【高鼎研发中心】"零污染”环保合成革解决方案

2016-01-04
本篇由高鼎集团研发中心侯文棋博士撰写,以“零污染”环保合成革为主题,提供合成革完整创新因应对策,提供强势的【TPU压延环保合成革】之材料讯息,并针对接着与面层需求提供水性胶之全套解决方案,可无缝转换应用于鞋材、箱包袋材、家具革、汽车革…等产业。

壹、前言

人造合成革的发展已经超过半个世纪,从第一代的PVC人造革到第二代的PU合成革及后来发展第三代的超细纤维合成革,因为材料便宜耐用,广泛受到采用,取代天然皮革,全世界每年生产近10亿平方米合成革,也因此造成大量的环境污染。

一、PVC人造革

PVC革由于含有对人体伤害较大的化学成分(特别是塑化剂等),VOC含量较高,应用于箱包、鞋、球、汽车革等领域。PVC为聚氯乙烯(polyvinylchloride)之简称,其结构上含有大量的氯,因材料稳定及加工技术成熟,广泛应用于人造革上,但其存在许多缺点,包括分解不易,燃烧过程会产生氯化氢或氯气等产物,都属于高危险毒化气体,对环境及人体有严重危害。更严重的是有机物质在含氯环境下燃烧,会产生戴奥辛(Dioxin),易累积在人体脂肪内,已证实会引起白血病及癌症,世界各国已立法减少PVC用量。PVC生产过程需添加大量塑化剂(Plasticizer),市场上泛用可塑剂以DEHP为主,由于PVC的滥用,DEHP也因此充斥在生活环境中。随时间及温度影响,塑化剂会迁移到产品表面,消费者容易误食。塑化剂是一种环境荷尔蒙,人体吸收容易造成肝脏伤害、引发癌症,欧盟已对多种塑化剂订定最高容许值。欧盟于2015年6月4日正式公告RoHS指令 (2011/65/EU) 禁用物质清单(Annex II)新增下列四项邻苯二甲酸酯类塑化剂:(1)邻苯二甲酸二(2-乙基己基)酯(DEHP) (2)邻苯二甲酸丁酯苯甲酯 (BBP) (3)邻苯二甲酸二丁酯(DBP) (4)邻苯二甲酸二异丁酯(DIBP),如此将大幅限缩销往欧盟的产品项,欧盟成员国必须在2016年12月31日前将其转化为国家法令,执行日期为2019年7月22日。近年来在环保政策的驱使下,制程及产品质量未达环保标准的企业正在逐步关停,大陆地区已有许多关厂案件被报导,伴随新材料和新工艺的发展,合成革市场竞争日趋激烈,生产工艺落后厂商将逐步被淘汰。

二、PU合成革
PU合成革发源于上世纪40年代聚氨酯材料大规模应用后,具有光泽柔和、手感柔软、真皮感强、耐寒性能好等优点,广泛应用于服装、家具和中高档鞋领域。

PU湿式合成革生产过程会使用大量挥发性有机化合物(Volatile Organic Compounds, VOC),尤其以DMF(二甲基甲酰胺,N, N-Dimethylformamide)为主,有数据统计生产1万米的PU合成革,其DMF需使用8.4吨,将产生严重污染问题,长期接触,会产生肝硬化等疾病。如工厂回收处理设备不良,易将有毒溶剂排出,造成水质污染。

有中国合成皮革之都美誉的温州市及附近丽水市,龙湾区等地,近年聚集大量皮革厂于此地,皆饱受VOC污染之苦,相关单位透过立法及引导产业升级,希望降低环境中DMF含量。

以「湿法」生产的PU合成革,其原理是利用DMF与水的混溶特性,将含DMF的PU涂层置入水中,DMF会与水发生互换,树脂内DMF含量降低,置换过程会产生许多微孔并使PU树脂凝固,可得到手感柔软之PU合成皮革。此生产工艺已经非常成熟,但存在数个缺点及环境污染问题待克服:
1.因大量使用DMF,工厂车间VOC浓度高,工人健康受到影响,排出厂房会造成空气污染。
2.会产出大量含DMF废水,如处理设备不够精良,排放到环境中会造成水质污染。
3.因DMF与水是靠互相扩散来置换,需靠后续水洗及烘干程序除掉残余DMF。实务上许多PU合成革成品仍有少量DMF,挥发后对人体会造成危害。
4.欧盟已开始规范PU合成革中之DMF含量,一般产品以小于100ppm为标准,有些产品或国家会要求在30ppm以下,以目前湿式PU合成革生产工艺,要达到100ppm以下浓度是相当困难,造成许多工厂产品无法出口或通过检验。

