塑膠專欄
精緻農業用功能性塑膠膜袋
塑膠膜板
塑膠材料因具質輕、堅固及價廉等優點，故廣受各界喜好，也因而廣泛應用於農作物栽培與農產品包裝。有鑒於我國現行農業用塑膠製品之功能性尚有精進空間，塑膠工業技術發展中心自2011年起即著手進行精緻農業用功能性塑膠膜袋產品之開發與技術發展規劃，以應用於種子包裝、農藥包裝、畦面覆蓋、果樹套袋、蔬果保鮮包裝及蔬果加工品包裝等作業，概略描述如下：
一、水溶解速率可調控膜袋
聚乙烯醇(Polyvinyl Alcohol, PVA)首先是在1924年由德國的科學家Hermann與Haenel共同經化學合成而得之無毒水溶性高分子化合物。PVA溶於水後將形成膠液滲入土壤中，增加土壤的團粘化、透氣性和保水性，適合用於沙土改造。PVA可被土壤中的細菌分解，經細菌的氧化酶氧化PVA後，利用水解酶切斷被氧化的PVA主鏈，最終可降解為CO2和H2O，故屬於環保包裝材料。
PVA薄膜目前的生產技術主要採用塗佈法製造，以PVA及澱粉為主要原料並添加各種助劑，如表面活性劑、增塑劑、防黏劑等。其製程為先將PVA原料製成固含量為18～20 %的水溶性膠，再經塗佈到鏡面不銹鋼帶上，經乾燥成膜後從鋼帶上剝離，然後進入乾燥室乾燥至規定水分後，最後切邊收卷獲得成品。塗佈製程所需設備成本較押出設備高，且PVA薄膜較難以押出製程製造，其困難點在於PVA的分解溫度和熔化溫度接近而導致加工困難，此時唯有透過添加適當的可塑劑和其他添加劑以改變聚合物的分子形態和聚集狀態，並促使提高分解溫度與降低熔化溫度，使兩者之間形成較大溫差。
PVA的性質決定於兩個因素：聚合度與鹼化度。聚合度表示分子量的大小，鹼化度是表示疏水性醋酸基被親水基取代的程度。塑膠工業技術發展中心即經由選擇適當聚合度與鹼化度的PVA原料，以及環保無毒的可塑劑，開發出可利用塑膠押出製程生產之水溶速率可調控PVA膜袋。其水溶速率可分為快速溶解型(30℃水中<1 min溶解)、中速溶解型(30℃水中30-60 min溶解或70℃水中<1 min溶解)和難溶解型(30 ℃水中＞120 min溶解或70℃水中＞30 min溶解)。
水溶解速率可調控PVA膜袋於農業之應用如下：
1. 快速溶解型PVA膜材應用於種子包裝
將包裝了植物種子的快速溶解型PVA包裝帶或包裝網放在土壤裏，既可避免種子在大風沙地區因裸露而吹失或讓動物吃掉，又可使植物按種子帶或種子網的布局生長。雨水或濕氣將水溶性PVA薄膜溶掉後，分布在種子周圍的PVA亦可提高土壤的保水性，有利於種子的發芽生長。
2. 中速溶解型PVA膜材應用於農藥包裝
以中速溶解型PVA膜材包裝高汙染性或毒害性的農藥及肥料，農民可直接將其投入水中溶解後施作，可避免吸入為害性粉體，達到改善農民作業環境的目的。
3. 難溶解型PVA膜材應用於畦面覆蓋膜。
畦面覆蓋膜可抑制雜草生長、減少土壤水分蒸發、減少肥分及表土流失、保持土壤團粒構造、冬季時可提高地溫、增加陽光折射、減少病蟲害、促進蔬果生長、提早成熟及採收、提升產品品質及增加農友收益等優點。但傳統的畦面覆蓋膜材質為PE，所產生之塑膠廢棄物目前尚無具體之處理方法，大部分使用過之 PE膜多任意丟棄或焚燒。因其不易分解(一般約須 200~400 年)，故將影響土壤之物理、化學性質而造成土壤污染；若任意丟棄，則會造成灌溉溝渠堵塞，影響田間排水。PVA可經細菌降解為CO2和H2O，屬於環保材料。應用難溶解型PVA膜材於畦面覆蓋膜即可解決現行之農業廢棄物困境，並可衍生應用於育苗盆缽、堆肥袋及農藥袋等產品。
