前瞻綠色材料高值化研究中心

技術開發與成果

B分項: CO2衍生高性能材料

B-1、研究計畫之背景:

以”有機碳循環”及化學轉化製造之觀點而言,原油/天然氣/煤能源消耗、CO2排放及塑膠垃圾之汙染,是化學碳循環鏈之必定過程。”碳循環”化學技術巳早在1980年代,經由美國石油公司Texaco Chem.利用回收寶特瓶及EG (汽車水箱冷卻用)製造之副產物DGA,共反應(酯交換)製成PU發泡材,大量做成仿木及鞋材等應用。但因為過去綠色概念未成熟,而未受到應有的重視利用。同樣地,另一重要之化工製程,CO2轉化成dimethyl carbonate and ethylene carbonate在1970-80已是重要的有機溶劑及歐洲用作汽油代品或電池電解液,但亦未被”真正”重視用於化學轉化成高分子材料。因此r-PET轉化至高值化多元產品,可取代不可回收polyolefin材料,其仍未受大公司之重視,不是上游製程技術問題,而是下游産品應用有待全面開發,因此如何將CO2轉化為5+N產業創新中之循環材料及石化高值化項目,並建立”碳循環”核心技術,整合應用領域成為”Taiwan Carbon Credit Technology”,為解決人類重大問題做出貢獻。

本分項整合兩種高分子關鍵合成技術,(1) ”回收r-PET化學酯交換法”,(2)利用”CO2衍生EC單體”反應合成寡聚物製造法”,成為第三類ester-carbonate共聚高分子新材料(PCPE; polycarbonate-polyesters) 之製程技術。前兩製程法均巳經証實商業應用於製造polyester-polyols (e.g., 用於PU發泡仿木及TPEE彈性體)及polycarbonate-polyols(PCPO)用於特殊光學膜coating resins;而本計畫所整合之PCPE共聚高分子材之新穎應用,主要是因為carbonate之共鏈段結構可以補足傳統PET太脆之弱點。利用CO2製成carbonate之化學特性,可以發揮及突顯PCPE材之柔韌性、耐水解、附着性及生物相容性;成為新一代之聚酯類材料,包括用於塗料、醫材、儲能、奈米複合材等下游多元高值化產品。共聚高分子PCPE,具有化學結構式之新穎性及多元應用,研究並將建立PCPO中間體及PCPE之前導工廠示範反應器,進行製程最適化及10 kg級之試量產,提供給產業界作產品測試及驗證(例如:新光、力麗、遠東新世紀、南寶樹酯、大洋、展宇等)。

 

B-2研究方法、進行步驟及執行進度:

本分項計畫主要分成四個子計畫: 子計畫一合成出PCPO/ PCPE之新材料並應用於功能性塗料及樹酯,子計畫二則可將PCPO應用於牙根封填劑,並配合子計畫四之奈米複材於牙材封填劑中進行抗菌功能, 子計畫三將PCPO/PCPE之結構式導入形成高分子膠體材料,此材料除本團隊外,將與本中心相關專家如何國川教授,吳乃立教授,劉貴生教授等密切合作,子計畫四利用PCPO之分子間作用力強之性質,用於自我修復機制以及製備奈米複合材。

圖一、新材料PCPO/ PCPE之合成路徑。

 

1年工作內容:  PCPO/ PCPE之材料開發與結構性質鑑定。

2年工作內容: 高分子彈性體複合材料之製備與材料性質、熱性質、機械性質分析。

3年工作內容: 導入功能性塗佈層增加PCPO/ PCPE材料之機械性質、穩定性,與自我修復特性。

4年工作內容: 開發製備可於臨床目的的UV可固化是高分子聚合物。

5年工作內容: 開發製備可用於製備超電容之聚離子液體。

109年執行成果亮點

重點發展項目

發展現況

最終目標

109年度展示成果

廢塑膠循環再生高性能材料

對苯二甲酸乙二酯(PET), 聚碳酸酯 (PC) 為我國產量和使用量極大之程塑膠廢料,然亦產生難以處理之廢料,尤其是可回收轉化之高效率製程,而造成環境危害另外二氧化碳,被認為是導致全球氣候暖化之溫室氣體,因此如何減少大氣中CO2含量以及塑膠廢棄物,並將其轉化為高值化循環利用產品為全球性的重大議題。主持人鄭如忠及林慶炫教授團隊長期致力於將工程塑膠廢料轉化為高附加價值產品,尤其是對苯二甲酸乙二酯 (PET)、聚碳酸酯 (PC) 等工程塑膠廢料,已為國際領先團隊之一。

建立有效之”碳循環”核心技術,並更進一步將塑膠廢料及CO2之衍生產物轉化為高附加價值產品,而成為國際廢塑膠循環再生高性能材料領先團隊,並協助我國化學產業減廢及廢料轉化為高附加價值產品。

1. 利用環氧樹酯單體以及觸媒與CO2反應合成環狀碳酸酯,以及環狀碳酸酯之酯交換改質技術,並結合以醇解或胺解法回收PET或PC 工程塑膠廢料轉化所得之寡聚物。(回收反應選擇性大於 95%,回收產品純度大於 95%,回收產品原子經濟大於 95% ) ,以非光氣法共聚為具高強度拉伸特性之聚胺酯,除申請多項智財專利外,並與廠商進行試量產製程,這對解決我國大量PET或PC塑膠廢料有極大助益,亦可應用於下游多元產品之高值化。

2. 本技術直接將廢棄的聚碳酸酯作為環氧樹脂硬化劑使用,進而製備高性能熱固性材料,使聚碳酸酯廢棄物能達到全100 %原子使用效率,所回收製備之高性能熱固性環氧樹酯材料,其熱機械性能可比擬於市售酚醛硬化之環氧樹酯固化物,且因化學結構中具有特殊碳酸酯基,可利用正己胺對熱固性材料進行胺解,從中回收出具有利用價值之苯氧樹脂(Phenoxy resin)和二己基脲單體(1,3-dihexylurea)。另外所開發之回收製程方法可導入碳纖維,製備出高性能碳纖維複合材料,並藉由胺解反應,回收具有可利用價值化學品,以及高經濟價值的碳纖維,達到廢棄物材料循環再利用之環境永續目標,上述技術獲得第17屆國家新創獎。