2014年3月27日

從另一個R 與新織品談起

作者/劉廣定(臺灣大學化學系名譽教授)

今年是公元2014 年,也是聯合國科教文組織所訂「永續發展十年教育」(DESD, 2005~2014)的最後一年。十年來,許多國家都積極推展,臺灣的教育界卻始終未認真將「永續發展」做一整體考量,而只在環境保護教育這一有限的範圍內打轉(請參考《科學月刊》2010 年9 月號頁644~645 拙作)。今年新公布的《十二年國民基本教育課程總綱(草案)》更只有「積極致力於生態永續、文化發展等生生不息的共好理想」,「永續發展」一辭則已不見,難道「永續發展」對臺灣不重要嗎?還是臺灣的學生和社會已很了解「永續發展」呢?

推動「永續發展」是當代工業社會所造成種種「病症」的良藥和健康食品,不應忽視。若政府和民眾不能正確認識永續發展之意義與目標,將有礙於國家社會之順利發展和進步。以工業生產為例,化學工業先進國早有3R 原則以減少廢棄物,即Recycle(循環再製)、Reduce(減用量)和Reuse(再使用)。自1980 年代後期起,永續發展觀念在國際上逐漸普受重視,具實用性的永續化學研究如雨後春筍,蓬勃發展。設計新方法及新製程,除改變反應條件外,改用新原料、新試劑和新溶劑也都成為研究發展之重點(請參考《科學月刊》2012 年4 月號頁314~318,6 月號頁474~477 拙作)。Replace——「替換」可以說是追求永續發展的另一個R

行政院環境保護署廢棄物管理處曾於今年2 月13 日發布新聞,說明已將《廢棄物清理法》及《資源回收再利用法》二法合為《資源循環利用法(草案)》,並函送立法院審議中。此法在傳統的3R 之外,加上能源回收(Energy Recovery) 和新生土地(Land Reclamation)兩項,即納入所謂「5R」精神。但美中不足是缺少了具有研究創新精神的另一個R——「替換」,可見臺灣各界並不真正了解永續發展。本篇將以織品為例說明永續化學裏的「替換」。

棉纖維與棉纖維之強化
二十世紀中葉人造纖維織品與混合紡織品開始普遍之前,一般民眾最普遍使用的是棉織品。棉是錦葵科(Malvaceae) 草棉屬(Gossypium)植物的種子纖維,花朵為乳白色,開花後凋謝,留下內含棉籽的小型蒴果,稱為棉鈴。棉鈴成熟後裂開,露出棉籽表皮所長出白色與略帶黃或紅色之柔軟纖維。含纖維素約90%,經處理後可製成棉絮、棉線、棉布和棉紙等。棉製織品與傳統的紙相似,由纖維素分子以氫鍵相接所構成(請參考《科學月刊》2012 年10 月號頁794~797 拙作)。故吸濕性好(纖維素分子有眾多親水性官能基,圖一),不刺激皮膚,也不易產生靜電,且一般感覺舒適柔軟。棉纖維的缺點是不易乾燥,因強度不夠易起皺且不易恢復,也不耐磨損,不耐酸,又易受黴菌等微生物的侵害。織品起皺後高溫「熨燙」是很麻煩的,需要人力,也消耗能源。
圖一:纖維素。N ≒ 5000。

為改善純棉纖維之易皺缺點,乃對棉纖維進行強化處理,使織品成為「耐熨(durable press)」、「免熨(permanent press)」,或「不皺(wrinkle-free)」。一種方式是將人造纖維與棉纖維適度混合紡織,即所謂「混紡」,常見的例如棉– 聚酯(聚對苯二甲酸乙二酯,達克綸)。唯混紡織品與純天然織品之觸感仍有些差異。另一種方式是加入「交聯劑(cross-linker)」將纖維素分子以一些化學鍵相連接,如圖二。
圖二: 交聯劑DMDHEU 連接兩個纖維素分子。
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「纖維素」與「纖維」
纖維素(cellulose)是由葡萄糖聚合
而成的一種分子,而纖維(fiber)
是具有細絲形狀的一種物質;例如
纖維素可組成棉花纖維,玻璃可經
抽絲製成玻璃纖維。

圖二中的DMDHEU 乃dimethylol dihydroxyethylene urea(二羥甲基二羥乙烯脲)之縮寫。它是由尿素(urea)與乙二醛(glyoxal)縮合,生成二羥乙烯脲(DHEU),再與甲醛作用而得(式1)。DMDHEU 與纖維素反應,脫去水分子而交聯成強化的纖維素(式2)。實際上,1950 年代DHEU 也曾用為交聯劑以製免熨織品,但因本身易水解而後為DMDHEU 所代替。然而,在交聯的過程中DMDHEU 也會發生如(式3~5)之反應,在織品中殘留下的甲醛(式4)很難除盡。

式1






式2





式3





式4





式5





近年來,因甲醛的致癌性,故改用不產生甲醛的交聯劑,或嘗試在交聯的過程中除去甲醛都成為重要的研發課題。2013 年7 月美國的Emerald Specialties 宣稱已發明了一種由乙二醛製成的樹脂名為FREEREZ® ZERO,用以做為棉織品交聯劑,不會產生甲醛。是以「替換」達成了永續化學,對環境友善製程之一例。......【更詳細的內容,請參閱第532期科學月刊】

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