塑膠專欄
國際合作-結晶性材料微細發泡技術
複合材料
國際合作-結晶性材料微細發泡技術
財團法人塑膠工業技術發展中心 龔軒 副研究員
摘要
由於發泡技術可製作輕量化、隔音絕熱、緩衝性材料，並減少材料用量，降低成本，因此產業對於發泡材料需求日漸提升，並廣泛地應用於保溫隔熱、消音、緩衝防震以及輕質結構等方面。依據全球發泡技術發展趨勢，塑膠中心將以高精度的發泡控制技術、發泡設備自主化、複材輕量化及其進階應用為重點目標，以國際合作方式，建立發泡技術平台，發展”結晶性材料微細發泡技術”。透過與日本研究機構、產業界與學術界三方國際合作，共同研究發展前瞻技術，建構先端微細發泡技術，並結合塑膠中心熱塑性複合材料技術朝向高性能輕量化複合材料高值化發展，協助國內產業升級轉型，提升產品附加價值，應用於汽車、建築、航太等高值化產業。
一、介紹
高分子發泡材料具有質輕、彈性好、比強度高、吸濕性小、導熱係數低、隔音絕熱等優點。因此被廣泛地應用作保溫隔熱、消音、緩衝防震以及輕質結構材料，在汽車產業、建築施工、包裝、輔助材料、日常用品及國防軍事工業中也得到廣泛應用。根據GRAND VIEW RESEARCH的調查，2017年僅美國地區發泡材料市場需求就約為3,000萬公噸，預估至2024年高分子發泡材料市場需求將達到4000萬公噸(如圖一)。全球產值將由2015年的1130億美元市場，持續以年複合成長率6.35％成長，展望未來高分子發泡材料隨著下游產品應用需求持續大量成長。
目前主要的高分子發泡材料中，以聚氨酯(PU)、聚苯乙烯(PS)和聚烯烴(如:PE, PP)發泡材料為大宗，其中PU及PS占全球高分子發泡材料市場用量九成，但由於PU存在對人體有害的殘留物異氰酸酯，PS 發泡製品在高溫時會產生有害物質析出，以及回收困難等問題，造成很大的環境衝擊，在使用和規範上受限制。因此，市場上逐漸朝向以可回收的熱塑性聚烯烴發泡成為取代PS發泡的趨勢。聚乙烯(PE)、聚丙烯(PP)具有耐酸鹼、隔熱保溫、機械強度佳、環境適應性佳等優點，是常用的發泡材料。然而由於聚烯烴類屬於結晶性材料之特性，發泡製程控制不易，如PP發泡，目前國內僅有少數廠商具有相關自主發泡技術及原料，顯示出國內產業界對於結晶性材料發泡技術尚未成熟。
近年來，國際間發展熱塑性工程塑膠發泡，如產業界常見的聚對苯二甲酸乙二酯(PET)、聚醯胺(PA)材料等，具高剛性、耐熱性與耐候性，且回收後的性能仍能維持，因此可應用於民生工業、汽車工業構件、航空結構件。相較常見的發泡材料(如圖二)，工程塑膠具有優異的機械性質，成為近年各國重點發展的發泡材料。但這些材料與聚烯烴類一樣具有結晶性，發泡製程時熔體強度會快速下降，不利於加工。此外，就算成功發泡，其泡孔大小、結構、均勻性也難以控制。常見的發泡孔約幾百微米(um)，若要做到微細發泡，泡孔大小要控制在0.1 μm到10μm間，其好處是可保持產品發泡後的強度且減少塑膠用量，減少產品的殘餘應力，改善翹曲變形的情形，提高尺寸精度及穩定性。台灣目前在結晶性材料的發泡技術上掌握度不高，產品大多應用於食品包裝為主，要製作高輕量化、機械性質佳的發泡產品需對結晶性材料、微細發泡反應及加工製程有更深入的研究，才能發展關鍵技術自主的能力，與國際市場競爭。
塑膠中心近年來積極發展輕量化高分子材料，在熱塑性複合材料發展中導入新技術研發及應用，並落實國內產業創新研發合作。在高分子發泡材料部分，曾輔導國內廠商進行EVA、聚烯烴、彈性體發泡材料改質及製程改善，了解產業界需求及困難點。因此，塑膠中心除了建立自身輕量化技術，也將拓展國際合作，打造合作技術平台，發展高精度發泡控制技術及發泡加工製程自主化，逐步開發出高強度、低比重的熱塑發泡板結合現有碳纖維複合材料，以提高產品附加價值，在未來產業採用新的製造工法，提升輕量化材料技術。
二、國際合作策略
以全球高分子發泡產業來說，日本在塑膠發泡生產技術屬於領先國家之一，如積水化學、旭化成、JPP、INOAC等公司在發泡領域都有開發獨特的商品，且部分與學術研究機構皆有合作研究。因此，經多方探詢及資訊收集，目前已鎖定日本北陸、關西及東北地區為主要交流合作對象。希冀透過與日本機構交流合作，發展高精度發泡控制技術及建置國內自主發泡加工製程設備，協助國內發泡材料產業升級轉型，往高功能性、高值化的材料領域發展，成為未來台日之間的交流平台。合作初期為建立雙方合作關係，了解合作對象之技術能量，及培養雙邊合作默契。且持續與國內產業界交流，探詢產業技術缺口，連結台日雙方產學研發泡技術能量，達成雙邊合作意向確認。中、長期目標為探討國際發展趨勢並設定議題，共同研究發展前瞻技術(Joint Research)。未來雙方將以策略性的集中研發資源，進行有效技術開發及應用市場開拓，透過垂直整合經營和研發創新產生綜效。對於技術提昇以及效率升級上，將有相當大的助益，並進一步佈局亞太地區及國際市場。
