台湾工研院推出创新聚酯弹性体材料,使运动鞋实现100%可回收

天皓新材

台湾工研院推出创新聚酯弹性体材料,使运动鞋实现100%可回收
全球运动鞋年销40亿双,产生150万吨的鞋废料,逾7成无法回收再利用.台湾工研院研发出全球首创“全循环单一聚酯材料低碳鞋”技术,以创新聚酯弹性体材料“rTPEE-G”,结合中大底一体化射出成型、鞋面一体化编织技术与回收再制性验证,让最难以回收的中底与大底以及整双鞋,得以循环再利用.

随着人们的健康意识提升,运动鞋销量大好,带动每年高达800亿美元的产值.庞大产值的背后,运动鞋产生的废料也相当可观.鞋面材质虽然较易回收,但中底与大底大多采用以交联过程所制得的乙烯-醋酸乙烯酯共聚物(EVA)发泡体与橡胶材料,虽然目前已有可回收的热塑性聚氨酯(TPU)中底发泡材料,但由于中、大底使用胶粘剂牢牢粘合,分离不易,更增加回收难度.

根据运动品牌大厂Nike调查,大多数的鞋废料仅能以焚烧处理,因此每双鞋由制造到最后废弃的平均碳排放量高达13.6kgCO2e(公斤二氧化碳当量),年复一年的累积,成为环境的致命伤.近年品牌鞋厂在可持续发展的浪潮下,积极寻求低碳排与可回收方案.台湾工研院也积极投入供应链的减碳创新.

台湾工研院长期耕耘材料聚合技术,从制衣、汽车零件到制鞋材料,对于上游聚酯单体的特性十分熟悉,凭借多年的材料专业,开发出“全循环单一聚酯材料低碳鞋”技术,其新材料具有高性能、可回收再制、采用再生与生物基原料、低碳等优点,其研发历程分为三大阶段.

工研院独家创新低碳聚酯弹性体

首先是新型弹性体材料成功开发.工研院运用宝特瓶回收片,以醇解技术获得PBT或PET寡聚物,辅以生物基原料如蓖麻油等,提炼单体(PTMEG、Bio-PO3G)再进行共聚反应,最后开发出高分子量的低碳聚酯材料“rTPEE-G”.接著,以rTPEE-G单一材料为基础,进一步开发出不同硬度与性能的聚酯材料,以满足全鞋不同部位的性能要求.例如制成纱线用于编织鞋面,配合编织结构设计使鞋面同时具有包覆性佳且弹性舒适的特点;足弓部分的平衡片则以高硬度rTPEE-G射出制成,具强大支撑力;中底采用超临界发泡技术,可兼顾高回弹、舒适与支撑;大底则透过混炼过程开发出高耐磨、高防滑的聚酯材料并配合射出加工制成.

一体化射出发泡过程进一步轻量化减碳

第二阶段是加工制程的创新,分为中大底及鞋面两大部分.工研院研发的无熔胶一体化射出成型发泡技术,以rTPEE-G制作中大底,将材料熔融后同时导入超临界CO2或氮气,并在射出的同时在模具内发泡形成特定中底形状;因采用CO2作为发泡剂,并未增加碳排,更加环保.与传统EVA的模压发泡过程相较,具有加工更快、精度更高、鞋体轻量化的优点,因此碳排量极低,估计每双鞋将可低于2kgCO2e,较全球运动鞋平均碳排量减少8成,比起当前全球碳排最低的鞋款还要减碳.

全鞋设计上则采用减法原则,透过简化设计以降低不必要的鞋重量,在鞋面部分,同样使用rTPEE-G制成的弹性纱线,并与保特瓶回收纱rPET配合一体成型编织技术,可调控不同的编织密度及强度,具有弹性与透气性.

第三阶段是废鞋回收再制技术.以上述两项创新制程为基础,工研院更进一步着手开发全鞋老化后的回收再制流程,完成循环经济的最后一里路.由创新材料rTPEE-G制成的全循环低碳鞋,因采用单一材料,老化后可直接回收破碎,重新加工制成鞋款、鞋部件或瑜珈垫等运动用品,近期可望制成本土特色的夹脚拖问市.

3项核心专利入手商业化进程在望

台湾工研院材料与化工研究所经理吴晋安坦言,研发过程曾遇到不少瓶颈,例如在上游材料的解聚过程即投入近一年的时间,须控制各种复杂的变因,包括解聚剂的选择及用量、反应触媒应採用何种系统及反应时间;另外,在共聚制程中单体的选择对于材料的黏弹特性变化,也花费大量时间探索.此外,一体成型的射出发泡过程,也曾遇到品质不稳定的挑战,必须一再尝试,确认材料流变性能与中、大底模具设计等,才能生成最适当的中底及大底.

如今克服万难,成功研发出“全循环单一聚酯材料低碳鞋”,并获得全球百大科技研发奖(R&D100Awards)入围的肯定,从材料、制鞋流程及回收应用,形成一个完整的循环,技术已趋于成熟,2022年更获得3项核心专利.未来将与鞋厂及供应链携手,推动商业化,无论是提供创新材料或成立自有品牌均大有可为.