從化學的材料本質思考循環經濟
文/陳立基
化學原料的產品應用與現代人生活息息相關，舉凡：食(容器、肥料、餐具)、衣(纖維、眼鏡、鞋子)、住(傢俱、隔板、管線)、行(輪胎、道路、燃料)、育(運動器材、瑜珈墊)、樂(3C產品、面板)，皆扮演不可或缺的關鍵角色，並衍生相關產業(汽車、電器用品)創造源源不絕的龐大經濟價值；因此可以說，化學特性應用的恰當，產品就可以賣的出去，產業就一定會發大財。
綜觀全球化學相關產業的發展近程，皆因掌握住最源頭的化學原料生產技術，所以可以獲利穩定，這點可以從全球前10大化學企業年度之產品銷售額皆超過200億美金(2018/07/30美國化學與工程新聞)，不難看出這樣的事實持續發生(如表1)。而目前全球經濟產值為799,800億美金(2018國際貨幣基金報告)，前10大化學企業就提供了接近0.5%的貢獻度，足見化學產業對於全球經濟具備其舉足輕重的地位。
表1. 全球前10大化學企業年度產品銷售額(資料來源：2018/07/30美國化學與工程新聞)
目前全球化學產業已經透過產業上、中、下游的功能性整合，建構出上游端原料、中游端原料合成、下游端產品應用之完整供應鏈體系。上游端從原油開採及純化，可提煉出輕油、汽油、柴油、煤油、潤滑油、石蠟，以利中、下游端之產業做相關之產品/製品/能源應用。中游端也同時承接經過輕油裂解後所產生之基本原料：如乙烯(C2)、丙烯(C3)、丁二烯(C4)、苯(C6)等其他化學原料(C5以上)，透過在化學工廠中進行聚合、酯化、烷化等化學反應，以達到符合經濟效益之量產行為，並藉此製造出大量的塑膠、橡膠、人造纖維等化學材料。下游端便透過化學原料的工廠加工，可製造出各式食、衣、住、行、育、樂中所用之日常用品(橡塑膠製品、人造纖維、界面活性劑、染料、化學藥品......)。
然而，在促成經濟蓬勃發展的精細產業分工之下，每一個人(包含生產製造者及使用者)都著眼於在產品的使用過程中，功能展現的實務體驗之中，且相關產業供應鏈也都盡責的提供對應功能與展現價值。但是，大家都共同地忽略掉，在相關產品走完自己的生命週期之後，後續棄置處理所衍生的環境問題，對於大家共處的地球環境，其實會造成實質上的傷害。相信大家都曾在網路上看過海龜從鼻孔拔出吸管、海鷗屍體充滿塑膠用品的影片，橡、塑膠微粒入侵食物鏈、環境賀爾蒙讓孩童提前發育、地球暖化危機、臭氧層破洞也都是真實發生的事實，層出不窮的化學工業後遺症就是某種形式的大自然反撲，享受經濟美味果實的同時，所有的人類也同時在服用慢性毒藥戕害自己。
但是，這並不全然是化學工業的錯誤，某種程度而言，是與經濟體系整合失常的系統性錯誤。每一個可以成為大宗化學原料，且能夠被進行相關產品應用，其本身一定具備特定程度的物化特性優勢，且符合產品生產經濟競爭力。可是在現行商業模式體制之下，卻逐步地累積了一點點的些小錯誤，積小敗而成大敗，最終造成無法抹滅的環境災害。目前產業供應鏈所代表的「線性經濟」(如圖1)，是從第一次工業革命後所帶動成功方程式，讓產業發展陷於「製造、使用、廢棄」的成功模式窠臼；其實對於地球的自然生態系而言，「循環經濟」才是永續經營之道，大自然之中沒有「廢棄物」，所有的原物料都一定會有其他用途。
圖1. 「線性經濟」產業發展關聯圖(以壓克力為例)
可是要能夠讓化學原料符合「循環經濟」的商業模式，中間還有許多需要努力的知識技術必須加以考量，在此以聚氯乙烯(PVC)為參考案例，期望可以藉此帶動思考「循環經濟」的核心價值，讓產業發展與環保意識取得平衡，協調共生。
