環保新產品：可分解塑膠

人類文明隨著科技進步與經濟發展而日新月異，現代化生活方式與習慣亦急遽改變，導致了廢棄物大幅增加而造成嚴重的環境污染問題。依據統計，美國一年製造了1億6千萬公噸垃圾，平均每人每年垃圾量為670公斤，每人每日為1.8公斤。依據行政院環境保護署「七十八年度環境保護統計年報」，民國七十七年台灣地區垃圾清運量共計588萬公噸，平均每人每年垃圾量為314公斤，每人每日為0.86公斤，約為美國人的一半。

廢塑膠對環境的衝擊亮起了紅燈！

據Franklin Associates 1986年的資料，美國都市固體廢棄物成分重量比，以廢紙張所占比率最大（35.6％），庭院廢棄物次之（20.1％），廢塑膠占7.3％。廢塑膠種類以聚乙烯最多（70％），聚丙烯次之（10％），聚苯乙烯再次之（9％）。據環保署「七十四年台灣地區垃圾採樣分析結果彙編」報告資料，台灣地區垃圾成分以廚餘類居首（32.7％），廢紙類次之（19.6％），廢塑膠占16.0％，其中廢塑膠所占比率比美、日、歐等先進國家高出二倍以上。很明顯的，國內廢塑膠對環境可能造成的衝擊要比國外嚴重得多。國內廢塑膠成分亦以聚乙烯最多（65％），聚丙烯次之（11％），聚氯乙烯第三（9％）。

垃圾處理是個全球性的問題，尤其工業先進國家莫不隨時探討關於垃圾安全及有效的處置方式。一般相信垃圾問題並沒有快速解決之道，而必須採行一套完整、平衡的廢棄物處理體系。通常包括下列四種基本技術：一、來源減量（source reduction）；二、回收（recycling）；三、焚化回收能源（waste-to-energy incineration）；四、掩埋（landfilling）。

台灣地區七十七年度垃圾處理方式，以掩埋91％占絕大多數，焚化僅占1.5％。惟國內目前正積極籌建大型垃圾焚化爐，預計八十五年垃圾焚化處理率將達50％以上。鑑於未來台灣地區垃圾處理工作將逐漸以焚化方式為主，掩埋為輔，為因應未來生活水準提高的需求，以及掩埋用地取得日益困難的實際情況，勢必將垃圾預先處理，使其安全化、穩定化、減量化後，再作最終的掩埋處置。

為什麼亟需研發可分解塑膠？

發展可分解塑膠的時代背景及原動力有下列數端：

一、塑膠大量使用，環境污染嚴重：塑膠材料因具備輕巧、質佳、價廉等優點而廣為利用。目前美國食品包裝市場約16％是塑膠，據推估，此比率到2000年將高達50％。國內塑膠製品如寶特瓶（PET材質）、保麗龍免洗餐具（PS）及塑膠袋（PE）等因大量使用，塑膠廢棄物早已泛濫成災，造成河川堵塞等嚴重環境污染問題。

二、掩埋用地取得困難：美國從1979∼1986年，供垃圾處置的掩埋場數減少了50％。許多掩埋場因無法達到政府訂定的衛生標準而被迫關閉，另外，環保意識的提升及社區民意的抗爭，而導致新掩埋用地的取得難上加難。雖然廢塑膠在世界各國都市垃圾所占的比率通常不及10％，但因其體積龐大、難分解、不腐化，造成了環境困擾。

三、保護野生動物：塑膠廢棄物的增加已侵害到野生動物的生活環境。許多陸地、海中動物包括鳥類等誤食塑膠廢棄物或被困於廢塑膠魚網而喪生。

四、非分解性塑膠的使用已逐漸受到限制：可分解塑膠目前以美國較為盛行。美國某些州、郡、市訂定或研擬相關法令，以鼓勵分解性塑膠的使用。現有11州立法規定六罐裝繫圈的材質須具分解性，其他州亦考慮跟進。加州柏克萊在1990年後，將禁用非分解性的速食包裝材料。

