科技新知

一、前言

隨著研究對全氟及多氟烷基物質（PFAS，per- and polyfluoroalkyl substances）之生物持久性與環境累積性的瞭解日益加深，相關潛在風險已廣泛被認為可能對人類健康及環境造成不利影響。因應此趨勢，全球主要國家與地區陸續制定並強化 PFAS 使用之相關法規，限制特定用途或推動全面禁用。然而，考量部分產業中關鍵材料之替代技術尚未成熟，現行法規多針對特定產業或特定 PFAS 種類訂定含量限制，並將部分材料列為未來潛在禁用對象，以作為過渡期風險管理之依據。本分析聚焦於數類PFAS 被視為潛在關鍵材料的新興應用領域，包含：離子交換膜、資料中心熱管理系統、電動車關鍵組件、5G 通訊所需低損耗材料，以及具永續設計的食品包裝方案等。上述應用領域在快速成長的同時，若所涉材料未來被納入高關注名單，可能將面臨合規壓力與研發挑戰。因此，提早識別可能受限材料並尋求可行替代方案，將有助於降低法規風險。建議材料開發與應用端持續關注歐美針對 PFAS 的禁限措施及相關豁免條款，作為中長期產品設計與技術佈局之參考依據。

二、PFAS 在五大應用領域的使用現況與替代方案盤點

（一）離子交換膜（IEMs）

IEMs，特別是質子交換膜 （PEMs），其膜材多含有PFAS成分。常見種類為全氟磺酸（PFSA，Perfluorosulfonic Acid）型離子聚合物，因具優異的離子傳導性、化學與機械穩定性，為PEMs的主要選用材料。PFSA離子聚合物樹脂亦用作催化劑塗層膜（CCMs，Catalyst-Coated Membranes）中催化劑顆粒的黏合劑。其中最知名的品牌為Nafion，由聚四氟乙烯 （PTFE）主鏈和末端帶磺酸基團的全氟烷基乙烯醚側鏈組成。在含水環境中，磺酸基團可解離質子並促進質子於膜中傳輸。Nafion 是其中最具代表性的商用產品之一，也是PEM的市場領導者。其他生產 PFSA 膜的公司包括陶氏化學 （Dow Chemical）、W.L. Gore、旭硝子 （Asahi Glass）、3M 和索爾維 （Solvay）。在氧化還原液流電池（RFB，Redox Flow Battery）中，常用的IEM也是PFAS材料，例如Gore的 PTFE膜以及AGC和Fumatech的PFSA膜。

已研究的替代材料包括磺化聚醚酮 （S-PEEK，Sulfonated Polyether Ether Ketone）、聚苯並咪唑 （PBI，Polybenzimidazole）等芳香族聚合物、碳氫化合物以及金屬有機框架（MOFs，Metal-Organic Frameworks）和石墨烯（Graphene）等新型材料。德國化學公司巴斯夫（BASF）和美國創新材料公司Ionomer Solutions均已成功開發適用於高溫 PEM 燃料電池的 PBI 膜（Polybenzimidazole）。Ionomr Innovations開發的Pemion （磺化苯基化聚苯烯 sPPPs，Sulfonated Polyphenyls）是一種非氟化碳氫離子聚合物替代品。葡萄牙公司1s1 Energy也開發了含硼的 PEMs。對於氧化還原液流電池 （RFBs），已測試過微孔聚烯烴薄膜。此外，催化劑塗層膜 （CCMs） 缺乏商業上可用的非 PFAS 黏合劑，這是一個亟需解決的問題。
 

資料來源：Ionomr 官網（2025）
圖1 Pemion™ 膜在氫燃料電池中反應之示意圖
 

日前以IEM替代PFAS材料的發展程度仍相對有限，若要完全取代現有PFAS材料之優勢，仍需進一步的技術發展與規模放大。例如：碳氫膜為減緩機械降解問題，須結合多孔聚合物增強層或嵌段聚合物等方法才能實現可行性應用。MOFs目前仍處於學術研究階段，材料本身的化學穩定性、水含量調控與長期結構穩定性尚待突破。近期的研究如NovoMOF發表了探討將MOF衍生材料作為 S-PEEK 膜的填料，期望保持導電性的同時也改善機械與熱穩定性，。石墨烯已被應用在Nafion膜以增強機械強度、離子傳導性和電子電阻，但結果仍不穩定，商業應用有限；分層在多孔基板上的缺陷石墨烯可以有效篩選除質子以外的所有顆粒，提高效率和壽命。在液流電池（RFBs）應用方面，日本材料公司旭化成 （Asahi Kasei）提供微孔聚烯烴薄膜（HiporeTM Microporous Polyolefin Film），但該材料對釩物種具有較高的穿透率，不太可能適用於商業系統。針對燃料電池方面，因擬議的歐盟通用PFAS限制法規會造成一定影響，特別須注意豁免時限（預計為6.5年）。相較之下，對電解槽的影響可能更直接，目前沒有豁免相關條例，須密切觀察後續政策發展。

