塑膠專欄
醫療照護新需求熱致形狀記憶材料開發與高值化產品運用
智能材料
現今的生活方式已經朝向智慧化生活發展，目前大家所熟悉的互動式智慧電視、雲端快速網路、便捷電子錢包、APP運用軟體及遠端醫療照護等都是屬於智慧化生活中「系統」的範疇，但完整構成整體生活部分除了系統面還包括「材料」面，而此智慧化生活所需要的材料正是各國正積極投入的"智能材料(Smart Material)"，這些智能材料本身可依照外在環境的改變同時進行自我調節，並透過產品設計達到智慧化效果，例如保險絲就是一個智慧型產品的最佳寫照，其透過材料本身的特性達到避免產品在溫度(電流)過載時所產生的危險，藉由各種形式適應環境變化特徵，提供變化或安全的訊息。此外，有一部分智能材料是透過模仿大自然動植物適應環境變化所產生的自然調節效果，故也可稱為仿生材料(Biomimetic Materials)。智慧型生活的定義依使用者不同而有所差異，其所延伸運用的產業及產品也相當廣泛，但共同的目標都以減輕使用者負擔或增加使用者方便性為目的。
近年來形狀記憶高分子材料的成長及運用越來越多，目前仍以"熱致形狀記憶材料"發展較快在形狀記憶材料中佔有的比例越也來越重，目前已經廣泛的運用於不同產業發展上，主要原因為熱致形狀記憶高分子材料具備熱源容易控制、樣式變化性多及價格低等優勢，若搭配後端使用目的經調整物性後的形狀記憶材料能運用於更廣的產品或產業上，例如車用檔板、創意產品、運動護具及醫療看護輔具用品等。
表、形狀記憶材料分類
此類似材料目前投入量產販售包括積水化學、三菱公司、可樂麗等公司。其中日本可樂麗公司已經投入相關研究多年，所開發的反式聚異戊二烯是屬於類似彈性體類之形狀記憶材料，其材料具備形變速度快、回復力大、形變精準度高、可透過合膠改質拉伸強度及回復殘留率低等特性。但因為材料耐熱性差、形變溫度偏低以及耐候性差等因素，在全球唯有日本有量產化，並在中國大陸上處於小量試產階段，目前每公斤價格約美金70元左右，相當昂貴且取得不易。積水化學主要發展單軸延伸之聚乙烯形狀材料，突破一般形狀記憶材料限制，
可提供常溫下直接之塑形能力，但礙於加工及機台限制，單層材料只具備單方向的塑形能力，若要達到多方向塑形效果，則要經過多層不同角度疊加才行。據瞭解，此非溫控形狀記憶特性之聚乙烯材料每公斤售價約為美金14元，仍屬較高單價材料。另外，同為日本廠商之三菱公司「DIAPKEX」發展一系列聚氨酯系統之形狀記憶材料，其具備較廣的形變溫度、高回復率、高成形加工性、生物相容性及廣泛的產品適用範圍等特性，但仍有形狀記憶特性影響因素多不易控制的缺點，而受限於單一材料使用限制。另外，聚環己內酯(polycaprolactone, PCL)也是目前已商業化之低溫塑型材料，其具有良好的生物相容性、生物降解性、高結晶性和低熔點性。此材料主要由國外如Anderson Development Company、Perstorp UK Limited、DURECT Corporation等公司生產，國內並無生產，仍須仰賴進口取得，材料價格依分子量差異而有所不同，約200-360NT/Kg左右。
為因應全球老年化趨勢，行政院2007年已核定「我國長期照顧10年計畫」，並列為2015年經濟發展願景四大新興產業之一。根據經建會資料顯示(如下圖)，全球老年人口(60歲以上)占總人口比率，2011年已達11％，2050年比重將上升至22％。已開發國家老年人口，將由2011年的2.74億人增至2050年的4.18億人，而開發中國家則是從5.1億人增加至16億人。估計2015年臺灣地區65歲以上人口比率將達13％，2025年更將超過20％以上，其中，推估2015年我國銀髮族產業商機市場規模超過1,000億美元，包括醫療照 護、休閒娛樂以及經濟安全等都是未來可發展之產業。
形狀記憶高分子材料產業與一般高分子材料產業有所不同，一般的高分子材料產業只要滿足後端產品所需物理/化學特性最低需求即可進行生產運用，但形狀記憶高分子材料除了需要具備基礎物性外，因本身牽涉到產品與材料間的互動，故須依產品需求進行形狀記憶材料之設計，再加上材料成本高，國外許多廠商將形狀記憶材料運用於高附加價值之醫療照護產品上。包括現今已在各大醫院使用之低溫塑形功能醫療輔具就是商業化之聚環己內酯材料所製，可提供復健師或是職能治療師作為過去沉重且使用不便之石膏產品替代品。