主張使用分解性塑膠的人認為，「光分解」有助於解決隨地拋棄的廢塑膠造成的污染問題，而「生物分解」則有助於掩埋的垃圾提早腐化、增加掩埋空間、延長掩埋場的使用壽命。目前可腐化的垃圾，因受不可腐化的塑膠袋包覆而不易分解。

塑膠分解的機制

所謂分解性塑膠，是指塑膠材質（即高分子的化學結構或組成），透過特殊設計或調配，可經由某種機制而在暴露的環境中分解。分解機制可能是物理壓力、化學反應、光化學作用或生物分解等。在分解過程中，塑膠的理化特性逐漸轉弱而變脆，並經過風吹雨打等自然力量，使製品分裂瓦解成微小碎片，混入土壤中，再經由水解、溶解或微生物分解成簡單分子而消失無形。

雖然發展分解性塑膠的技術不成問題，但製造成本過高及未知分解產物對環境的影響等因素，因而限制了技術的發展與推廣。

分解性塑膠的分解速率常因所暴露的環境不同而異，例如地上、水中或掩埋場內。分解機制亦因用途及高分子種類不同而大異其趣，光分解適用於可能被隨手拋棄在路旁的塑膠產品，而生物分解則適於掩埋場的環境。

最常應用於包裝的高分子材質，包括低密度聚乙烯（LDPE）、高密度聚乙烯（HDPE）、聚丙烯（PP）、聚苯乙烯（PS）、聚對苯二甲酸乙二醇酯（PET，即寶特瓶原料）和聚氯乙烯（PVC）等，都可經由特殊設計而具分解性。

生物分解

生物分解（biodegradation）是藉生物的活動作用而使物質分解。通常是經由微生物如細菌、黴菌、放線菌等所分泌的酵素將物質分解消化。

生物分解將受到下列數種因素的影響：

（一）環境狀況：空氣、溫度、濕度、酸鹼度以及是否有無機鹽的存在等；

（二）微生物的存在和種類；

（三）原料分子量：分子量愈大愈不容易分解；

（四）原料種類：分解速率因高分子種類而異；

（五）可分解性添加物的含量；

（六）塑膠製品的物理現狀如厚度及表面積等。

製造可生物分解塑膠有二種方法：第一種是在不可分解的塑膠材質中摻添可生物分解物；第二種是製造本身容易遭受酵素分解的高分子。

添加物法

此法是在如聚乙烯等不分解的合成高分子中，添加一種可分解的天然高分子如澱粉，通常還需要催促劑（accelerators）以加速分解作用。

最具代表性的產品是，加拿大的聖勞倫斯澱粉公司製造的Ecostar濃縮物（masterbatch）。製造方法是將澱粉經過特殊處理，使其原本親水性的表面轉變成厭水性。處理過的澱粉乾燥到含水量低於1％（一般澱粉含10∼12％的水分）。除了澱粉外，Ecostar亦含有脂肪酸或其他自氧化劑（autoxidant）。

Ecostar的分解機制有二：首先澱粉顆粒被微生物分解消耗，使高分子基質的組織變成多孔性，導致塑膠製品的物性弱化和表面積增加；另一分解機制是脂肪或脂肪酸等自氧化物與土壤或水中的金屬鹽類接觸反應，產生了過氧化物。高分子鏈蒙受過氧化物的攻擊而斷裂。後者分解機制的效率與塑膠的表面積成正比，因此，兩種分解機制乃是相輔相成的。

高分子鏈的斷裂不僅弱化了物理特性，並且將高分子裁剪成小分子，而終被微生物所消耗。由於生物分解的過程純粹是種生物活動，因此分解的最後產物是水和二氧化碳。

生物高分子

生物高分子（biopolymers）通常是微生物所產生的天然塑膠。英國皇家化學工業（ICI）已成功發展出可以完全分解的生物高分子，名叫Biopol，其化學結構是聚羥基丁酸（polyhydroxybutyrate or PHB）或與戊酸共聚物[poly（hydroxybutyrat-co-hydroxyvalerate）or PHBV〕。PHB和PHBV都是某些細菌的儲存能源，如同植物的澱粉或動物的脂肪一樣。當細菌需要能量時，本身的酵素會將PHB或PHBV分解而釋放出熱能。同樣的酵素普遍存在於土壤中。