2014年2月ECHA向欧盟提交将DMF等5个高度关注物质(SVHC)纳入REACH第5次新增项目中,因为DMF被认定对于生殖系统具有毒性,这大幅限制了传统湿式PU合成皮革的发展,根据美国职业安全卫生署(Occupational Safety and Health Administration, OSHA) 对DMF 于作业环境空气中八小时日时量平均容许浓度(Permissible Exposure Limits, PELs)值为10 ppm,根据台湾及韩国的学术机构研究,在湿式合成革厂中,有超过三成的工人体内DMF含量是超过法令规范,对于劳工安全造成非常大的威胁。

三、超细纤维合成革

超细纤维合成革,简称"超纤革",因物性优良,手感接近真皮,被定义为高档合成皮革,但生产过程仍需要使用含DMF溶剂之PU树酯,进行入水凝固置换,制程仍无法排除环境污染及高额废水处理费用。

四、小结  

当前国内外市场竞争激烈,企业生产经营成本不断上升。相关数据表示,合成革产量增长速度从2011年的9.57%下降到2014年的2.58%,出口年增率也持续下降。受此影响,不少企业生产经营困难,已有约20%左右厂房处于停产状态。在合成革低迷的大环境下,如何转型为环保合成革供货商成为当前革厂严峻的课题,许多国家级研究机构级政府单位已投入大笔资金研究环保合成革,包括水性发泡革,二液型灌注合成革,TPO革等,但这些环保解决方案仍存在生产良率差,产品价格高,物性不佳等缺点,迟迟未大量推广于市场上。

贰、高鼎精密材料环保合成革完整解决方案

高鼎精密材料以环境友善材料供货商的角色出发,致力发展完整环境友善合成皮革解决方案,在发泡Base层方面,经过多年研发,成功发表压延级TPU发泡合成革。于基布及干法转贴面层部分,开发出水性接着PU胶,另外也提供水性PU面层材料,可提供良好的耐刮耐磨特性,以下将分别进行介绍:


一、环保TPU压延合成革介绍

高鼎精密材料TPU全系列产品通过国际公证单位检验,符合欧盟REACH SVHC标准及其他数十项的限用物质检测标准(重金属、卤素、有机锡等),并针对不同皮革产品应用类别,设计多种产品规格,分为阻燃耐水解配方,具优异耐水解特性,可承受8周的恒温恒湿测试,皮革表面不会龟裂,此产品所生产的皮革,也可通过阻燃测试(FMVSS 302),可应用于汽车、轮船、家具等需要阻燃要求之高端产品。另有经济型产品,可符合一般水平之水解需求,适用于价格竞争型产品,如服饰、箱包、家具、鞋材等,产品特点柔软、可发泡、加工温度低等。

高鼎精密材料推出环境友善绿色材料─采用压延工艺生产之TPU合成革,完全解决传统PVC人造革/PU合成革的环境污染问题与缺点。TPU压延合成革具有以下五个优势:

1. 环境友善材料
合成革需求量大,产生的废弃物也多,大部分产品与人体有接触,因此在合成革的发展上,往环境友善及无毒材料发展将是重要趋势。TPU(热可塑聚氨酯,Thermoplastic Polyurethane)具有物性佳,生物可分解,无毒及无塑化剂等优点,是取代PVC的选项,以TPU生产合成革一直是皮革厂力求开发的重点项目。

2.制程友善且合格率高
使用压延工艺生产TPU合成革,将无溶剂污染问题,以TPU原材料搭配适量发泡剂进行生产,因其制程环保,产品中无DMF残留,能有效解决VOC排放问题,并可直接取代现有合成革产品,解决当下企业所面临的环保困境。TPU为热可塑材料,生产过程之原料皆可适度回收,目前压延工艺已非常成熟,整体生产稳定性及良率已接近PVC加工,可明显降低环保皮革生产成本。


图1: TPU压延合成革可应用于家具沙发,汽车座椅及内饰
TPU synthetic leather applicable for furnishing sofa, car seat leather
 

图2:TPU压延合成革可应用于运动用品,鞋材
TPU synthetic leather applicable for sporting goods, footwear materials

3.不必重复投资  可沿用现有压延设备
高鼎精密材料推出的压延级TPU系列产品,可直接使用于现有生产PVC人造革之压延设备厂,不需重复投资生产设备,本系列TPU产品已克服传统TPU常出现熔点高、扭力大与黏辊等问题,并已通过多家厂商验证,拥有压延设备皮革厂可用低成本进行产品线升级,转型为无毒环保皮革供货商,免除被市场淘汰之命运。压延机的操作加工温度低,优点为对材料物性破坏小,但如配方设计不当,在压延机上会造成扭力过大或黏辊问题,目前PVC压延机常用操作温度在135℃~175℃之间,高鼎精密材料TPU压延产品透过配方研究,以相似的加工条件即可使用并可搭配热压及真空吸纹技术进行生产。


