石化與生活:石化也可以很時尚

 
2010/11/04 賴秋君 | 文化大學紡織工程學系
董泯言 | 臺灣科技大學材料科學與工程學系     19,026
 
雖然報章雜誌經常報導石化工業的相關訊息,但是人們似乎對石化工業不是那樣地熟悉。其實在日常生活中,不管是食、衣、住、行、育、樂等方面,時時刻刻都在使用石化工業所衍生出來的產品,只是大家都習而不察罷了。在現代化社會中,石化工業的產品其實是與我們共生共榮的。

石化工業

石化工業是石油化學工業的簡稱,主要是以石油或天然氣為原料,經由化學製程產製化學品。這一類的化學品可以直接使用,或做為生產其他化學品的中間原料,例如塑膠製品、化學橡膠、人造纖維、界面活性劑、清潔劑、黏著劑、肥料等。最後經由加工製成日常生活中所見的各種成品,例如球鞋、輪胎、雨具、衣服、皮包、油漆等。

隨著社會環境的變化與科技的日新月異,在大家比較熟知的產業中,例如資訊、電子、汽車等產業所生產的零件、外殼、輪胎、化學品等各種精密產品,大約有 60~70% 來自石化工業,因而促使石化工業技術的進步與產品不斷地推陳出新。

譬如說,高性能的工程塑膠以及應用奈米科技改善高分子材料特性,所開發具有特殊性能的高分子材料與複合材料等,都廣泛地應用在汽車、航太、生醫、光學元件、光纖、液晶顯示器、電子材料元件等工業中。這些都說明石化工業是其他科技產業能否往前邁進的重要關鍵,也就是所謂的國家基礎產業。

依照我國工業分類,石化工業的範圍包括石化本工業與石化依賴工業兩種。石化本工業屬於石化工業的中、上游工業,包括石化原料業、化學原料業、人造纖維業、合成樹脂及塑膠業等。石化依賴工業則屬石化下游工業,包括油漆業、清潔用品業、人造纖維紡織業、橡膠製品業等與人民的食、衣、住、行、育、樂有密切關係的產業。

石化產品

廣義而言,石化工業包括乙烯、丙烯、苯、甲苯、二甲苯等基本原料,以及乙二醇、氯乙烯單體、丙烯腈、苯乙烯單體、己內醯胺、對苯二甲酸等中間原料的生產,以及進一步製造出的高分子產品,例如聚乙烯、聚丙烯、聚氯乙烯、聚苯乙烯、聚對苯二甲酸乙二酯、聚碳酸酯、丙烯腈-苯乙烯-丁二烯共聚物(acrylonitrile butadiene styrene, ABS)等,以及經過再加工後使用在日常生活中的產品的製造。

石化產品應用在日常生活中,可以大大提高人民的生活素質。隨著石化工業的蓬勃發展與現代人民生活水準的提升,人們對日常生活用品的訴求與品質穩定性等要求越來越高,使得產品朝向精緻化與機能性方向發展。這些帶給我們的不僅是新鮮感和美麗,更重要的是無限的生活樂趣。

傳統石化產品絕大多數是規格化產品,例如,日常生活中看到的汽水瓶、醬油瓶、沙拉油瓶所用的材料就是聚酯,而電腦螢幕外殼所用的材料就是 ABS。但是如何讓這些高分子產品轉變為時尚流行趨勢下的產物呢?

首要條件是「產品的差異性、高功能性與獨特性」。在面臨產品生命周期縮短與市場需求變化加速的情形下,石化產品要有競爭優勢以脫穎而出,新技術與新產品開發能力是產品差異化的重點。其次是「品牌」的建立。品牌不僅要有優質的產品,合理的價格和便於消費者購買的營運通路,且必須運用一定的行銷策略,把有關品牌及產品的資訊傳遞給消費者,使消費者了解並偏愛,進而對產品產生忠誠度,提升品牌對消費者的影響。