PHB或PHBV都是熱塑性聚酯（thermoplastic polyesters）。目前ICI是利用一種名叫Alcaligenes eutrophus的細菌，採工業發酵方式將葡萄糖轉化成高分子。氨和無機鹽是發酵所必須添加的營養成分。發酵槽中的細菌，當其菌體含有高達80％的高分子時，即將菌體打破而收集產品。

PHB是種結晶性聚合體，其物理性質與聚丙烯類似。Biopol的特徵是具有快速分解性，例如一張PHBV薄膜，在無氧污水處理場中10天左右即可分解；PHBV瓶在掩埋場中一年後分解成水和一氧化碳。分解速率直接受到塑膠製品的表面積、酵素活性及溫度的影響。Biopol在空氣中非常穩定，適用於包裝材料。目前售價頗高，美金15元一磅，預測未來大量生產後，價格可望大幅降低。

聚己內酯（polycaprolactone）是美國永備公司所生產的塑膠材質，物化性質與PHB類似，惟其分解速率可能比較緩慢，因為高分子中酯官能基的濃度較低。目前市價約每磅美金二元，必須降價到一元以下有大量推廣的可能。

光分解

光分解（photodegradation）是利用太陽光中紫外輻射的能量而使物質分解。科學家對光分解作用已有相當的了解。塑膠加工業者已充分利用紫外光安定劑，以防止戶外分解的現象。然而要賦予塑膠具備光分解性，並非不添加安定劑即可達成；另外，如何控制光分解速率才是關鍵問題。

高分子對波長在290∼320nm間的紫外光特別敏感，此範圍內的紫外光具有足夠的能量可斷裂高分子中的碳氫鍵。光分解作用，可經由光氧化（photooxidation）和酮光解（ketone photolysis）達成。光氧化包括開始、增殖和終止。而酮光解透過Norrish反應，包括Ⅰ型和Ⅱ型（見圖）。基本上，光分解是可引起高分子鏈斷裂的一種連鎖反應，這種「自我加速的反應」導致高分子的分子量急遽減少，而喪失了固有的特性。

光分解技術可由下列數種體系達成：

抗氧化劑／光活化劑

美國Plastigone技術公司發展的LitterLess體系，證實光分解是可以控制的，例如農業鋪蓋膠膜在農作期間可維持正常的功能，而當農作物採收完成後，能透過化學反應迅速分解。

此一專利技術的原理是：某些含鐵和銅的化合物，經過一段時間的抗氧化和光穩定化行為後，變成高活性感光劑。當這些化合物解離後，金屬離子存在於高分子間質中，充當光分解反應的起發劑。LitterLess產品是以濃縮物方式添加於膠膜製造過程中。

酮羰體系

另一專利的光分解技術是Enviromer企業公司所發展出的Ecolyte濃縮物。Ecolyte是乙烯、苯乙烯或其他單體，與少量含酮共聚單體的共聚物。分布在高分子長鏈中的羰基是有效的感光劑，當塑膠產品暴露於陽光時，具感光性的羰基吸收紫外光，而導致高分子分解。在分解過程中，分子量逐漸減小，小到可被微生物消化，所以最終產物是水和二氧化碳。

乙烯／一氧化碳體系：

由杜邦、陶氏化學（Dow Chemical）及永備等公司發展的乙烯／一氧化碳體系（E/CO）共聚物，主要應用於可分解的六罐裝繫圈包裝材質。此技術僅適用於低密度聚乙烯（LDPE），而非線型低密度聚乙烯（LLDPE）。