（二）資料中心的熱管理

近年來隨著雲端運算、加密貨幣挖礦、人工智慧和邊緣運算的普及，資料中心的運算需求在過去二十年裡快速增長，晶片的熱設計功耗（TDP，Thermal Design Power）不斷提高，相關散熱材料發展為其增添不少色彩，兩相浸沒式冷卻被認為是最有效的冷卻策略，更有效率且長期發展具有成本效益。像是氫氟醚（HFEs）、全氟聚醚（PFPE）、全氟碳化物（PFCs）為常見的PFAS材料。例如知名企業Solvay的Galden液體、3M的Fluorinert電子液體、3M的Novec工程液體皆受影響。某些3M Novec液體甚至正被研究是否列入歐盟的高度關注物質 （SVHC，Substances of Very High Concern）清單。3M也已宣布將2025年底前停止生產所有 PFAS 化學品，影響冷卻液供給市場。

考量到材料冷卻性、黏度、腐蝕性、成本、易用性和可擴展性。目前發展方向有合成酯介電液體及碳氫化合物/油混合物（例如礦物油或合成油）作為PFAS替代品。碳氫化合物/油混合物具備易於處置且不受法規限制之優勢，一些供應商正在從3M的PFAS冷卻液轉換成無 PFAS 或低氟冷卻液，例如Zutacore正轉向Chemours的無PFAS 冷卻劑。目前發展程度成熟度（readiness level）極高，已有大量替代材料處於大規模生產階段。替代材料已具備商業供應能力。

（三）電動車（EVs）

針對用於高壓電纜的絕緣材料、鋰離子電池浸沒冷卻的冷卻液，以及電動車之空調/電池冷卻系統的冷媒等三個領域，解析其含PFAS材料之應用：高壓電纜絕緣材使用FEP （Fluorinated Ethylene Propylene）、ETFE （Ethylene Tetrafluoroethylene）、PFA （Perfluoroalkoxy）等材料。鋰離子電池浸沒冷卻液一般使用水-乙二醇和冷媒進行冷卻，在PFAS材料則是使用氫氟醚 （HFEs，Hydrofluoroethers）。冷媒常使用氫氟烯烴 （HFOs，Hydrofluoroolefins），例如 R1234yf（一種氫氟烯烴 HFO）。根據OECD（Organisation for Economic Co-operation and Development）的定義，HFOs 被歸類為 PFAS。此外，R1234yf在環境中可能會降解成短鏈全氟羧酸 （PFCAs），同樣也屬 PFAS類別。

高壓電纜絕緣材的PFAS替代品已有Silicone rubber 和交聯聚乙烯（XLPE，Cross-Linked Polyethylene）做廣泛運用。浸沒冷卻液的PFAS替代品，有合成酯介電液體、碳氫化合物/油混合物等。冷媒考量到沸點、臨界點、壓力、全球暖化潛勢 （GWP，Global Warming Potential）、可燃性評級冷媒等特性，其PFAS替代品有 CO2 （冷媒編號R744）、丙烷 （冷媒編號R290），熱泵解決方案供應商已轉用R744。這三項中高壓電纜絕緣材和浸沒冷卻液之替代材料具有足夠的競爭力與商業供應能力。反之，冷媒領域正經歷產品替代轉換期。雖然韓昂系統 （Hanon Systems） 等公司正在展示無 PFAS 冷媒 （R744, R290），但CO2方面亦面臨減碳的產業趨勢發展挑戰。
 

資料來源：Hanon Systems官網Sustainability Report（2023）
圖2 Hanon Systems列出與PFAS法規相關等產品比較
 

（四）5G的低損耗材料

PFAS 材料因具備極低介電常數（Dk）與介電損耗（Df），成為支援 5G 高頻應用的重要介電材料，廣泛應用於低損耗 PCB （Printed circuit board）、天線模組及高速傳輸電纜等關鍵元件，有效提升訊號完整性與傳輸效率。在諸多含氟樹脂中，PTFE具低介電常數和低損耗因子，寬頻率和溫度範圍內的穩定性、耐熱性、良好的電氣性能和防火安全性等，是其中被應用最廣的材料。例如：天線、濾波器、印刷電路板和 IC 封裝內的材料；在基礎設施 （如基地台） 中的主要材料，也用於用戶設備 （天線） 和電纜。缺點如結晶度變化可能對無源互調 （PIM，Passive Intermodulation） 穩定性產生不良影響。材料商開發出之替代材料，可參考：液晶聚合物 （LCPs，Liquid Crystal Polymers）、聚苯醚 （PPE/PPO）、碳氫化合物、低溫共燒陶瓷 （LTCC，Low Temperature Co-fired Ceramics） 和玻璃，其他還有聚酰亞胺 （PI/MPI，Polyimide/ Modified Polyimide）、聚苯硫醚 （PPS） 等。其因為應用領域的不同，考量到吸濕性、穩定性、成本和可製造性，導致發展程度不一。有機替代材料（LCP、PPE、碳氫化合物）已具備商業供應能力，但無機材料（LTCC、玻璃）的製造規模則較小。因PTFE應用廣，目前法規趨勢面臨直接全面禁用PTFE 的可能性較低，但監管機構可能會限制PTFE製造過程中，PFAS的使用量、含量、殘留量列舉之，須謹慎追蹤後續法規動向。

