2013年8月2日

永續化學與生活—塑膠製品的添加劑

作者/劉廣定(台灣大學化學系名譽教授)

聚合物(polymer)是指分子量很大,由許多個相同或不同的結構單元(structural unit)以共價鍵結合而成之化合物,又稱為高分子(macromolecule)。由幾個(10個以內)或幾十個(100個以下)結構單元組成者,特稱為寡聚物或低聚物(oligomer)〔註一〕。聚合物可分兩類:一是只含相同結構單元(稱為「單體」)聚合物,稱為同元聚合物(homopolymer);另一是含二或多種結構單元的聚合物,稱為共聚物(copolymer),例如聚胺甲酸酯(PU,圖一)。
圖一。 

有些聚合物或高分子若結構單元總數或排列方式的差異不多時,其性質變化不大,如天然橡膠及人工合成的聚乙烯等;但另一些則是性質隨結構單元總數或排列方式不同而有顯著差異,如蛋白質及核酸等。今只簡介由前一類聚合物製成塑膠中所含的添加劑。

塑膠
塑膠是指以人工合成的有機高分子聚合物,加入適量塑化劑、安定劑、阻燃劑等配料,經受熱後冷卻時可以加工塑造成型的材料,又稱為塑料。依其熱性能和加工性能,可分為兩個類型:

一、受熱後固化又可再軟化並可反覆加熱成型的「熱塑性塑膠(thermoplastics)」,一般而言,聚合物為可以含分枝的鏈狀結構,如聚苯乙烯(圖二)等。
圖二。

二、受熱固化定型後不能再加熱軟化或熔融成型的「熱固性塑膠(thermosets 或thermosetting plastics)」,一般而言,聚合物為網狀結構,如酚醛樹脂(圖三)。
圖三。

為了生產具有某些特殊性能以合乎需求的塑膠製品,須用一些配料即是所謂的「添加劑(additive)」,故大多數塑膠都混用添加劑。添加劑的平均含量是聚合物重量的20%,某些電子應用之塑膠甚至超過50%。添加劑約有30種,限於篇幅,以下只簡介一些重要的〔註二〕。

改善功能的添加劑
添加劑大致可分改善功能與防止劣質化兩類。改善功能的主要有以下各種:

一、塑化劑(Plasticizer)
  塑化劑乃用以改良塑膠的流動性,使其易於加工塑造,並可減低成品之脆性。例如聚氯乙烯(PVC)塑膠的性質隨塑化劑含量的多寡變化很大。1860年代發明的「賽璐珞(celluloid)」即是在硝化纖維素中加入樟腦為塑化劑所製成的第一種人造塑膠。常用的塑化劑有鄰苯二甲酸酯(如鄰苯二甲酸二異辛酯 DOP,圖四)及磷酸的酚酯(如磷酸三甲苯酚酯 TCP,圖五)。(請參考本刊42卷第7期〈撥雲見月—起雲劑和塑化劑〉一文)
圖四。
圖五。
二、填充劑(Filler)
使用填充劑之主要目的為降低塑膠成本及改良塑膠性質。木屑被用做酚樹酯(phenolic resin)及其他熱固性樹脂的填充劑以降低成本。雲母與石棉可加入熱固性樹脂中以增加塑膠的耐熱性。有時亦能改善塑膠的機械性質,如可用長玻璃纖維加強環氧樹脂機械性質,故亦有補強劑(reinforcing agent)之作用。

三、生色劑(Colorant)
在塑膠中加入染料或顏料,可使無色之塑膠變為有色與不透明,以符合特殊用途,或增加美觀。例如酞青藍(phthalocyanine Blue,圖六)為藍色顏料,二氧化鈦為白色顏料,碳黑(carbon black)為黑色顏料。碳黑又能吸收紫外線,故也具有安定劑(見下文)的功能。
圖六。
四、潤滑劑(Lubricant)
有些分子量較低的化合物難溶於聚合物,但有降低聚合物的黏性(viscocity) 的功能,又會在加工過程中滲出表面,使其表面潤滑並能降低塑膠成品的附著力而使其易於脫離模具。蠟質、硬脂酸(C17H35CO2H)的鹽、酯或醯胺為常用的潤滑劑。

五、硬化劑(Curing agent)
加入某些化學品能使原來為鏈型聚合物變為交聯的熱固性塑膠。1839年固特異(Goodyear)發現硫黃使天然橡膠(聚異戊二烯)交聯而硬化(圖七)是開創人工塑膠製品勝過天然之首例。其他含硫化合物也有此作用,如2- 氫硫苯并噻唑(圖八)。
圖七。
圖八。

又如苯乙烯可溶解於不飽和聚酯中,藉C=C加成可用來交聯低分子量不飽和聚酯,使其交聯。【更詳細的內容,請參閱第524期科學月刊】

註一:尚無一致的定義,但採用前者的較多。
註二:( 1 )Polymer Science : A Comprehensive Reference, Vol. 8, Chapter 14, 2012, Elsevier.(2)Carraher's Polymer Chemistry, 8th ed., Chapter 15, 2011, CRC Press.

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