乙烯／一氧化碳共聚物的分解，是依Norrish Ⅱ型脂肪族酮光解反應進行。光分解的反應速率決定於下列諸多因素：地理位置、季節、天氣、曝光度等。

杜邦公司研究結果顯示，不管是否接受紫外光照射，乙烯／一氧化碳共聚物並無可生物分解的跡象。然而共聚物確可經由光解作用分裂成微小碎片，比較容易承受細菌等生物分解。

專有的濃縮產品

此類光分解技術利用含鐵化合物、苯酮（benzophenones）、鈦和鋯螯合物（chelates）等為感光劑。

Ampacet公司的產品PolyGradeⅠ濃縮物，包含專用的感光劑。此添加物可像色素一樣處理，且僅需傳統的加工機器設備，唯一要注意的是混合均勻，以達最佳效果。主要應用於塑膠袋和農業鋪蓋膜。

另一專有的產品是紐澤西州Princeton Polymer Laboratory開發的。此技術已證實可適用於聚乙烯、聚丙烯、聚苯乙烯等塑膠材質。該產品獨到之處是含有二類不同的化學物：一種光活性物質，如苯酮；另一種是氧化促進劑（prooxidant），通常是過渡金屬鹽類如硬脂酸鋯或乙酸鎳。

一般而言，光分解塑膠的生產價格低於生物分解塑膠。與傳統不分解的塑膠比較，光分解塑膠貴2∼5％，而生物分解卻貴8∼15％。

然而，光分解塑膠亦面臨了二個技術上的問題：第一是必須暴露於陽光始能分解，假如塑膠製品給掩埋了或沈在水底，光分解將不會發生；第二是賦予感光性的添加物通常有毒，塑膠分解後可能危害環境。然而光分解塑膠的優點是產品的性質無異於不具分解性的產品，也就是塑膠的物性不因擁有此特性而改變。另外，光分解塑膠廢棄物可回收再加工利用。

生物分解塑膠價格較昂，造成生物分解的澱粉添加量要比光分解的添加量大得多，且受制於加工技術，溫度不能超過230℃，否則澱粉將被「煮熟」。澱粉顆粒的大小差異甚大：米粉3∼5μm，玉米粉15∼22μm，馬鈴薯粉50∼80μm，此將影響膠膜最薄度及均勻品質。因澱粉的吸水性很強，降低了生物分解塑膠回收再生的可行性。

水解

塑膠高分子可藉由水解（hydrolysis）反應而具溶解性，通常這類高分子都含有易水解的官能基如酯基。

高分子的水解可從表面或內部開始。表面浸蝕的高分子擁有維持物質特性的優點，因為分解作用只發生於外表，這類高分子如聚酸酐（polyanhydrides）和聚原酸酯（polyorthoesters）是厭水性的。由於價格高昂，僅適於醫藥方面應用的研究發展。

美國阿岡國家實驗室的科學家發現，馬鈴薯廢棄物可經由微生物發酵作用產生葡萄糖，再經酵素轉化成乳酸，乳酸可藉聚合反應形成聚乳酸酯（polylactate）。當此高分子暴露於含水的環境時，即起水解反應生成乳酸單體，不但不會造成環境污染，反而有肥沃土壤的功效。

此類分解性塑膠材質最適用於加工製造農業鋪蓋薄膜、垃圾袋、紙尿片等產品。一般農田用於水土保持及防止雜草叢生的膠膜，是以聚乙烯為主，當作物採收完成後，農夫必須將膠膜從田中收回，頗費周章。聚乳酸塑膠膜可透過精密的科學設計，在收穫季節後自動腐化分解，可節省農民不少勞力。

國內澱粉廢棄物如蕃薯、樹薯、馬鈴薯、玉米等，以及製糖副產物如廢糖蜜等產量頗豐，這些有機廢棄物都是發酵生產乳酸的上好原料。如果能夠系統化收集處理，不僅可大量減少農產品廢棄物，更可用於製造對環境有益無害的塑膠產品。