反觀國內產業狀況，國內塑膠產業雖然具備良好之塑膠加工能力、模具設計及產品設計能力，但目前國內廠商在相關產品僅以代理國際廠商之半成品進行裁切組裝或直接進口終端商品進行販售為主。 相較於國外，國內尚未形成完整之產業鏈，造成末端限於國外材料與成品的進口控制，喪失國內材料與產品的自主能力，將國內外兩者產業價值鏈比較展開如圖。
塑膠中心於產業之定位
由於國內並無相關之形狀記憶高分子材料之生產，皆須仰賴國外進口為主，材料開發及售價都受限於國外廠商，塑膠中心已規劃不同期程針對智能材料之發展協助廠商脫離無材料可用之困境，以形狀記憶材料技術創新研發為定位，運用形狀記憶材料具可定型之特性及塑膠本身之高安全、易加工等優勢，建立一系列滿足不同業界需求之形狀記憶高分子複合材料技術平台，並搭配不同運用領域進行技術調整。101年主要發展形狀記憶材料基礎技術為主，透過材料配方變化性較大之聚氨酯材料為基礎進行特性調整，包括分子鏈端的種類選擇、分子量控制、結晶性差異、分子鏈段比例及蠕變現象等控制技術，同時滿足包括塑膠射出、押出、發泡及塗佈等適用之不同製程使用，建構形狀記 憶基礎能量。102年則強化業界對於形狀記憶材料剛性不足之缺點進行克服，提供纖維複合材料、高剛性合膠材料及熱固系統材料等高強度形狀記憶材料，成功滿足部分需要高強度且具備塑型需求之產品開發。同時，亦完成常溫下即可定型之形狀記憶材料，成功突破日本積水化學所開發之相同產品，不僅成本較低、設備受限低，並解決材料TD或是MD方向會斷裂問題。103年則朝向功能化產品發展，並將高附加價值之醫療照護為目標市場，以突破國內僅能代理國外產品之技術需求，將高延伸性技術及快速活化技術導入形狀記憶材料，克服過去形狀記憶材料服貼性不足及使用環境受限之問題，同時提供技術及製程轉型上之輔導，引導國內傳統產業走向高值化產品發展。101-103年技術定位發展及技術關聯架構如下圖所示。
計畫執行至目前，塑膠中心透過不同之產學研醫之共同合作，成功完成不同需求特性之形狀記憶材料開發，包括低溫塑型、高延展特性、高剛性、常溫塑形、快速反應型等特性，其材料包括聚酯系統、環氧樹脂系統、聚氨酯系統、聚烯烴系統、聚醯胺等，並可符合管、板押出、射出、模壓發泡及澆注方式等加工，也與醫療院所及設計單位合作產出百餘件設計產品與構想，希望可以透過上游材料、中游加工及下游產品的服務協助業者克服國內之產業鏈無法串聯問題，同時亦帶領國內產業朝向高附加價值產品開發。
近年來形狀記憶高分子材料的成長及運用越來越多，目前仍以"熱致形狀記憶材料"發展較快在形狀記憶材料中佔有的比例越也來越重，目前已經廣泛的運用於不同產業發展上，主要原因為熱致形狀記憶高分子材料具備熱源容易控制、樣式變化性多及價格低等優勢，若搭配後端使用目的經調整物性後的形狀記憶材料能運用於更廣的產品或產業上，例如車用檔板、創意產品、運動護具及醫療看護輔具用品等。
表、形狀記憶材料分類
此類似材料目前投入量產販售包括積水化學、三菱公司、可樂麗等公司。其中日本可樂麗公司已經投入相關研究多年，所開發的反式聚異戊二烯是屬於類似彈性體類之形狀記憶材料，其材料具備形變速度快、回復力大、形變精準度高、可透過合膠改質拉伸強度及回復殘留率低等特性。但因為材料耐熱性差、形變溫度偏低以及耐候性差等因素，在全球唯有日本有量產化，並在中國大陸上處於小量試產階段，目前每公斤價格約美金70元左右，相當昂貴且取得不易。積水化學主要發展單軸延伸之聚乙烯形狀材料，突破一般形狀記憶材料限制，
可提供常溫下直接之塑形能力，但礙於加工及機台限制，單層材料只具備單方向的塑形能力，若要達到多方向塑形效果，則要經過多層不同角度疊加才行。據瞭解，此非溫控形狀記憶特性之聚乙烯材料每公斤售價約為美金14元，仍屬較高單價材料。另外，同為日本廠商之三菱公司「DIAPKEX」發展一系列聚氨酯系統之形狀記憶材料，其具備較廣的形變溫度、高回復率、高成形加工性、生物相容性及廣泛的產品適用範圍等特性，但仍有形狀記憶特性影響因素多不易控制的缺點，而受限於單一材料使用限制。另外，聚環己內酯(polycaprolactone, PCL)也是目前已商業化之低溫塑型材料，其具有良好的生物相容性、生物降解性、高結晶性和低熔點性。此材料主要由國外如Anderson Development Company、Perstorp UK Limited、DURECT Corporation等公司生產，國內並無生產，仍須仰賴進口取得，材料價格依分子量差異而有所不同，約200-360NT/Kg左右。
