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發現聚乙烯

聚乙烯為現今廣泛用於製造各種塑膠品的塑料之一,占全球塑料市場的3成。然而,當初聚乙烯的發現卻是一場美麗的意外。1933年3月27日,英國兩位科學家在進行乙烯高壓條件下的反應時,由於實驗容器不良導致氣體流入,意外使氧氣得以引起乙烯聚合。經過一夜的作用,乙烯聚合成了白色蠟質的聚乙烯。
 
 
1933年3月27日 發現聚乙烯
 
各類塑膠材質充斥於生活中,你我早已不陌生,但這類人工高分子材料合成技術卻是近百年來才蓬勃發展。其中,聚乙烯(polyethylene, PE)為現今廣泛用於製造各種塑膠品的塑料之一,占全球塑料市場的3成。然而,當初聚乙烯的發現卻是一場美麗的意外。
 
顧名思義,聚乙烯就是乙烯(ethylene)的聚合物(polymer),化學結構為–(C2H4)n–。1930年代是各類塑膠原料發展的黃金時期,業界積極開發具有商業價值的產品。1933年3月27日,英國帝國化學公司(ICI)的Eric Fawcett和Reginald Gibson兩位科學家正在進行高溫高壓下有機化合物反應的系列研究。當他們在進行乙烯高壓條件下的反應時,由於實驗容器不良導致氣體流入,意外使氧氣得以引起乙烯聚合。經過一夜的作用,乙烯聚合成了白色蠟質的聚乙烯。
 
聚乙烯的反應機構是當乙烯的雙鍵受到自由基攻擊時,自由基與乙烯反應形成新的自由基,再進一步攻擊其他乙烯直到自由基耦合破壞。而當時實驗所洩漏進容器的氧氣便是充當自由基的角色。Fawcett和Gibson想利用苯甲醛作為自由基,在2000大氣壓和170oC的條件下試圖製作聚乙烯,但這個實驗條件再現性不佳且有爆炸疑慮,數年後英國帝國化學公司才成功確立聚乙烯製程並於1936年申請專利。
 
聚乙烯初登場時,便被英軍在二戰期間用作雷達管線的絕緣體,讓英國得以在海外空戰上監測納粹海軍,因此聚乙烯合成技術受到軍事機密保護。
 
聚乙烯可分為低密度聚乙烯和高密度聚乙烯兩種。最初Fawcett和Gibson透過過氧化物起始劑,在高溫高壓下進行乙烯聚合反應得到的是熔點115oC低密度聚乙烯。而在1950年代,德國科學家Karl Ziegler和義大利科學家Giulio Natta所發展出的齊格勒-納塔催化劑利用有機過渡金屬催化劑,可以合成出低支鏈化且高立體規整性的聚烯烴,而以此方法聚合乙烯則得到今日廣泛使用的高密度聚乙烯。Ziegler和Natta因此項貢獻於1963年獲得諾貝爾化學獎的桂冠。
 
如今各類塑膠早已成為社會最依賴的物質,每年產量遠超其他材料如鋼鐵等。高密度聚乙烯可用來製造牙膏與洗面乳的軟管、玩具、瓶蓋等;低密度聚乙烯可用來製造塑膠袋、透明塑膠瓶、各式食物包材。此外,乙烯也是另一大宗塑料聚氯乙烯(PVC)最主要的原料,PVC可用來做水管、電線絕緣體、人工皮革與信用卡等。
 
在人們享受便利的同時,塑膠的濫用與快時尚的興起也導致污染而引發環境危機。事實上,塑膠的長效性及化學惰性讓它們非常適合再利用,而回收技術亦已存在許久,卻因經濟考量與消費者習慣而受阻。若人們願將對環境衝擊的外部成本考量進每一次的消費,白色污染才有機會解決。我國垃圾回收率達58%,屢受到外國媒體讚嘆,但仍有4成多無法回收的垃圾必須透過焚化或掩埋方式最終處理。亂丟是垃圾,回收就是資源,透過源頭減量與垃圾分類,搭配更多元的回收處理設施,資源循環經濟不再是口號,而是可以實現的夢想。 
 
參考資料
1. Polyethylene: discovered by accident 75 years ago, Anna Jagger/London,  2008/05/08
2. History of the World: the first piece of polythene, 2010/09/29
3. The Nobel Prize in Chemistry 1963. NobelPrize.org. Nobel Media
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