增加溶解性

高分子具溶解性是因有水溶性的主鏈，或形成水溶性的支鏈。從化學的觀點來說，溶解並非分解，所以可溶性物質只是物理形態的改變，而不是真正具分解性。溶解性有時可藉調整水溶液的酸鹼度而增加。瑞士的Belland公司已發展出多種丙烯酸／丙烯酸酯（acrylic/acrylate）共聚物，可在特定的酸度下溶解，另外，含有多數酸性或鹼性支鏈的高分子，可改變水溶液的pH值，而達到控制溶解度的效果。

應用潛力

分解性塑膠的利用，將因結合強制規定某些材質必須具備分解性而普遍化。分解性材質必須符合傳統產品在設計、加工及安全方面所要求的標準。另外，分解性塑膠通常在用完後必須與不可分解的傳統塑膠分開處理，針對這項問題的新技術正在研究發展中。譬如有些塑膠經由化學作用而分解，仍保持固有的化學結構，科學家正在探討這類塑膠，是否可用於連接不同材質的塑膠。這些連接層（tielayers）塑膠可透過特定化學試劑而分解，達到了分別回收的目的。此一技術仍有許多問題尚未解決。

分解性塑膠到目前為止並未廣泛使用。惟在下列五項目標明顯的領域中卻頗具潛力，茲分述於後：

一、垃圾袋

通常送進掩埋場掩埋。由於一般塑膠袋不分解，而使包容於內的垃圾亦無法分解。分解性垃圾袋將使這問題迎刃而解。掩埋場中幽暗及潮濕的土壤，正好提供了造成微生物分解所需酵素的最佳環境。可分解垃圾袋的製造技術以添加澱粉居多；光分解垃圾袋也有，但在掩埋場中的用途不大。

美國市場上已有多種廠牌的可分解垃圾袋問世，雖然製造成本較高，為了鼓勵民眾使用，售價卻比一般不分解的垃圾袋便宜（約便宜10％）。然而銷售情況並不理想，顯然大眾仍偏好知名度高的產品，分解性垃圾袋在環保方面的教育宣導仍有待加強。日本最大的超級市場大榮公司，亦於最近推出了可光分解的購物袋和垃圾袋。

二、六罐裝繫圈

廣用於飲料市場。用過丟棄的塑膠繫圈不僅污染環境，亦對野生動物及水中生物造成嚴重的傷害，因此美國目前已有17個州立法規定六罐裝繫圈材質必須可分解。

可光分解的六罐裝繫圈已開始上市，例如美國伊利諾工具工廠的產品在暴露於充分陽光下時，一週內開始分解。大多數六罐裝繫圈因消費者隨便丟棄而有機會暴露陽光，分解性繫圈的立法通常規定被丟棄的這些垃圾，必須在六個月（180天）轉變成無法辨認。

三、個人衛生用品

包括可生物分解的尿片和衛生棉，目前已有多種產品在市場上供消費者選用。美國American Enviro Products, INC.在加州推銷的分解性尿片Bunnies，其材質含有6％澱粉的聚乙烯膠膜。在加拿大的Dafoe ＆ Dafoe公司已於1988年供應可生物分解尿片，並於1990年春季公開推售分解性衛生棉，其材質是添加澱粉的聚丙烯膠膜。Dafoe ＆ Dafoe公司已積極開發一種可沖水處置的溶解性尿片，於1990年底上市。

美國嬰兒每年消耗了180億片免洗尿片，相當於400萬噸的垃圾，雖僅占了掩埋場中所有垃圾量的2％，但由於其功能單一，目標顯著，且市場龐大，成為分解性塑膠業者競相爭食的大餅。

四、農業鋪蓋物

主要用於保護農作物種子及幼苗，避免雜草、蟲害及惡劣天氣的侵襲，並可防止水分過量蒸發。

已商品化的分解性農業鋪蓋物包括Ampacet和Ideamasters二家公司生產的光分解鋪蓋物，AgriTech則供應生物分解性產品。瑞士的Belland公司已發展出包紮植物根部等園藝用膠膜，當此包紮膠膜接觸肥料溶液時即會逐漸溶解。另外，目前尚在研究發展的有遇水即起水解作用的聚乳酸酯。

