塑料

塑料是指以高分子量的合成树脂/石油为主要组分,加入适当添加剂,如增塑剂、稳定剂、抗氧化剂、阻燃剂、润滑剂、着色剂等,经加工成型的塑性(柔韧性)材料,或固化交联形成的刚性材料。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。

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
各式塑膠製品

塑料分類的方式有許多種。常用聚合物中骨架及側鏈的化學結構來分類。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、聚合加成及交聯反應[3]

熱塑性塑料及热固性塑料

塑料可以依加熱後是否軟化分為兩種,分別是熱塑性塑料及热固性塑料。

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。

热固性塑料只能熔化成型一次,當受热固化定型之後,就無法再重新加熱成型[4]。在热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热固程序。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。热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、聚砜、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、拉伸强度玻璃轉化溫度。也有些特殊用途的特种塑料,如医用塑料、导电塑料、耐高温塑料等。

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(聚羟基丁酸酯)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胶(可用於製作口香糖)、蟲膠、硝化纤维等,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,是来自于可再生的生物质来源的塑料,如来自于植物油玉米淀粉豌豆淀粉[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]

结晶及无定型

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

許多塑膠是完全的无定形体[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[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。定制塑料,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,使產品变得便宜。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:「合成树脂識認碼」(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。

中国国家标准(GB18455-2001)规定,体积/容积超过100毫升的塑料包装制品或塑料容器必须直观标注塑料回收标示。

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制造的餐刀,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。
  • Acrylonitrile butadiene styrene(ABS)ABS樹脂(丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚物)
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。
  • Polyvinylidene chloride(PVDC)聚二氯乙烯
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、水電工用的密封膠带、游乐场的滑水道等。
  • Polyetheretherketone(PEEK)聚醚醚酮:
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。
  • Polyetherimide(PEI)聚醚亞醯胺
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。
  • Urea-formaldehyde(UF)尿素甲醛树脂
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。
  • Melamine formaldehyde(MF)三聚氰胺-甲醛树脂:
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

参考文献

引用

  1. (PDF). Pure and Applied Chemistry. 2012, 84 (2): 377–410 [2014-01-13]. doi:10.1351/PAC-REC-10-12-04. (原始内容存档 (PDF)于2015-03-19).
  2. Menges, Georg; Haberstroh, Edmund; Michaeli, Walter; Schmachtenberg, Ernst. Auflage: 6. Carl Hanser Verlag GmbH & Co. KG. 2011: 3-11. ISBN 978-3-446-42762-4.
  3. Classification of Plastics 存檔,存档日期2007-12-15.. Dwb.unl.edu. Retrieved on 2011-07-01.
  4. . 國科會高瞻自然科學教學資源平台. 2010-12-04 [2014-01-13]. (原始内容存档于2020-12-25) (中文).
  5. Composition and Types of Plastic 页面存档备份,存于 Inforplease website
  6. Biodegradation of plastic bottles made from Biopol in an aquatic ecosystem under in situ conditions, accessed March 2009 (login required). Springerlink.com. Retrieved on 2011-07-01.
  7. . CORDIS services. 2008-11-30 [2009-11-24]. (原始内容存档于2013-12-24).
  8. National Non-Food Crops Centre. NNFCC Renewable Polymers Factsheet: Bioplastics 页面存档备份,存于
  9. Plastics News 存檔,存档日期2008-05-13.. Plastics News. Retrieved on 2011-07-01.
  10. Design guide -Performance and value with engineering plastic.DSM
  11. 綠色和平, , [2022-04-22], (原始内容存档于2020-11-24)
  12. 綠色和平, , [2022-04-22], (原始内容存档于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

来源

书籍
  • 《塑膠物性入門》,陳世春 譯,復漢出版社.

延伸阅读

[在维基数据]

维基文库中的相关文本:欽定古今圖書集成·經濟彙編·食貨典·膠部》,出自陈梦雷《古今圖書集成

外部連結

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