二、具吸附乙烯機能之蔬果保鮮膜袋
全球的水果產量約7億公噸，而國內年產量為1百萬公噸(年產值12億美元)；蔬菜的全球產量8.2億公噸，國內年產量為1百萬公噸(年產值10億美元)。全球蔬果年貿易額74億美元，其中國內的外銷值約17000萬美元/年。然而，因蔬果於採收後即快速熟化之主因，造成約有30%的蔬果於包裝、儲存及配送過程中損失，亦即全球約有25億美元的損失，而台灣推估約有6.8億美元的損失。
有鑒於此，塑膠工業技術發展中心即開發具吸附乙烯機能之蔬果保鮮膜袋並命名為「台灣好袋」，以降低農產品損失的困境。一般採收後的果體仍會吸收氧氣並排放二氧化碳及乙烯氣體，而乙烯氣體又會進一步自我催熟蔬果果體。所以將乙烯氣體吸收以打破果體自我催熟機制，即可延長蔬果的保鮮期。目前使用的乙烯氣體吸附技術包含利用物理吸附及化學反應兩種，物理吸附主要是利用二氧化鈦、碳酸鈣、二氧化矽及活性碳等多孔性無機物；化學反應主要是利用溴水、高錳酸鉀及觸媒反應。其中，物理及化學反應可利用任其一或兼用之。
塑膠工業技術發展中心所開發之「台灣好袋」已追齊國際大廠以色列PBI所生產的蔬果保鮮薄膜，除了提升國內膜袋技術層次與一般塑膠膜袋之附加價值外，亦因乙烯氣體吸附技術的發展，達到延長蔬果保鮮期1.5~2.0倍之目的，真正落實提升國內農業產值與協助一般塑膠產業之轉型升級。
塑膠中心之蔬果保鮮袋 金煌芒果(測試12天) 愛文芒果(測試12天)
塑膠中心之「台灣好袋」於第一屆台南國際芒果節之推廣活動
三、防水透氣果樹套袋包材
臺灣因地處高溫多雨環境，果樹生長期易罹病害，常需使用大量農藥以維持果實品質。如此，不但增加成本，且有農藥殘留之虞。若在果實生長期即於外部套以可防病蟲為害與減少日曬而改善水果色澤及減少枝枒機械磨擦之水果紙袋，則可提高水果之品質及售價，因此套袋已成為生產水果不可避免之管理過程。
目前國內果樹套袋材質大多使用不織布為透氣層，牛皮蠟紙作為防水層，為一次性產品，售價0.5~3元/個。根據行政院農委會統計，台灣水果總栽種面積為20萬公頃，估算有使用套袋的栽種面積為6萬公頃，每公頃使用5萬個，每年具30億個套袋市場規模，產值約15~90億元/年。果樹套袋用之透氣PE膜一般使用雷射或針扎打孔方式，而美國杜邦公司(DuPont)之泰維克 (Tyvek®)透氣PE材質屬於噴紡非織物，售價3~5元/個，具有抗UV成分，無汙損可重複使用2-3年以上，在日韓等地已多年應用於農業上，若全面取代現有不織布/紙質套袋，相關產品產值達90~150億元/年。