4.可替代PVC人造革/PU合成革
TPU压延合成革生产技术与PVC人造革相同,同样可进行混炼、压延、贴合、发泡、压花及收卷等制程,可直接替代PVC原料,生产符合客户需要的TPU合成革。因TPU合成革为干式生产技术,无溶剂残留,是取代PU合成革的产品。
 

图3:TPU压延合成革可应用于箱包,饰品
TPU synthetic leather applicable for suitcases, accessories

5.转型升级,提升品牌价值
品牌企业如使用先进环保材料进行产品开发,可提升品牌形象,增加消费者对品牌的认同度。使用TPU压延合成革于高端产品上,可标榜使用TPU压延合成革不会对环境造成危害,这在许多高端产品或先进国家是重要宣传点。科技进步除了提升产品性能,更重要的是创造永续的地球环境。消费者使用TPU压延合成革不需担心有毒溶剂残留问题,对于产品层次提升有很大帮助。环境气候变迁所产生问题已成为中国与全球各地关注的议题,多数国家对进口产品不断提高环保规范或课征碳关税,未来世界各国的「绿色条件」将更趋严格,企业如不改变将会造成不同层次的冲击,是「危机」也是「转机」,压延环保合成革生产工艺,将让你转变成环境友善发展企业,带领企业朝向绿色环保新次元。
 

二、水性胶水

 
图4:全环保合成革结构图
Environmental structure of synthetic leather


如上图所示,全环保合成皮革除了TPU发泡Base层外,另有接着层及面层需求,如使用传统溶剂型PU胶水进行贴合或表面处理,虽可避开湿法BASE层溶剂残留问题,但是制程仍未达全环保要求,高鼎精密材料以水性PU解决方案提供客户全方位处理对策,水性PU胶水以水当作溶剂,因此在环保、经济与安全的考量上,更是符合未來需要的趋势,涂布烘干只会蒸发水气,没有VOC挥发问题,是取代溶剂型PU胶水的品项,如图中接着部分,我们的水性材料可提供基布或面层与发泡层间良好接着力。水性面层材料则可搭配架桥剂后获得优异的耐磨及耐水解特性,耐曲折可超过10万次标准。水性PU可搭配传统滚涂或刀涂设备即可上胶,无需添购新设备,欢迎各方有志人士洽询WD系列材料。


图5:水性面层皮革
Synthetic leather of skin layer for Waterborne PU
 
参、结论

从成立至今,高鼎精密材料始终朝向「成为环境友善材料的开拓者」之理念努力,因此推出压延环保合成革全系列解决方案,包括TPU压延合成革、水性胶水等,藉由采用环保的制程与材料,解决溶剂与VOC等污染问题,并可减少对操作人员之危害与设备转换成本,同时也能提升企业的品牌价值。目前全球环保意识崛起,相关议题不断涌现、多数国家对于环保规范与政策也日趋严格(例如欧盟),将使未来的产业发展朝向"绿色环保"迈进,让我们使用高鼎集团所提供之“零污染”环保合成革相关产品,携手共创永续的环境!
 

高鼎集团1988年成立,于2015年正式更名为『高鼎精密材料股份有限公司(Coating P. Materials Co., Ltd.)』,深耕聚氨酯(Polyurethane)行业,专业生产TPU胶粒、PU树脂/PU接着剂等环保材料,各系列产品广泛应用于食衣住行育乐各种日常生活用品,从食品包装、功能性纺织加工、家(厨)俱建材加工、汽车零件组装、运动用品材料、电线电缆至医疗材料应用等。高鼎一直是客户的忠实伙伴,除了为国际知名品牌企业提供环境友善的化学材料,并以专业技术支持与共同开发的模式协助客户品牌企业,提升产品品牌与企业价值。我们的产品发展与社会责任和环境友善相结合,透过不断研究发展与创新,协助我们的客户满足当前及未来市场对环境友善材料的需求。

以上文章刊登于《人造革合成革信息》杂志1月刊,高鼎精密始终以开发环保产品为己任,在研发环保材料上不遗余力,同时亦因应全球环保趋势,目前已成功开发TPU压延产品,并且有显著成果,可广泛应用于合成皮革类相关制品、各类生活用品与家居品项,未来高鼎将秉持着同样的信念,努力研发更优质的产品,以满足广大客户与产业的期待!
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