分解性農業鋪蓋膠膜市場的占有率仍嫌偏低。美國農業用塑膠覆蓋膜每年的市場是7900萬美元，分解性產品不及十分之一，其價格比非分解性鋪蓋膜每一英畝貴35美元，要比利用勞工移除非分解性產品便宜許多，因此，價格並非阻礙因素，而是新的分解性產品有待大力推廣和促銷。

五、肥料或殺蟲劑的膠囊

以微粒方式撒播於作物間。此種微細塑膠球可以確保均勻分布及活性成分的長期釋放，在生長季節中以生物分解途徑進入土壤。此類技術多半仍停留在實驗室內的研發階段，高成本可能阻止產品商業化。

有些肥料配方，例如尿素甲醛發泡物是以尿素為主要成分的微生物分解性體系。許多材質包括木質素、澱粉、xanthan gum及聚己內酯等，科學家正以之當做探討分解性膠囊的研究對象。有些添加物如水溶性樹脂，可用於改變釋放速率。

美國食品藥物管理局（FDA），迄今還未許可分解性塑膠為食品包裝材質，雖然有數家廠商已提出申請，除非有關單位能證明分解性塑膠符合食品衛生的安全要求，否則在食品包裝方面的應用將非常有限。

尚待解決的問題

可分解塑膠存有許多技術性的問題尚未解決，例如：

一、品質標準的建立：分解性塑膠的檢驗方法及產品品質的確定標準都有待研訂。

二、價格高昂：具分解性的PHBV售價每磅高達15美元，除了高價位如醫藥方面的應用外，其他市場不大。可分解塑膠垃圾袋的售價亦比普通不分解的高昂，消費者購買意願不高。

三、對環境的影響仍然未知：塑膠分解過程可能產生的中間產物、最終產物和釋放出的添加物，其毒性及對環境可能造成的衝擊，都有待評估。

四、造成掩埋場的不穩定：塑膠由於逐漸分解消失，體積縮小，可能造成掩埋場的下陷，甚至崩塌，因此分解性塑膠可能不受掩埋場的歡迎。

五、過早分解：分解性塑膠的潛在困擾是會有提前分解的可能。如果垃圾袋還沒用就已分解破裂，將嚴重破壞其商業價值並造成消費者莫大的困擾。

六、分解速率因環境而異：由於環境因素錯綜複雜，變化多端，因此分解的效率很難預估。

七、妨礙回收：在塑膠回收過程中，分解性產品必須分開處理，否則與不分解塑膠混合時，可能影響再生塑膠的固有特質，而降低其利用價值。

八、助長隨地拋棄的習慣：一般民眾可能以為既然塑膠會自動分解腐化，何必麻煩將塑膠廢棄物放在垃圾桶，反而間接鼓勵亂拋垃圾的惡習。如此一來，將與當初發展分解性塑膠的目的背道而馳。

未來展望

發展分解性塑膠有其特殊的背景因素，主要是為了幫助解決美國中西部農業州玉米產量過剩的問題。某些農業利益團體及國會議員，主張在塑膠製造過程中添加玉米粉，所生產的分解性塑膠不僅有助於玉米的銷售，更可解決塑膠廢棄物造成的環境污染，某些州、郡、市明訂相關法案，以鼓勵可分解塑膠的推廣。然而，在分解性定義未明，品質標準未定，分解產物對環境影響尚未評估之前，如果冒然立法限制不可分解塑膠的使用，不但過於草率，且有失公平。

因此，美國環境保護署（EPA）及國會技術評估室（OTA），並不公開推薦分解性塑膠為解決廢棄物的有效方法，可是在某些特定應用領域，如前述的垃圾袋、六罐繫圈、免洗尿片及農業鋪蓋膜等，卻具有可觀的發展潛力與市場。

梁永芳任職於環保署環境檢驗所

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