塑料

材質

塑料是指以高分子量合成樹脂/石油為主要組分,加入適當添加劑,如增塑劑穩定劑抗氧化劑阻燃劑潤滑劑着色劑等,經加工成型的塑性(柔韌性)材料,或固化交聯形成的剛性材料。塑膠最早來自於1850年代的英國,自從被開發以來,各方面的用途日益廣泛。

各式塑膠製品
IUPAC對塑料(plastic)的定義
一個用來指聚合材料的通用詞語,材料中可能包括其他可以提昇性能或降低成本的物質

註1:使用此一詞語而不用聚合物(polymer)的原因是後者常造成困擾,因此不建議使用。

註2:在聚合物工程中,此一詞語是指可以混合,而且在特定條件下可以應用流動特性在製造上的材料[1]
卡駱馳鞋,塑料製品

塑料分類的方式有許多種。常用聚合物中骨架及側鏈化學結構英語Chemical structure來分類。其中重要的有丙烯醯基塑料、聚酯塑料、矽氧樹脂聚氨酯及含鹵素的塑料[2]。塑料也可以依合成時的反應來分類,例如縮合反應聚合加成交聯反應[3]

熱塑性塑料及熱固性塑料

塑料可以依加熱後是否軟化分為兩種,分別是熱塑性塑料熱固性塑料。

熱塑性塑料在加熱後其成份不會有化學變化,因此可以反覆的模塑[4]。這類的塑料包括聚乙烯聚丙烯聚苯乙烯聚氯乙烯[5]。常見的熱塑性塑料分子量約在20,000到500,000 amu之間。

熱固性塑料只能熔化成型一次,當受熱固化定型之後,就無法再重新加熱成型[4]。在熱固程序中發生了不可逆的化學反應。像橡膠的硫化就是一種熱固程序。在硫化加熱前,橡膠是有黏性、略有流動性的物質,但在硫化後聚異戊二烯變成沒有黏性的固體。像酚醛塑料脲醛塑料也都是熱固性塑料。熱固性塑料的分子量一般假設是無限大。

其他分類

其他分類會依在製造或是產品設計有關的特性來分類,例如產量大的通用塑料彈性體、結構應用(工程塑料,像聚碳酸酯聚碸聚苯醚聚酰胺聚甲醛等)、生物可分解性或是其導電性等。塑膠也可以依其物理性質分類,例如密度、拉伸強度玻璃轉化溫度。也有些特殊用途的特種塑料,如醫用塑料導電塑料耐高溫塑料等。

生物可分解性

生物可分解塑膠在暴露在特定自然界的環境條件或生物條件下,會自然分解。特定的條件可能包括暴露在太陽下、遇水或濕氣、細菌、酶、風的磨耗等環境條件(環境分解),也可能是在有囓齒動物,害蟲或昆蟲攻擊等生物條件下。有些型式的塑膠分解需要讓塑膠暴露在陽光下,有些則是要在在垃圾填埋場或堆肥中才會降解。澱粉顆粒曾加在塑膠中以加快其降解,但仍然無法使塑膠完全分解。有些研究者利用基因工程已改良一種細菌,可以合成完全可以生物分解的塑膠,但這種材料(聚羥基丁酸酯)到2013年為止仍非常昂貴[6]。也有公司開發了生物可分解添加物以加速塑膠的分解。

天然及合成

天然塑料包括了天然橡膠乳膠(可用於製作口香糖)、蟲膠硝化纖維等,但現今大部份塑料都是石化工業的產物。

生物塑料

由於石油的有限存量以及全球暖化的問題,促使了生物塑料之研發,是來自於可再生的生物質來源的塑料,如來自於植物油玉米澱粉豌豆澱粉[7]等。

估計世界上軟包裝材的年消耗量是1230萬噸,其中利用生物相關材料有32.7萬噸[8][9]