為因應全球老年化趨勢，行政院2007年已核定「我國長期照顧10年計畫」，並列為2015年經濟發展願景四大新興產業之一。根據經建會資料顯示(如下圖)，全球老年人口(60歲以上)占總人口比率，2011年已達11％，2050年比重將上升至22％。已開發國家老年人口，將由2011年的2.74億人增至2050年的4.18億人，而開發中國家則是從5.1億人增加至16億人。估計2015年臺灣地區65歲以上人口比率將達13％，2025年更將超過20％以上，其中，推估2015年我國銀髮族產業商機市場規模超過1,000億美元，包括醫療照 護、休閒娛樂以及經濟安全等都是未來可發展之產業。
形狀記憶高分子材料產業與一般高分子材料產業有所不同，一般的高分子材料產業只要滿足後端產品所需物理/化學特性最低需求即可進行生產運用，但形狀記憶高分子材料除了需要具備基礎物性外，因本身牽涉到產品與材料間的互動，故須依產品需求進行形狀記憶材料之設計，再加上材料成本高，國外許多廠商將形狀記憶材料運用於高附加價值之醫療照護產品上。包括現今已在各大醫院使用之低溫塑形功能醫療輔具就是商業化之聚環己內酯材料所製，可提供復健師或是職能治療師作為過去沉重且使用不便之石膏產品替代品。
反觀國內產業狀況，國內塑膠產業雖然具備良好之塑膠加工能力、模具設計及產品設計能力，但目前國內廠商在相關產品僅以代理國際廠商之半成品進行裁切組裝或直接進口終端商品進行販售為主。 相較於國外，國內尚未形成完整之產業鏈，造成末端限於國外材料與成品的進口控制，喪失國內材料與產品的自主能力，將國內外兩者產業價值鏈比較展開如圖。
塑膠中心於產業之定位
由於國內並無相關之形狀記憶高分子材料之生產，皆須仰賴國外進口為主，材料開發及售價都受限於國外廠商，塑膠中心已規劃不同期程針對智能材料之發展協助廠商脫離無材料可用之困境，以形狀記憶材料技術創新研發為定位，運用形狀記憶材料具可定型之特性及塑膠本身之高安全、易加工等優勢，建立一系列滿足不同業界需求之形狀記憶高分子複合材料技術平台，並搭配不同運用領域進行技術調整。101年主要發展形狀記憶材料基礎技術為主，透過材料配方變化性較大之聚氨酯材料為基礎進行特性調整，包括分子鏈端的種類選擇、分子量控制、結晶性差異、分子鏈段比例及蠕變現象等控制技術，同時滿足包括塑膠射出、押出、發泡及塗佈等適用之不同製程使用，建構形狀記 憶基礎能量。102年則強化業界對於形狀記憶材料剛性不足之缺點進行克服，提供纖維複合材料、高剛性合膠材料及熱固系統材料等高強度形狀記憶材料，成功滿足部分需要高強度且具備塑型需求之產品開發。同時，亦完成常溫下即可定型之形狀記憶材料，成功突破日本積水化學所開發之相同產品，不僅成本較低、設備受限低，並解決材料TD或是MD方向會斷裂問題。103年則朝向功能化產品發展，並將高附加價值之醫療照護為目標市場，以突破國內僅能代理國外產品之技術需求，將高延伸性技術及快速活化技術導入形狀記憶材料，克服過去形狀記憶材料服貼性不足及使用環境受限之問題，同時提供技術及製程轉型上之輔導，引導國內傳統產業走向高值化產品發展。101-103年技術定位發展及技術關聯架構如下圖所示。
計畫執行至目前，塑膠中心透過不同之產學研醫之共同合作，成功完成不同需求特性之形狀記憶材料開發，包括低溫塑型、高延展特性、高剛性、常溫塑形、快速反應型等特性，其材料包括聚酯系統、環氧樹脂系統、聚氨酯系統、聚烯烴系統、聚醯胺等，並可符合管、板押出、射出、模壓發泡及澆注方式等加工，也與醫療院所及設計單位合作產出百餘件設計產品與構想，希望可以透過上游材料、中游加工及下游產品的服務協助業者克服國內之產業鏈無法串聯問題，同時亦帶領國內產業朝向高附加價值產品開發。