時尚品牌大廠與科技大廠的結合,創造了另一股科技時尚或時尚科技的潮流。在台灣,現在已是產業往品牌或設計方向發展的關鍵時刻,了解時尚品牌大廠如何運用科技設計、革新、傳遞或創造服務,將有助於產業把科技或時尚的元素融入下一個世代的產品中。以新上市的國人自行研發製造的電動汽車為例,在節能減碳已經是全球共同的趨勢下,企業以自有關鍵零組件的研發能力並整合國內 IT(information technology)產業,開發出第1部電動汽車,在市場上蔚為風潮便是一個實例。

時尚潮流

時下流行的名牌包所使用的主要原料是聚氯乙烯。它本身是通用型樹脂,具價格低廉、加工容易、重量輕、強度高、耐化學藥品性良好等優點,可經由不同的配料與加工程序製造成各種不同形貌且功能各異的產品,因此用途非常廣泛。舉凡在建築、農業、包裝、鞋類、家具、玩具、電器、醫療、衛生等日常生活領域裡,聚氯乙烯都可滿足它們的要求,因而與日常生活息息相關。

然而,經由不斷的創新、設計與品牌行銷,使由聚氯乙烯製成的名牌包的附加價值提高,得以引領時尚潮流。藉由材料本身具有的特點與品牌的價值,使它在消費市場上廣受歡迎。

在頻繁的國際貿易交流下,一件商品可能經過好幾個國家不同的加工與組裝程序,而市面上販售的各種品牌商品琳琅滿目,讓消費者眼花撩亂,不知哪些商品才是純正的臺灣製造。最近,經濟部工業局開始推廣「臺灣產製品 MIT 標章」,標章的圖樣是由一個笑臉及臺灣地圖所組成,臺灣地圖代表產品來自臺灣,笑臉代表經過品質檢驗程序。在標章設計的視覺意涵上,以傳統的臺灣紅代表台灣人誠懇實在的精神,也代表臺灣人的熱情與活力;銀色的臺灣島,代表臺灣製產品的品質純正、安全健康、值得信賴。

目前,經濟部已完成臺灣製產品 MIT 標章與品質認驗證制度,商品符合臺灣製原產地認定標準以及品質檢驗基準,經由專家檢驗評估通過,就會發出驗證證明。藉由這標章讓廣大的消費者辨識商品產地與品質,避免購買到黑心商品或仿冒商品,並且輔助臺灣業者提升市場能見度,讓國人在購物之餘也可以提升國內產業競爭力。

現今臺灣人民出國旅遊已經蔚為風潮,國內也常舉辦旅遊展等活動,而出國旅遊最重要的必需品莫過於旅行箱。考量目前各家航空公司行李託運的重量限制越來越嚴苛的情況,拉桿旅行箱結構的設計部分,主要是朝向「輕量化」發展。

此外,旅行箱的設計也朝向時尚和環保的方向發展。通常市面上行李箱體外部材質部分,為考慮產品使用性,大都採用聚碳酸酯的石化產品進行多道加工處理。由於聚碳酸酯是一種可以重複加工的塑性材料,且本身具高耐衝擊性與剛性,吸水率僅 0.3%,使旅行箱具有防水、耐磨、耐刮、抗汙等功能,這類商品因而廣受消費者青睞。

在箱體內部收納功能的部分,則考慮消費者在行李整理收納時的使用性及機能性,增加了由竹炭織物所製成的收納袋,除了讓旅行物品整齊排列不雜亂外,在置放個人貼身物品時,還可兼具除臭的功能。竹炭是一種經碳化過的物質,擁有高比表面積,經過活化後有強大的吸附效果,能吸收會散發臭味的物質。通常這類吸附屬於物理吸附(可逆)。除此之外,竹炭表面如果存在特殊官能基,也能藉由化學吸附(不可逆)來吸附物質。

隨著時代進步,液晶電視機越來越普遍,聚碳酸酯是廣泛使用在液晶電視機背光模組中導光板與擴散板的重要材料之一。導光板的功能在於導引光線方向,以提高面板光輝度及控制亮度均勻,主要應用於側光型背光模組,是影響光效率的重要元件。