三、結語
塑膠中心長期以來輔導國內廠商技術升級轉型，近年來積極拓展國際合作鏈結，與日本金澤工業大學革新複材研究開發中心(ICC)簽訂合作意向書(MOU)，並與日本京都地區的研究單位頻繁交流，朝向「連結未來、連結全球、連結在地」目標發展。此國際合作將針對結晶性材料微細發泡技術，與技術領先國日本交流合作，鎖定發泡材料改質、發泡機制及發泡製程技術進行交流。期望透過整合台日研究機構、產業界與學術界三方，發展材料、製程設備與產品設計，產出高性能發泡材料，促進國內發泡加工製程自主化，協助傳統產業轉型升級。同時與國際和夥伴發展前瞻技術，達成雙贏局面。
財團法人塑膠工業技術發展中心 龔軒 副研究員
摘要
由於發泡技術可製作輕量化、隔音絕熱、緩衝性材料，並減少材料用量，降低成本，因此產業對於發泡材料需求日漸提升，並廣泛地應用於保溫隔熱、消音、緩衝防震以及輕質結構等方面。依據全球發泡技術發展趨勢，塑膠中心將以高精度的發泡控制技術、發泡設備自主化、複材輕量化及其進階應用為重點目標，以國際合作方式，建立發泡技術平台，發展”結晶性材料微細發泡技術”。透過與日本研究機構、產業界與學術界三方國際合作，共同研究發展前瞻技術，建構先端微細發泡技術，並結合塑膠中心熱塑性複合材料技術朝向高性能輕量化複合材料高值化發展，協助國內產業升級轉型，提升產品附加價值，應用於汽車、建築、航太等高值化產業。
一、介紹
高分子發泡材料具有質輕、彈性好、比強度高、吸濕性小、導熱係數低、隔音絕熱等優點。因此被廣泛地應用作保溫隔熱、消音、緩衝防震以及輕質結構材料，在汽車產業、建築施工、包裝、輔助材料、日常用品及國防軍事工業中也得到廣泛應用。根據GRAND VIEW RESEARCH的調查，2017年僅美國地區發泡材料市場需求就約為3,000萬公噸，預估至2024年高分子發泡材料市場需求將達到4000萬公噸(如圖一)。全球產值將由2015年的1130億美元市場，持續以年複合成長率6.35％成長，展望未來高分子發泡材料隨著下游產品應用需求持續大量成長。
近年來，國際間發展熱塑性工程塑膠發泡，如產業界常見的聚對苯二甲酸乙二酯(PET)、聚醯胺(PA)材料等，具高剛性、耐熱性與耐候性，且回收後的性能仍能維持，因此可應用於民生工業、汽車工業構件、航空結構件。相較常見的發泡材料(如圖二)，工程塑膠具有優異的機械性質，成為近年各國重點發展的發泡材料。但這些材料與聚烯烴類一樣具有結晶性，發泡製程時熔體強度會快速下降，不利於加工。此外，就算成功發泡，其泡孔大小、結構、均勻性也難以控制。常見的發泡孔約幾百微米(um)，若要做到微細發泡，泡孔大小要控制在0.1 μm到10μm間，其好處是可保持產品發泡後的強度且減少塑膠用量，減少產品的殘餘應力，改善翹曲變形的情形，提高尺寸精度及穩定性。台灣目前在結晶性材料的發泡技術上掌握度不高，產品大多應用於食品包裝為主，要製作高輕量化、機械性質佳的發泡產品需對結晶性材料、微細發泡反應及加工製程有更深入的研究，才能發展關鍵技術自主的能力，與國際市場競爭。
以全球高分子發泡產業來說，日本在塑膠發泡生產技術屬於領先國家之一，如積水化學、旭化成、JPP、INOAC等公司在發泡領域都有開發獨特的商品，且部分與學術研究機構皆有合作研究。因此，經多方探詢及資訊收集，目前已鎖定日本北陸、關西及東北地區為主要交流合作對象。希冀透過與日本機構交流合作，發展高精度發泡控制技術及建置國內自主發泡加工製程設備，協助國內發泡材料產業升級轉型，往高功能性、高值化的材料領域發展，成為未來台日之間的交流平台。合作初期為建立雙方合作關係，了解合作對象之技術能量，及培養雙邊合作默契。且持續與國內產業界交流，探詢產業技術缺口，連結台日雙方產學研發泡技術能量，達成雙邊合作意向確認。中、長期目標為探討國際發展趨勢並設定議題，共同研究發展前瞻技術(Joint Research)。未來雙方將以策略性的集中研發資源，進行有效技術開發及應用市場開拓，透過垂直整合經營和研發創新產生綜效。對於技術提昇以及效率升級上，將有相當大的助益，並進一步佈局亞太地區及國際市場。
三、結語
塑膠中心長期以來輔導國內廠商技術升級轉型，近年來積極拓展國際合作鏈結，與日本金澤工業大學革新複材研究開發中心(ICC)簽訂合作意向書(MOU)，並與日本京都地區的研究單位頻繁交流，朝向「連結未來、連結全球、連結在地」目標發展。此國際合作將針對結晶性材料微細發泡技術，與技術領先國日本交流合作，鎖定發泡材料改質、發泡機制及發泡製程技術進行交流。期望透過整合台日研究機構、產業界與學術界三方，發展材料、製程設備與產品設計，產出高性能發泡材料，促進國內發泡加工製程自主化，協助傳統產業轉型升級。同時與國際和夥伴發展前瞻技術，達成雙贏局面。