聚氯乙烯(polychloroethylene, PVC)是氯乙烯(化學式：C2H3Cl)經加成聚合反應所得到的高分子材料，不易被酸、鹼腐蝕，成本具產業競爭力，是臺灣上一波經濟奇蹟，臺塑的代表性生產產品(目前仍為全球前十大化學企業)。其產品加工製造，可藉由添加塑化劑來改變柔軟度，因此生產技術門檻與成本不高。PVC原料是僅次於PE原料的第二大泛用塑膠，五大泛用塑膠(PE、PVC、PP、PS、ABS)之中唯一含氯的塑膠，也因為含氯的因素，具備優異的耐燃性質。因此PVC製品被廣泛應用在各種類型的產品中，例如：家具、動漫公仔、食品保鮮膜、電線外皮、鞋子、袋子、廣告牌、裝潢用品、門版、手套......。
從「經濟」與「科學」兩個面向看來，PVC是一個非常優秀的化學原料，同一材料可以做「硬的產品」與「軟的產品」，用途非常廣泛，但是目前卻被國際綠色和平組織稱為「毒塑膠」，這中間一定是產生了某種誤會，而到底是怎麼回事?誰是誰非?請聽我一一道來。
一、成本便宜
PVC原料每公斤價格約12-26元(新臺幣)，從原料成本的觀點看來，實在是非常划算的選擇(如表2)，價格就是產品競爭力是不變的定理。但是，從1950年塑膠開始被工業化大量生產製造之後，全球目前已經累積製造了91億噸以上的塑料，而一般塑膠製品在經過平均約4年的生命週期過後，最終都只能被丟棄或者焚燒。根據喬治亞大學的研究指出，全球91億噸的塑膠廢料中，有70億噸已經沒有在使用，其中只有9%有機會被回收再利用，12%將被焚燒，其他剩下的55億噸，在陸地與水中持續累積。
表2. 五大泛用塑膠原料價格(會依照市場需求變化)
因為塑膠本身就是價格較為便宜，所以在其被廢棄之後，並不會被進行商業化的回收，以及系統性的再生製造處理，且因為本身性質優異並不會被環境完全分解；甚至可以說，除了被燒掉的塑膠，自1950年以來製造的塑料，至今仍然存在於我們的環境之中。大宗塑料之中的PVC原料，在燃燒不完全的情況下，甚至還會產生所謂的「世紀之毒」戴奧辛(dioxin)，根據國際癌症研究所(International Agency for Research on Cancer, IARC)的研究指出，早在1997年對四氯聯苯戴奧辛(2,3,7,8-TCDD)的評估報告中，依據人類流行病學研究方法顯示，戴奧辛被分類為「人類已知致癌物」(Group 1)。
物化性優異的PVC原料在進入廢棄的階段之後反而兩面不討好，因為本身無法自然分解，丟棄後會造成環境負擔，並累積成生態浩劫，焚燒後還有很高的機會產生致癌物質；雖然有識之士在評估整體影響之後，也極力推動PVC原料回收處理系統，但是因為其原料成本價格實在過於便宜，最終都會面臨商轉不易的困境。如果，今日PVC原料的價格跟黃金或其他稀有貴金屬一般的貴，相關的回收再利用機制商轉，一定都會運作的很順利，運用經濟手段來推動環境改善，長期以來一直都是一種成功的手法(如圖2)。
圖2. 稀有貴金屬「循環經濟」產業發展關聯圖(以銠為例)
二、加工添加
