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鉅亨新視界

〈工業技術與資訊〉全循環單一聚酯材料低碳鞋

工業技術與資訊月刊 2023-03-19 09:20

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工研院開發出「全循環單一聚酯材料低碳鞋」技術。(圖:工業技術與資訊月刊)

撰文/林玉圓

全球運動鞋年銷 40 億雙,產生 150 萬噸的鞋廢料,逾 7 成無法回收再利用。工研院研發出全球首創「全循環單一聚酯材料低碳鞋」技術,以創新聚酯彈性體材料「rTPEE-G」,結合中大底一體化射出成型、鞋面一體化編織技術與回收再製性驗證,讓最難以回收的中底與大底以及整雙鞋,得以循環再利用。

疫後健康意識抬頭,運動鞋銷量大好,帶動每年高達 800 億美元的產值。龐大產值的背後,運動鞋產生的廢料也相當可觀。鞋面材質雖然較易回收,但中底與大底大多採用以交聯製程所製得的乙烯 - 醋酸乙烯酯共聚物(EVA)發泡體與橡膠材料,雖然目前已有可回收的熱塑性聚胺酯(TPU)中底發泡材料,但由於中、大底使用接著劑牢牢黏合,分離不易,更增加回收難度。

根據運動品牌大廠 Nike 調查,大多數的鞋廢料僅能以焚燒處理,因此每雙鞋由製造到最後廢棄的平均碳排放量高達 13.6kgCO2e(公斤二氧化碳當量),年復一年的累積,成為環境的致命傷。近年品牌鞋廠在永續浪潮下,積極尋求低碳排與可回收方案。臺灣為製鞋大國,也積極投入供應鏈的減碳創新,並向工研院尋求技術奧援。

工研院長期耕耘材料聚合技術,從製衣、汽車零件到製鞋材料,對於上游聚酯單體的特性十分熟悉,挾多年的材料專業,開發出「全循環單一聚酯材料低碳鞋」技術,其新材料具有高性能、可回收再製、採用再生與生質料源、低碳等優點,其研發歷程分為三大階段。

工研院獨家創新 低碳聚酯彈性體 rTPEaE

首先是新型彈性體材料成功開發。工研院運用寶特瓶回收片,以醇解技術獲得 PBT 或 PET 寡聚物,輔以生質料源如蓖麻油等,提煉單體(PTMEG、Bio-PO3G)再進行共聚反應,最後開發出高分子量的低碳聚酯材料「rTPEE-G」。接著,以 rTPEE-G 單一材料為基礎,進一步開發出不同硬度與性能之聚酯材料,以滿足全鞋不同部位的性能要求。例如製成紗線用於編織鞋面,配合編織結構設計使鞋面同時具有包覆性佳且彈性舒適的特點;足弓部分的平衡片則以高硬度 rTPEE-G 射出製成,具強大支撐力;中底採用超臨界射出發泡技術,可兼顧高回彈、舒適與支撐;大底則透過混煉製程開發出高耐磨、高止滑的聚酯材料並配合射出加工製成。

一體化射出發泡製程 進一步輕量化減碳

第二階段是加工製程的創新,分為中大底及鞋面兩大部分。工研院研發的無熔膠一體化射出成型發泡技術,以 rTPEE-G 製作中大底,將材料熔融後同時導入超臨界 CO2 或氮氣,並在射出的同時在模具內發泡形成特定中底形狀;因採用 CO2 作為發泡劑,並未增加碳排,更加環保。與傳統 EVA 的模壓發泡製程相較,具有加工更快、精度更高、鞋體輕量化的優點,因此碳排量極低,估計每雙鞋將可低於 2kgCO2e,較全球運動鞋平均碳排量減少 8 成,比起當前全球碳排最低的鞋款還要減碳。

全鞋設計上則採用減法原則,透過簡化設計以降低不必要的鞋重量,在鞋面部分,同樣使用 rTPEE-G 製成的彈性紗線,並與保特瓶回收紗 rPET 配合一體成型編織技術,可調控不同的編織密度及強度,具有彈性與透氣性。

第三階段是廢鞋回收再製技術。以上述兩項創新製程為基礎,工研院更進一步著手開發全鞋老化後的回收再製流程,完成循環經濟的最後一哩路。由創新材料 rTPEE-G 製成的全循環低碳鞋,因採用單一材料,老化後可直接回收破碎,重新加工製成鞋款、鞋部件或瑜珈墊等運動用品,近期可望製成本土特色的夾腳拖問市。

3 項核心專利入手 商業化進程在望

工研院材料與化工研究所經理吳晉安坦言,研發過程曾遇到不少瓶頸,例如在上游材料的解聚過程即投入近一年的時間,須控制各種複雜的變因,包括解聚劑的選擇及用量、反應觸媒應採用何種系統及反應時間;另外,在共聚製程中單體的選擇對於材料的黏彈特性變化,也花費大量時間探索。此外,一體成型的射出發泡製程,也曾遇到品質不穩定的挑戰,必須一再嘗試,確認材料流變性能與中、大底模具設計等,才能生成最適當的中底及大底。

如今克服萬難,成功研發出「全循環單一聚酯材料低碳鞋」,並獲得全球百大科技研發獎(R&D 100 Awards)入圍的肯定,從材料、製鞋流程及回收應用,形成一個完整的循環,技術已趨於成熟,2022 年更獲得 3 項核心專利。未來將與國內鞋廠及供應鏈攜手,推動商業化,無論是提供創新材料、技轉業者,或成立自有品牌均大有可為。

全鞋回收。
全鞋回收。

轉載自《工業技術與資訊》月刊第 370 期 2023 年 1/2 月號,未經授權不得轉載。

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