市場趨勢
◎植物性過濾材料發展
全球 COVID-19 疫情的經歷突顯了個人防護裝備（PPE）和過濾材料對於防止疾病傳播的重要性。為了降低對環境的影響，許多製造商開始考慮以植物基材料取代石化塑料，透過使用低碳和生物基材料同時能實現減少碳排目標，本文介紹植物基材料 Ingeo™ PLA 應用於過濾材料的開發現況。
在 COVID-19 大流行期間，口罩一直受到人們的關注。
根據歐洲塑膠協會的資料，2023 年僅石油和天然氣就生產了超過 3.62 億公噸的塑膠，且每年成長超過 2,500 萬公噸，助長了非常線性的浪費模式，回收與再利用那麼多塑膠衍生許多技術限制。相比之下，全球植物基塑膠（或稱生物塑膠）的生產能力仍處於初步階段，僅有不到 220 萬公噸，但預計到 2028 年將增加至 740 萬公噸，有助於支持採用新生物基材料來達成永續目標，也能解決持久性微塑膠問題的擔憂。
PLA 的製造始於植物糖的發酵，這些植物糖來源於如甘蔗或玉米澱粉等原料。發酵過程會產生乳酸單體，乳酸也是一種常見的食品成分，被美國 FDA 認定為安全成分。根據定義，由乳酸縮合製成的 PLA 被稱為聚乳酸 (poly(lactic acid))，而由內酯 (lactide) 開環聚合 (ROP) 製成的 PLA 被稱為聚內酯 (poly(lactide))（見圖 1）。自 2002 年以來，NatureWorks 公司便透過 ROP 製程生產一系列 Ingeo™ 品牌的 PLA 產品，使其規模能與石化材料競爭。
聚（L-丙交酯）（PLLA）生產的化學途徑。
過去 20 年來，NatureWorks 致力於優化 Ingeo PLA 的等級，使其適用於所有纖維製程，衍生多種下游應用。
Ingeo PLA 纖維製程與相關應用。
紡黏不織布的強度、柔軟度和加工性能極為，利用雙組分纖維結構，可以將非晶性 PLA 與結晶性 PLA 結合，纖維的外層由非晶性 PLA，佔纖維的 30%；纖維的核心部分則使用高結晶度的 PLA，佔纖維的 70%，藉由提高黏合效果來網狀結構的強度。使用 Ingeo PLA 的紡粘不織布可達到 12 - 200 g/m2 的基重範圍。
生物組分纖維的芯和鞘示意圖。
在 2023 年，NatureWorks 推出了 Ingeo 6500D，這是將 PLA 與 PHA 結合的等級，專為不織布而設計。相較於一般 PLA，Ingeo 6500D 紡黏不織布的強度提升了近兩倍，以ASTM D2923 標準的 Handle-O-Meter 測試柔軟度，其柔軟度提高了約 40%。
Ingeo 6500D 與一般 PLA 紡黏不織布的 Handle-O-Meter 柔軟度測試結果。
Ingeo 6500D 與一般 PLA 紡黏不織布(20 gsm) 的強度比較。
另一種提升紡黏纖維網結構強度的方法是在雙組分纖維中將 Ingeo PLA 與生物基 PBSa 結合。將 5 wt.% 的 PBSa 添加到雙組分 Ingeo PLA 外層，可使機械方向(MD)強度提高 113%，橫向強度(CD)提高 185%。由顯微影像顯示，當在外層添加 5 wt.% 的 PBSa 時，熱壓輥產生的黏合點比未添加 PBSa 的外層更加完整，顯示較好的黏合效果。
含有 5 wt.% PBSa 的 PLA 紡黏樣品的黏合點。
不含有 PBSa 的 PLA 紡黏樣品的黏合點。
此外，PLA 也可以增強聚丙烯 (PP) 纖維的性能，並在生產兩種材料的雙組分紡黏不織布時提高生產速度。北卡羅來納州立大學不織布研究所 (NWI) 的試驗顯示，當紡黏 100% PP 纖維時的生產速率為 200 kg/hr，而使用 30% PP 外層與 70% Ingeo PLA 核心纖維時，生產速率增加至 345 kg/hr。類似的結果也出現在使用 70% PP 外層與 30% Ingeo PLA 核心的組合中。顯示當 Ingeo PLA 被添加到雙組分結構中時，PP 的生產速度提升了 86%。
雙組分PP（鞘）/Ingeo PLA（芯）紡黏不織布（30 gsm）的吐出量增加了 86%。