以射出成形的方法把聚碳酸酯製成表面光滑的板塊,然後利用具高反射率且不吸光的材料,在導光板底面用網版印刷印上圓形或方形的擴散點。非印刷式製程則是利用精密模具使導光板在射出成形時,在材料中加入少量不同折射率的顆粒狀材質,直接形成密布的微小凸點,其作用有如網點。利用導光板的底面擴散網點,反射光會往各個角度擴散,藉由疏密、大小不同的擴散點圖案設計來破壞光線的全反射,把光線導引至導光板正面,折射率越大,其導光能力越好。

擴散板的功能是提供液晶顯示器一個均勻的面光源,一般傳統的擴散板主要是在擴散板基材中加入一顆顆的化學顆粒做為散射粒子,經壓出成形而得。由於擴散板中的微粒子分散在樹脂層之間,因此光線經過擴散層時,會不斷地在兩個折射率相異的介質中穿過,就會發生折射、反射與散射的現象,便造成了光學擴散的效果。

而聚碳酸酯本身是一種具有優異透明性與加工性的工程塑膠,高韌性、高透明度及成形收縮率小(0.7%)是它的最大特色,還兼具耐熱性、尺寸安定性等優良性質,適合用在光學元件的製作上。

生活中有許多產品,例如生活雜貨、家具飾品、3C產品等,都是利用石化產品所產製的。然而面對現今紡織品市場的全球低價化競爭,產業界必須藉由開發高技術層面的機能性與產業用紡織品,來迴避全球低價競爭。目前市面上以吸溼排汗、防水透溼、抗菌除臭、保溫、抗紫外線等機能性紡織品為主要訴求,以提升化學纖維產業的附加價值。

就吸溼排汗纖維來說,隨著現代人工作時數的減少、休閒時間增長、生活水準的提高、高齡化社會的來臨、女性運動人口的增加,以及新式休閒活動的開發等因素,吸溼速乾紡織品市場的成長是值得期待的。

吸溼排汗纖維是利用纖維表面微細溝槽(目前國內已開發出十字形、Y形或工字形斷面纖維),迅速吸收肌膚表層汗氣與汗水,經由蕊吸、擴散、放溼等作用瞬間排出體外,而使身體表面保持乾爽與舒適。吸溼排汗功能與纖維本身的性質有關,親水性纖維如棉、羊毛由於具有親水性基團,因此吸溼性佳,但水分的移動與放溼性差。合成纖維如聚酯纖維由於不具親水基,因此吸溼性差,但水分的移動與放溼性佳。在紡絲加工時,利用紡絲機紡嘴形狀的不同,造成紡出的纖維具異形斷面化而增進吸溼排汗的功效。

另一種方法是利用中空微多孔纖維的特性。中空微多孔吸溼排汗與保溫織物是以聚酯和其共聚合高分子結合,纖維橫切面是圓形中空,中空率可達 20~30%。纖維經紡紗織布後,在染整工程的精練處理階段時,聚酯纖維重量會減少約 3~10%,處理後纖維表面會產生微多孔。這些微多孔能賦予疏水性聚酯纖維蕊吸、擴散、放溼水分的功能,因而使其具備吸溼排汗的效果,穿著這類紡織品會使體表保持乾爽與舒適。

另外,粗糙的纖維表面還可以賦予纖維印染深色化的效果,讓白的更白,紅的更豔。由於這類纖維是中空纖維,可使產品具有輕量化與保暖的特性,也稱作「可呼吸織物」。如果再配合抗菌性、抗紫外線等功能,便可成為多機能性複合纖維,進一步提升人體舒適性。運動用紡織品正是它們的主要產品。

纖維表面改質是利用化學藥劑處理或接枝的方法,使纖維表面的化學結構改變,並賦予親水性官能基,目前國內工研院化工所的吸溼排汗技術就是屬於纖維表面改質。這項技術的關鍵在於親水基種類的選擇及親水基數量的控制,這種方法有耐洗滌性佳、製程簡單的優點。