結晶及無定型

有些塑膠其分子結構為半結晶聚合物[10],其化學結構一半是晶質,另一半是無定型,因此同時有熔點(克服分子間作用力的溫度)及一個或多個玻璃轉化溫度(局部的分子彈性顯著增加的溫度)。這類的半結晶塑膠包括聚乙烯、聚丙烯、聚氯乙烯、聚酰胺、聚酯和某些聚氨酯。

許多塑膠是完全的無定形體[10],包括聚苯乙烯及其共聚物、聚甲基丙烯酸甲酯及所有熱固性塑膠。也有一些塑膠屬於液晶聚合物英語Liquid crystal polymer[10]

組成

主要包括有機聚合物塑料,絕大多數的這些聚合物的基礎上單獨或與氧,硫,氮以及碳原子鏈。骨幹是鏈上的主要「路徑」,一起把大量的重複單位的一部分。定製塑料,不同的分子團骨幹的「掛起」(通常他們是「掛」作為單體的一部分之前,單體連接在一起,形成高分子鏈)的屬性。這些「側鏈」的結構,影響聚合物的性能。這種重複單元的分子結構的聚合物性能的微調,使塑料成為二十一世紀的世界中不可或缺的一部分。

添加劑

大多數塑料含有其他有機或無機化合物,混合添加劑的範圍從零百分比(為用於包裝食品),某些電子應用超過50%的聚合物量。添加劑的平均含量是聚合物重量的20%。填料改善性能和/或降低生產成本。穩定的添加劑包括阻燃劑,降低材料的可燃性。許多塑料中含有填料,相對惰性的,廉價的材料,使產品變得便宜。通常情況下,填料是在原產地的礦產,如粉筆。一些填充物有化學活性,被稱為增強劑。由於許多塑膠經過聚合後硬度極大,難以加工或作為一般材料使用,因此添加塑化劑(或名可塑劑),用來增加柔軟性及彈性。塑化劑是一種常使用的添加劑,但大部分的增塑劑對人體有生殖毒性,至目前為止仍對於塑化劑種類及使用與否有極大的爭議。

用途

 
在日式餐廳外,常可見以塑膠製成的食物模型。

塑膠的原始目標是用為絕緣物,自從發現電木以來,屢經改良,塑膠大有助於超高壓的發展和薄膜電子零件的進步。

  • 電器絕緣(例如導線的絕緣層,或電子零件的外殼)
  • 機械材料(因為具有比金屬輕與防鏽蝕的特性)
  • 建築材料與傢俱材質
  • 包裝材料(例如:塑膠袋
  • 人造纖維(例如:尼龍聚酯纖維

環保問題

自面世以來,塑料得到廣泛應用,但同時亦產生嚴重的環境問題。塑膠垃圾難以自然分解,導致固體廢物的增加;若流入海洋中,亦會導致海洋生物誤食、窒息、中毒等,影響海洋生態;焚化塑膠垃圾亦會造成空氣污染,部份塑膠,如聚氯乙烯(PVC)和聚碳酸酯(Polycarbonates)在某些條件下或會釋出有害物質或內分泌干擾素,危害生物的生育機能。因此,減少使用塑膠成為環境保護中一項重要的工作。

回收分類標籤

為方便塑膠的回收,美國塑膠工業協會(The Society of the Plastics Industry, Inc., USA)提出利用塑料類型來分類的標籤系統:「合成樹脂識認碼」(Resin Identification Code,常譯為「塑膠材料編碼」或「塑料編碼」)。可回收的塑膠容器均會附有一個以三個箭號圍繞而成的三角形標籤,標籤上會表示塑料的類型。

中國國家標準(GB18455-2001)規定,體積/容積超過100毫升的塑料包裝製品或塑料容器必須直觀標註塑料回收標示。

但很可惜,塑料的回收並不容易,推行成效亦不理想。與金屬回收比較,塑料回收最大問題是難以用機器進行自動分類,工序牽涉大量人力。除了容器通常以單一塑料造成以外,不少塑膠製品皆以多種不同材料裝配而成,將其解體的成本可能比回收得來的塑料價錢高。而且,部分種類的塑料回收沒有經濟價值,例如發泡膠。這類塑膠垃圾通常會被掩埋或焚化。