（五）永續食品包裝

許多國家正在推動淘汰一次性塑膠包裝，影響食品包裝行業極深。應用於食品類之PFAS材料具有防油、防污和防水之特性，在本領域被廣泛應用於紙張、紙板和可堆肥模塑纖維包裝的塗層等產品。過去使用PFOS（Perfluorooctane Sulfonate）等長鏈PFAS，近年來轉向6:2 FTOH等短鏈PFAS。部分長鏈PFAS由於法規明定已被禁用或不再被授權用於食品接觸材料。並且在丹麥和美國部分州也指出禁用食品接觸材料中的所有PFAS。科學家開發出模塑纖維包裝的生物蠟塗料、模塑纖維和紙張包裝的奈米纖維素塗料、回收紙包裝的添加劑或塗料。知名美國特化品製造商Soleni公司，是PFAS-free 塗料的主要供應商，提供TopScreenTM和ContourTM系列產品，包括生物蠟塗料。這種生物蠟塗料已具備商業供應能力。其他奈米纖維素和回收紙包裝的添加劑/塗料則處於商業化初期，目前難以滿足龐大的食品包裝市場需求，也因為各國風俗民情不同，可被視為具有無限商機之領域。其開發困難點在於重現 PFAS的阻隔特性，以延長運輸、儲存和消費期間的貨架壽命，而這些替代材也因為不同的可靠度測試與加工程序多寡影響到量產之成本考量，也是開發企業發展重視的方向。

三、產業轉型挑戰與潛在風險

隨著國際間針對PFAS的限用趨勢逐漸明確，相關高端應用產業面臨不同程度的轉型壓力。儘管部分關鍵材料仍享有暫時性的豁免待遇，但中長期而言，企業需提前因應潛在禁用與市場排擠風險。以下列舉幾點進行探討：

（一）法規豁免條件與時限不確定性

目前歐盟對於多數高性能應用中的PFAS產品仍保留一定的豁免條款之規劃空間，例如應用在半導體、醫療器材或燃料電池等關鍵領域。然而，各項用途的豁免條件、期限與審查基準尚未完全明確，諸多材料在不同的草案上被納入又刪減，使企業在中長期策略規劃發展面臨高度地不確定性壓力。以氟系薄膜與冷卻液為例，雖然在燃料電池或資料中心的應用具重要性，但若未來被排除於豁免範圍，則將面臨材料更換與設計調整的高額成本衝擊。

（二）替代材料研發與商業化技術門檻高

目前市面上對於PTFE或部分含氟材料的替代方案仍處於實驗室或早期驗證階段，且在耐熱、耐化學性與機械強度方面，普遍仍無法直接全面取代現有應用。例如：半導體設備中輸送管線與薄膜等，若強行替換現有材料，恐影響產線穩定性與製程良率。又如以5G設備亦需仰賴具高頻、高絕緣特性的氟化材料，在可替代性不足情況下，轉型進度恐緩不濟急。

（三）關鍵供應鏈斷裂與地緣風險

國際大廠陸續調整產品線或退出PFAS相關事業，例如3M預告2025年全面停止含PFAS產品製造與銷售，對產業供應鏈帶來重大衝擊。尤其半導體、資料中心等仰賴歐美日大廠供應高純度氟化材料者，須提前進行多元備援或庫存策略。此外由於原料來源集中、產能掌握高度分散，對中下游製造商而言，一旦國際政策加嚴或出口受限，將面臨成本飆升與供應中斷風險。

四、結論

總結而言，雖在部分新興應用領域，如電動車電纜絕緣和資料中心熱管理冷卻液，PFAS替代材料已實現商業化並廣泛應用，但在其他領域如離子交換膜與食品包裝塗料等，相關替代材料仍處於早期開發或尚未具產業規模階段。要實現全面取代 PFAS，各應用領域仍需投入大量的研發和技術驗證，並克服材料性能、加工性與製造成本等多重挑戰並推向商業化。考慮到即將實施的 PFAS 禁令，及早啟動替代方案的技術布局對於降低產業衝擊與確保供應鏈穩定至關重要。
 

(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)