因此，塑膠工業技術發展中心規劃於103年建構"高分子材料控制機能技術平台”， 將協助塑膠膜袋業者建構防水透氣調控、機能性薄膜押出、無機物分散、押出縱向延伸造孔技術及加工製程，以開發防水透氣果樹套袋 (孔徑<10 μm; 透氣度<30 sec/100 cc; 耐水壓>2000 mm-H2O)。所開發之防水透氣型果樹套袋為於聚烯烴高分子中添加無機物(碳酸鈣，CaCO3)，再利用縱向延伸押出設備產生微孔以達防水透氣效果，並且可藉由孔徑控制來調節透氣度及防水度。此技術將取代杜邦-泰維克防水透氣袋，並可應用於果樹套袋等農用資材產品，為其產品提供高附加價值，也使生產機能性薄膜的廠商可以提升產值。
四、加工食品用阻氣包裝
食品經過適當包裝能阻隔空氣、氧氣、水分、光線或其他對食品保存不利物質的接觸，可以達到防止食品在運輸、儲存、販售等行為時受到污染，適當的包裝更可以延長食品的保存期限，讓飲食更安全衛生。根據Visiongain的預測，全球食品包裝市場預計在2013年達到2518億美元的規模。且依據中國包裝業協會統計，全世界每年包裝銷售額為5,000～6,000億美元左右，占國民生產總值的1.5～2.2%。我國於2011年塑膠包材產值約1,500億台幣，其中進出口總值為261億台幣。
氧氣是引起食物變質的重要因素之一，因此食品包裝內的氧氣含量必須低於其允許量，目前常用的包裝材料其氧氣阻隔性尚難以達到要求。目前為了降低包裝內氧氣含量常見的方法有氣體置換、抽真空及放置吸氧劑。然而，氣體置換和抽真空方式因需增購置換的氣體及抽真空設備，故會提高生產成本;而放置吸氧劑會使包裝流程複雜化，同時容易引起消費者誤食，增加健康風險。對於液體飲料或含有液體的食物包裝，除了灌裝時頂隙進入的氧和存儲過程中透過包裝材料進入的氧氣之外，還有飲料及食物本身溶解的氧，因此在實際包裝製程中亦不適合採用上述方法除去氧氣。
因此，塑膠工業技術發展中心規劃於103年建立積層及共押加工技術，搭配高阻水氣性與高阻氧性的材料，以開發高阻氣性食品包裝材料。製程中並將可吸氧的物質直接混練於塑膠包裝材料中，使包裝材料本身具有水氣阻隔、氧氣阻隔及氧氣吸附的功能。
一、水溶解速率可調控膜袋
聚乙烯醇(Polyvinyl Alcohol, PVA)首先是在1924年由德國的科學家Hermann與Haenel共同經化學合成而得之無毒水溶性高分子化合物。PVA溶於水後將形成膠液滲入土壤中，增加土壤的團粘化、透氣性和保水性，適合用於沙土改造。PVA可被土壤中的細菌分解，經細菌的氧化酶氧化PVA後，利用水解酶切斷被氧化的PVA主鏈，最終可降解為CO2和H2O，故屬於環保包裝材料。
PVA薄膜目前的生產技術主要採用塗佈法製造，以PVA及澱粉為主要原料並添加各種助劑，如表面活性劑、增塑劑、防黏劑等。其製程為先將PVA原料製成固含量為18～20 %的水溶性膠，再經塗佈到鏡面不銹鋼帶上，經乾燥成膜後從鋼帶上剝離，然後進入乾燥室乾燥至規定水分後，最後切邊收卷獲得成品。塗佈製程所需設備成本較押出設備高，且PVA薄膜較難以押出製程製造，其困難點在於PVA的分解溫度和熔化溫度接近而導致加工困難，此時唯有透過添加適當的可塑劑和其他添加劑以改變聚合物的分子形態和聚集狀態，並促使提高分解溫度與降低熔化溫度，使兩者之間形成較大溫差。