不織布研究所 (NWI) 與 NatureWorks 合作在 COVID-19 疫情期間利用雙組分 Ingeo PLA 和 PP 纖維製成的紡黏不織布結合先前開發的微纖化技術，部分微纖化可產生細纖維（約 1-2 μm）和粗纖維（約 15-25 μm）的混合結構，而完全微纖化則會形成 1-2 μm 的纖維結構，藉以製造出具有超低壓降的口罩過濾材料。這種新型不織布結構具有摩擦電荷，不需要靜電電暈充電，可以重複使用並重新消毒。美國的口罩製造商 Aries 即以這種新型紡黏不織布製作口罩，獲得了 ASTM 3502 認證，並公開在 NIOSH 網站。單層口罩的過濾效率超過 83%，而壓降為 5 mmH2O。相比之下，使用標準 PP 熔噴不織布製成的口罩，其過濾效率為 99%，壓降為 13 mmH2O。隨著增加附加層或提高微纖化程度，Aries 口罩的過濾效率可達 99.9%。使用 PLA 和 PP 製成的紡黏過濾材料還可用於耐用的微纖維擦拭布或 HVAC 濾網等應用。
使用 Ingeo PLA 和 PP 雙組分紡黏不織布的微纖化過濾材料。
紡絲設備商 Hills 在多組分纖維技術具有非常高的技術能量，以高達 9,000 m/min的速度拉伸 PLA，所產生的纖維尺寸可達到小於 0.5 丹尼（denier）。高紡絲速度促使聚合物分子高度順向，具有高纖維強度，所製成的織物強度優於常規材料。
PLA 纖維 <0.5 丹尼的強力高於直徑十倍的纖維。
5K Fibers 公司源自於 Biax-Fiberfilm 公司，利用其專利紡黏/熔噴結合的 Spun-Blown® 技術製造 Ingeo PLA 過濾材料，具有更寬的纖維直徑分布，使口罩壓降僅 11.6 mmH2O，過濾效率與聚丙烯製成的 N95 口罩相當，呼吸更為輕鬆。
採用紡黏/熔噴組合技術製成的 Ingeo PLA 濾材，口罩具有更低的壓降。
使用 Spun-Blown® 技術達到更寬的纖維尺寸分布。
美國Jabil公司將 Ingeo 6252D 與丙烯酸樹脂混合，以熔噴技術開發PLA/PMMA不織布，在加工速度上相比傳統熔噴材料具有更高的產量。這項專利技術生產的不織布在粒子過濾方面具有高效率，同時仍能保持低空氣阻力。高分子混合物的獨特微結構改善靜電過濾性能。
Jabil 公司的熔噴PLA/PMMA纖維比聚丙烯纖維更光滑、更連續。
Jabil 公司的熔噴PLA/PMMA纖維具有光滑表面(250 倍放大倍率)。
以熔噴 PLA/PMMA製作的 PPE 口罩的平均過濾效率達到 99%，與現有的 PPE 產品（如 3M 8210 和 Condor N95 口罩）相比，Jabil 生產的口罩阻力低於 3M 8210，且顯著低於帶有排氣閥的 Condor N95 口罩。此外，Jabil 的過濾材料以較低的基重製成，使用較少材料，達到比其他 MERV 過濾器還低的阻力。
Jabil 過濾材料在較低基重下達到與 MERV 過濾器相當的過濾性能。(測試流速 18.3 L/min)。
Jabil 過濾材料比其他 MERV 過濾器表現出更低的阻力。(測試流速 18.3 L/min)。
PLA（聚乳酸）是不織布產業中相對新穎的聚合物，透過產業與學術界的合作，展示了優越的過濾性能，甚至超越傳統材料如聚丙烯（PP）。使用 PLA 與其他生物基聚合物的混合物，不僅可以在熔噴和紡黏不織布中達到高效過濾，同時展現低壓降的效果。PLA 與聚烯烴（如 PP）的雙組分纖維結構不僅能提高產量和纖維結構穩定性，也增加過濾應用的範疇和效率。相比化石基聚合物，使用 PLA 可降低約 62% 的碳足跡，符合未來對環境友好材料的需求。PLA 已獲得Cradle-to-Cradle 材料健康認證，證明其不含有害化學物質，同時，PLA 是可生物降解的，不會在環境中形成持久的微塑膠，不僅提升過濾技術的創新，還能促進更可持續的未來。
資料來源：
1.https://www.filtnews.com/plant-based-materials/
2.https://www.5kfibres.com/
3.https://www.jabil.com/dam/jcr:8dc6a794-f78b-41cd-9f59-89411f046760/jabil-mask-technical-data-sheet-95M175-USA-A3-07312020.pdf
台灣過濾與分離學會 Taiwan Filtration and Separations Society