其它,如美國回收塑料佔的比重很低,只有5%,但是,德國、北歐等部分國家或地區,則有較高資源回收比重。

可分解塑膠

 
用可分解的澱粉塑膠製造的餐刀,叉子和湯匙。

可分解塑膠能於陽光下分解。亦有於塑膠中加入澱粉使其更易於生物分解,但分解仍不完全。亦有人利用基因改造細菌產生完全可生物分解的塑膠,但成本仍高昂。德國巴斯夫公司(BASF)研究出一種稱為Ecoflex的可生物分解塑膠,用於食品包裝。以上的可分解塑膠由於成本問題,因此鮮有使用。而這種塑膠必需曝露於空氣的情況下才能分解,因此若被掩埋,仍然會導致固體廢物的問題。

故此,德國環境部長舒爾茲(Svenja Schulze)2019年9月宣布,計劃明年禁止即棄塑膠袋。而超級市場及零售商的收銀處,將不能向客人提供塑膠袋,包括可生物分解的塑膠袋及採用再生物料製造的塑膠袋在內,違反企業將面臨高達十萬歐元的罰款。[11]

塑膠的表面裝飾

一般來說,塑膠製品的表面比較難有變化,因此需要採用噴塗、電鍍等二次加工技術來裝飾表面,增加產品的價值感。不過噴塗、電鍍技術對環境會造成汙染。近幾年出現的IMD技術,因為較傳統二次加工技術更環保,並且可以在塑料射出成型的同時就完成圖案印刷,較省人力與時間成本。IMD技術一般包括三種:IMR(In-Mold Decoration by Roller;模內轉印)、IML(In-Mold Labling;模內標籤)、IMF(薄膜成型)。IMR目前已廣為筆記型電腦與智慧型手機所採用。

生態災難

綠色和平最近的研究顯示,自從2017年12月31日中國收緊洋垃圾進口的禁令起,馬來西亞、泰國和越南迅速成為新的「垃圾崗」。單是2018年,馬來西亞接收近100萬噸,主要來自美國、日本和德國的廢塑膠。此舉令許多亞洲地區的鄉郊淪為塑膠垃圾棄置場,傷害自然環境。[12]

其他問題

塑料生產商常在包裝上含糊地稱產品樹脂,即使明明是人造樹脂/合成樹脂。一般人很易受誤導以為是天然樹脂而放心購買和使用。許多生產商也未有清楚列出製造產品時加入的各式有害化學品

由於塑料大量生產,價錢便宜,顏色選擇多,所有人們也大量使用塑料用品,以致常在未了解某些塑料的實際特性的情況下不當地使用塑料。例如,有些塑料不宜加熱或用來存放酸性飲品食品,有些塑料不宜受陽光照射等,否則成份會不穩定而釋出。由於無即時危險,以致塑料產品中各種有害物質已從不同途徑,尤其是飲食,進入和污染人體。[13]

最常用的塑料

 
 
聚丙烯(PP)材料做的椅子
食品包裝、家用電器、汽車配件(如保險桿)。
包裝材料、食品包裝、一次性杯子、盤子、餐具、CD和DVD文件夾。
包裝材料、一次性杯子。
涵蓋電子設備(如顯示器、打印機、鍵盤)。
飲料瓶、薄膜、包裝。
纖維、紡織品。
纖維生產、高爾夫球、釣魚線、汽車塗料。
管件生產、浴簾、窗框和地板覆蓋物。
泡沫保溫、防火、滅火泡沫。
光碟、太陽鏡、防護罩、安全眼鏡、指示燈、鏡片。
包裝(食品和藥品)。
薄膜、包裝袋(一般常見塑膠袋)、填裝瓶(如沐浴乳、清潔劑)、水管。
  • Polycarbonate/Acrylonitrile Butadiene Styrene(PC/ABS)聚碳酸酯 / ABS樹脂:
融合了PC和ABS塑膠,更為堅固。用於汽車內裝和外部配件、手機外殼。