PVA的性質決定於兩個因素：聚合度與鹼化度。聚合度表示分子量的大小，鹼化度是表示疏水性醋酸基被親水基取代的程度。塑膠工業技術發展中心即經由選擇適當聚合度與鹼化度的PVA原料，以及環保無毒的可塑劑，開發出可利用塑膠押出製程生產之水溶速率可調控PVA膜袋。其水溶速率可分為快速溶解型(30℃水中<1 min溶解)、中速溶解型(30℃水中30-60 min溶解或70℃水中<1 min溶解)和難溶解型(30 ℃水中＞120 min溶解或70℃水中＞30 min溶解)。
水溶解速率可調控PVA膜袋於農業之應用如下：
1. 快速溶解型PVA膜材應用於種子包裝
將包裝了植物種子的快速溶解型PVA包裝帶或包裝網放在土壤裏，既可避免種子在大風沙地區因裸露而吹失或讓動物吃掉，又可使植物按種子帶或種子網的布局生長。雨水或濕氣將水溶性PVA薄膜溶掉後，分布在種子周圍的PVA亦可提高土壤的保水性，有利於種子的發芽生長。
2. 中速溶解型PVA膜材應用於農藥包裝
以中速溶解型PVA膜材包裝高汙染性或毒害性的農藥及肥料，農民可直接將其投入水中溶解後施作，可避免吸入為害性粉體，達到改善農民作業環境的目的。
3. 難溶解型PVA膜材應用於畦面覆蓋膜。
畦面覆蓋膜可抑制雜草生長、減少土壤水分蒸發、減少肥分及表土流失、保持土壤團粒構造、冬季時可提高地溫、增加陽光折射、減少病蟲害、促進蔬果生長、提早成熟及採收、提升產品品質及增加農友收益等優點。但傳統的畦面覆蓋膜材質為PE，所產生之塑膠廢棄物目前尚無具體之處理方法，大部分使用過之 PE膜多任意丟棄或焚燒。因其不易分解(一般約須 200~400 年)，故將影響土壤之物理、化學性質而造成土壤污染；若任意丟棄，則會造成灌溉溝渠堵塞，影響田間排水。PVA可經細菌降解為CO2和H2O，屬於環保材料。應用難溶解型PVA膜材於畦面覆蓋膜即可解決現行之農業廢棄物困境，並可衍生應用於育苗盆缽、堆肥袋及農藥袋等產品。
二、具吸附乙烯機能之蔬果保鮮膜袋
全球的水果產量約7億公噸，而國內年產量為1百萬公噸(年產值12億美元)；蔬菜的全球產量8.2億公噸，國內年產量為1百萬公噸(年產值10億美元)。全球蔬果年貿易額74億美元，其中國內的外銷值約17000萬美元/年。然而，因蔬果於採收後即快速熟化之主因，造成約有30%的蔬果於包裝、儲存及配送過程中損失，亦即全球約有25億美元的損失，而台灣推估約有6.8億美元的損失。
有鑒於此，塑膠工業技術發展中心即開發具吸附乙烯機能之蔬果保鮮膜袋並命名為「台灣好袋」，以降低農產品損失的困境。一般採收後的果體仍會吸收氧氣並排放二氧化碳及乙烯氣體，而乙烯氣體又會進一步自我催熟蔬果果體。所以將乙烯氣體吸收以打破果體自我催熟機制，即可延長蔬果的保鮮期。目前使用的乙烯氣體吸附技術包含利用物理吸附及化學反應兩種，物理吸附主要是利用二氧化鈦、碳酸鈣、二氧化矽及活性碳等多孔性無機物；化學反應主要是利用溴水、高錳酸鉀及觸媒反應。其中，物理及化學反應可利用任其一或兼用之。
塑膠工業技術發展中心所開發之「台灣好袋」已追齊國際大廠以色列PBI所生產的蔬果保鮮薄膜，除了提升國內膜袋技術層次與一般塑膠膜袋之附加價值外，亦因乙烯氣體吸附技術的發展，達到延長蔬果保鮮期1.5~2.0倍之目的，真正落實提升國內農業產值與協助一般塑膠產業之轉型升級。
塑膠中心之蔬果保鮮袋 金煌芒果(測試12天) 愛文芒果(測試12天)
塑膠中心之「台灣好袋」於第一屆台南國際芒果節之推廣活動
