定性與減少黃變的助劑 ColorMatrix SmartHeat RHC Reheat。只需在機械回收PET料熔融加工時添加0.02%至 0.10%的該添加劑便能提升其熱穩定性與防止黃變。

和同業相似,2022年添加劑大廠SI Group也針對LDPE、PET與PP機械回收料推出系列的加工助劑與增強劑,這一系產品將歸屬在EVERCYCLE™的商標之下。

(三) 創新相容劑可以改善機械回收塑膠料中不同成分的相容性

多層膜像是PE/PA或者PE/EVOH常作為食品包裝材料,這些複合膜材厚度很薄而且黏合在一起,若進入機械回收的流程中,不容易被分離,不同的材質會一起粉碎,再製成機械回收塑膠料。這些不同的組成摻混後互相作用,容易產生形成複合膜時不會產生的負面效應,要改善這些負面效應,可以透過發展相容劑(compatibilizers)來降低不同的組成摻混後互相作用。

Ampacet為了解決上述問題,推出可以應用在廢棄PE/PA或者PE/EVOH複合膜機械回收再生料的相容劑母粒配方產品ReVive™ Compatibilizer。這支相容劑母粒配方除了能改善再生料的加工性,也改善PE摻混PA或者EVOH的光學性質。

彈性體製造商Kraton也應用其彈性體技術,推出可應用在回收廢塑膠產品,改善不同回收廢塑膠相容性、維持其機械性質與加工性的添加劑產品CirKular+™ 。

六、總結-臺灣塑膠添加劑業者可配合回收塑膠料需求提升來開發創新產品

在廢塑膠機械回收的流程中,若使用適當的添加劑產品,不但不會增加回收流程的困難,反而有機會透過這些添加劑改善回收流程,並提高機械回收塑膠料的性能與價值。在塑膠循環經濟的趨勢下,這些創新的添加劑是值得廠商投入的項目。

相較國外塑膠添加劑大廠近年已推出多項創新產品來解決廢塑膠機械回收流程所遇到的問題,我國塑膠添加劑製造在這個新領域的發展不深。

我國在廢塑膠機械回收發展歷史悠久,機械回收技術成熟,回收技術不亞於國外同業,是國內塑膠添加劑在發展創新添加劑時可以合作的對象。建議未來政府可以協助串聯國內塑膠機械回收業者與塑膠添加劑業者,合作解決廢塑膠機械回收料所遇到的新問題,開發創新添加劑,共創雙贏。

(本文作者為工研院產科國際所執行產業技術基磐研究與知識服務計畫產業分析師)


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更新日期:2020-04-08

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