遠紅外線織物是把含有微量放射性物質的稀土族礦石粉微米或奈米微粒混煉入紡絲液內,並混入遠紅外線放射礦石,經由熔融聚合造母粒後,抽絲與假撚加工形成加工絲,再經織物染整加工做成終端織物產品。在遠紅外線織物中,稀土族礦石所釋放出來的微弱放射線會使空氣中的微粒子離子化而製造出負離子,同時使遠紅外線放射礦石激發產生 4~14 μm 的遠紅外線。

紫外線遮蔽織物是在合成纖維(聚酯、耐隆等)熔融紡絲液中混入 TiO2、ZnO 等奈米粒子,並使粒子均一地分散在紡絲液中,經抽絲與織物染整加工就可得到紫外線遮蔽織物。一般來說,奈米粒子粒徑約為紫外線波長(波長範圍是 100~400 nm)一半時的效果較佳,因此奈米粒子粒徑在 150~200 nm 時,可遮蔽 UV–A 與 UV–B 紫外線。若粒子粒徑是 50~150 nm,則遮蔽紫外線 UV–C 與真空紫外線(VUV)的效果較佳。紫外線遮蔽織物主要應用於室外運動用品,例如高爾夫球服、滑雪裝等。

在日常生活中,抹布在廚房裡扮演著重要角色,幾乎每天都會用到,也常常會接觸到手和碗盤、餐桌等。抹布的種類很多,每種產品都有不同的特色,以吸引人們購買。一般傳統的抹布無法把油汙清理乾淨,必須配合清潔劑使用,甚至擦完油汙後,還需用大量的清潔劑清洗抹布,相當不環保。

最近有廠商利用聚酯、尼龍製成的超微細纖維做成抹布。原理是在聚合物抽絲的過程中,每條單纖被切裂成大約如人髮絲的 1/100,並因單纖的細絲被切裂而使表面成為三角狀。纖維本身的三角斷面形狀很容易帶走髒汙,而當這些極細緻的三角絲編織成布就成為吸收水分、吸塵、吸菌等最有效的工具,吸水及吸塵率約為一般抹布的 6 到 10 倍。超細纖維已證明不僅可以在清潔工作上節約時間及體力,且因它不需使用化學清潔劑而能為環保盡一份責任。

環保意識

近年來為了推行時尚環保主義,使許多環保題材隨之發燒,於是藍色標誌標準(bluesign® standard)應運而生。它代表的是這類環保紡織品是以對環境友善、不構成健康危害、節約能源的製程所製造的,而且不影響產品本身的功能、品質與設計。這對石化纖維產業來說,實在是另一個新的開始。目前,國內已有許多廠商加入這個規範,並生產相關產品,例如回收聚酯纖維製成的紡織品已相當普遍,主要產品包括排汗衣、背包、相機包等,也有知名品牌的運動產品上市。

在台灣,目前已有多項環保纖維產品開發上市。聚酯類環保纖維是利用保特瓶碎料、聚酯碎布料與長絲,先進行化學降解,然後把單體純化,再藉由化學反應製成聚酯初始原料,因此純度較高,在應用端與回收次數方面也較不受限制。

美國一家公司發明抽取玉米中的葡萄糖做為原料,以取代石油化學原料,生產生物可分解聚合物。這個生產方法可以大幅減少石油用量,達到三、四成之多。根據資料顯示,由這方法所製成的布料比同量的尼龍6(聚醯胺纖維)能減少 30% 的二氧化碳排放量,並可以減少 63% 的溫室效應氣體排放,對後續所減少的溫室效應及環境衝擊非常可觀。最近有車商使用這種纖維製作車頂蓬內飾、遮陽板與車體飾板,大約占了車體內飾的 60%。以這概念打造的一款具生態理念的精緻豪華車系,將在日本公開發售。

機能性產品的開發、如何減少製程能源損耗、環保型塑化產物及相關技術的研發,相信是未來石化工業努力的目標。