三、防水透氣果樹套袋包材
臺灣因地處高溫多雨環境，果樹生長期易罹病害，常需使用大量農藥以維持果實品質。如此，不但增加成本，且有農藥殘留之虞。若在果實生長期即於外部套以可防病蟲為害與減少日曬而改善水果色澤及減少枝枒機械磨擦之水果紙袋，則可提高水果之品質及售價，因此套袋已成為生產水果不可避免之管理過程。
目前國內果樹套袋材質大多使用不織布為透氣層，牛皮蠟紙作為防水層，為一次性產品，售價0.5~3元/個。根據行政院農委會統計，台灣水果總栽種面積為20萬公頃，估算有使用套袋的栽種面積為6萬公頃，每公頃使用5萬個，每年具30億個套袋市場規模，產值約15~90億元/年。果樹套袋用之透氣PE膜一般使用雷射或針扎打孔方式，而美國杜邦公司(DuPont)之泰維克 (Tyvek®)透氣PE材質屬於噴紡非織物，售價3~5元/個，具有抗UV成分，無汙損可重複使用2-3年以上，在日韓等地已多年應用於農業上，若全面取代現有不織布/紙質套袋，相關產品產值達90~150億元/年。
因此，塑膠工業技術發展中心規劃於103年建構"高分子材料控制機能技術平台”， 將協助塑膠膜袋業者建構防水透氣調控、機能性薄膜押出、無機物分散、押出縱向延伸造孔技術及加工製程，以開發防水透氣果樹套袋 (孔徑<10 μm; 透氣度<30 sec/100 cc; 耐水壓>2000 mm-H2O)。所開發之防水透氣型果樹套袋為於聚烯烴高分子中添加無機物(碳酸鈣，CaCO3)，再利用縱向延伸押出設備產生微孔以達防水透氣效果，並且可藉由孔徑控制來調節透氣度及防水度。此技術將取代杜邦-泰維克防水透氣袋，並可應用於果樹套袋等農用資材產品，為其產品提供高附加價值，也使生產機能性薄膜的廠商可以提升產值。
四、加工食品用阻氣包裝
食品經過適當包裝能阻隔空氣、氧氣、水分、光線或其他對食品保存不利物質的接觸，可以達到防止食品在運輸、儲存、販售等行為時受到污染，適當的包裝更可以延長食品的保存期限，讓飲食更安全衛生。根據Visiongain的預測，全球食品包裝市場預計在2013年達到2518億美元的規模。且依據中國包裝業協會統計，全世界每年包裝銷售額為5,000～6,000億美元左右，占國民生產總值的1.5～2.2%。我國於2011年塑膠包材產值約1,500億台幣，其中進出口總值為261億台幣。
氧氣是引起食物變質的重要因素之一，因此食品包裝內的氧氣含量必須低於其允許量，目前常用的包裝材料其氧氣阻隔性尚難以達到要求。目前為了降低包裝內氧氣含量常見的方法有氣體置換、抽真空及放置吸氧劑。然而，氣體置換和抽真空方式因需增購置換的氣體及抽真空設備，故會提高生產成本;而放置吸氧劑會使包裝流程複雜化，同時容易引起消費者誤食，增加健康風險。對於液體飲料或含有液體的食物包裝，除了灌裝時頂隙進入的氧和存儲過程中透過包裝材料進入的氧氣之外，還有飲料及食物本身溶解的氧，因此在實際包裝製程中亦不適合採用上述方法除去氧氣。
因此，塑膠工業技術發展中心規劃於103年建立積層及共押加工技術，搭配高阻水氣性與高阻氧性的材料，以開發高阻氣性食品包裝材料。製程中並將可吸氧的物質直接混練於塑膠包裝材料中，使包裝材料本身具有水氣阻隔、氧氣阻隔及氧氣吸附的功能。