特殊用途的塑料

隱形眼鏡,玻璃(如有機玻璃)。
耐熱,低摩擦塗層:不沾塗層的不沾鍋、水電工用的密封膠帶、遊樂場的滑水道等。
化學和耐熱熱塑性塑膠,生物相容性高,使用醫療植入,航空航太製品。其中為最昂貴的商業聚合物。
具有耐高溫,化學性質穩定,不結晶聚合物。
俗稱電木,高模量,相對耐熱,耐火和優良的聚合物。用於電氣設備絕緣部件,紙層壓製品,熱絕緣泡沫材料。它是一種熱固性塑料,可以通過熱成型和壓力時,混合填充物般的木粉,也可以投在其剩餘的液態形式或轉換為泡沫。問題包括自然成型的機率是暗的顏色(紅,綠,棕),並作為熱固性難以回收。
餐具、裝飾品、電器零件、配電器具、電話筒、汽車零件、合板、接著劑、塗料、按鈕、容器、麻將牌、時針盤、筷子、衣釦、瓶蓋等。
玻璃、餐具、裝飾品、電器配件及外殼、配電盤、機械零件、汽車零件、麗光板、塗料、接著劑、容器、紙、布的樹脂加工。
一個可由微生物分解,由玉米澱粉轉化。目前市面上可看到的,如水選蛋的透明盒子。

參見

參考文獻

引用

  1. ^ Terminology for biorelated polymers and applications (IUPAC Recommendations 2012) (PDF). Pure and Applied Chemistry. 2012, 84 (2): 377–410 [2014-01-13]. doi:10.1351/PAC-REC-10-12-04. (原始內容存檔 (PDF)於2015-03-19). 
  2. ^ Menges, Georg; Haberstroh, Edmund; Michaeli, Walter; Schmachtenberg, Ernst. Menges Werkstoffkunde Kunststoffe Auflage: 6. Carl Hanser Verlag GmbH & Co. KG. 2011: 3-11. ISBN 978-3-446-42762-4. 
  3. ^ Classification of Plastics 網際網路檔案館存檔,存檔日期2007-12-15.. Dwb.unl.edu. Retrieved on 2011-07-01.
  4. ^ 4.0 4.1 化學示範實驗:彩色的膠珠-熱塑性塑膠(Thermosplastic). 國科會高瞻自然科學教學資源平台. 2010-12-04 [2014-01-13]. (原始內容存檔於2020-12-25) (中文). 
  5. ^ Composition and Types of Plastic頁面存檔備份,存於網際網路檔案館) Inforplease website
  6. ^ Biodegradation of plastic bottles made from Biopol in an aquatic ecosystem under in situ conditions, accessed March 2009 (login required)[永久失效連結]. Springerlink.com. Retrieved on 2011-07-01.
  7. ^ Development of a pea starch film with trigger biodegradation properties for agricultural applications. CORDIS services. 2008-11-30 [2009-11-24]. (原始內容存檔於2013-12-24). 
  8. ^ National Non-Food Crops Centre. NNFCC Renewable Polymers Factsheet: Bioplastics頁面存檔備份,存於網際網路檔案館
  9. ^ Plastics News 網際網路檔案館存檔,存檔日期2008-05-13.. Plastics News. Retrieved on 2011-07-01.
  10. ^ 10.0 10.1 10.2 Design guide -Performance and value with engineering plastic.DSM
  11. ^ 綠色和平, 德國開始「走塑」擬明年禁用即棄膠袋, [2022-04-22], (原始內容存檔於2020-11-24) 
  12. ^ 綠色和平, 廢塑膠傾倒亞洲, [2022-04-22], (原始內容存檔於2020-10-31) 
  13. ^ 《注射成形塑料製品的生產》,劉大林,大孚書局,1984年9月,294頁~295頁

來源

書籍
  • 《塑膠物性入門》,陳世春 譯,復漢出版社.

延伸閱讀

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 欽定古今圖書集成·經濟彙編·食貨典·膠部》,出自陳夢雷古今圖書集成

外部連結