PVC原料加工添加塑化劑以利加工是工業上習知的方法，一般而言，半硬質PVC需添加10-30%的塑化劑，軟質PVC則需添加30-70%的塑化劑。鄰苯二甲酸酯類(DEHP)的加入，可以在加工過程中，讓PVC柔軟、易於彎曲、摺疊、富有彈性。但是，PVC製品在用於接觸人體的環境之中，DEHP會因為擴散遷移的關係，接觸後造成人體將其吸收而成為所謂的「環境賀爾蒙」，對發育中的孩童造成過敏及其他(女生性早熟、男生性器官不明顯)不良後果，對成人也會導致慢性病(硬皮病、膽管癌、血管肉瘤、腦癌、肢端骨溶症)。此外，PVC原料在太陽照射或高溫的情況下熱安定性不佳，會釋放出少量鹽酸(HCl)，因此過去PVC常添加少量重金屬(鉛、鎘、鋅等)安定劑，同樣的重金屬也會因為擴散遷移的關係，接觸後造成人體將其吸收產生人體器官(肝、腎)中毒。因此從2006年開始，歐盟已經明文禁止販售未附檢測報告之PVC產品，並增列PVC原料相關之添加劑規範(禁用DEHP、無重金屬溶出)。
因此可以了解PVC並不單單只是PVC，其在產品化的加工過程之中，還被添加了一些對健康與環境有害的塑化劑與安定劑，所以不能將所有的錯誤怪罪在PVC的身上；因此完全不添加任何東西的PVC，可以保證原料本身並無任何毒性，但是也將會沒有任何經濟價值。過去，臺灣各地許多知名的污染事件，都疑似會與PVC原料扯上一丁點關係，這也同時說明了臺灣過去為了成就化學工業，已經不知道默默付出了多少代價，化學原料在發展經濟與環保意識的相互較勁之下，也因為不被了解而背負了一些不白之冤。
但是，隨著臺灣化學產業知識的累積，技術能力的成長，進入下一階段「循環經濟」模式的化學產業，已經是不能夠抵擋的潮流，即使是PVC原料目前也正在努力尋找與建立循環再利用的出路。依據「循環經濟」的基本原則，無論是發展新產品或改進舊製程，都將朝向降低成本、能耗、毒害、風險和零廢棄物為目標；甚至導入高價值材料之租賃模式，也是未來推動「循環經濟」的一種手法。
下一世代的橡/塑膠化學原料，如果能夠符合「循環經濟」的先天布局，具備優良物化性且高價值，以及零加工添加助劑，應可讓產業發展與環保意識取得平衡，從共生中取得雙贏。綜觀目前在市場中已經被開發的化學原料，熱可塑性彈性體(thermoplastic elastomer, TPE)，將很有機會在化學產業中成為「循環經濟」的明日之星，其原料價格大於200元(新臺幣)/公斤，具備優異物化特性。
TPE原料之成份組成包含硬質段及軟質段，在單一材料之中可以同時做「硬的產品」與「軟的產品」，具備多樣化的化學結構與產品泛用性。TPE原料可以在特定高溫中塑化變形，硬質段在常溫時可以發揮架橋點的作用，以防止塑性變形；但當溫度上升時，硬質段的塑膠成分會熔融，失去作為架橋點的作用，進而可以進行塑性變形，所以可如同塑膠一般，於加工時進行相關成型操作。因此TPE原料可以沿用塑膠原有的加工機器，進行終端產品的製作無須添購新設備，如：注塑成型、擠出成型、吹塑成型、壓延成型、押出成型等，且材料本身具備環保(燃燒無毒)、零浪費(邊料可回收)、質輕(密度低)、使用壽命長(較傳統橡塑膠達5-10倍以上)、加工變化度大、製品總成本低等優點。
目前已開發成功的TPE原料有很多種類，包含：熱塑性聚氨酯(TPU)、聚烯系彈性體(TPO)、動態加硫聚烯彈性體(TPV)、聚苯乙烯系彈性體(TPS)、聚醚酯彈性體(TPEE)、聚醯胺系彈性體(TPA)，全球各化學大廠無不積極佈局，從化學原料端到產品端，用途逐漸擴大。從化學原料的本質，逐漸走向與大自然和諧共存的「循環經濟」，零資源浪費，就不會有污染產生；同時也需要所有人的消費觀念，共同往好的方向改變。
陳立基
工業技術研究院材料與化工研究所研究員