塑化業升級，熱塑躍寵兒
新款複合材料可反覆加熱、改變形狀 兼具環保可回收優勢 助力業者邁向淨零永續
因應國際淨零趨勢，降低碳排放、減少廢棄物和可回收再利用的材料成為現階段的開發重點，可展現高性能的材料也是市場首選。碳纖維複合材料因其輕量和高強度的特點，在交通運輸、綠能、3C與運動器材等領域得到廣泛應用。
然而，傳統的「熱固」纖維材料就像烘烤餅乾一旦成型就難以再改變或回復，存在需低溫保存、製程時間長及難以回收等問題，而「熱塑」性複材就像巧克力，可以反覆加熱、改變形狀，因此促使各國開始發展更環保、可多樣加工成型且可回收的「熱塑」性複材。
目前全球大部分的熱塑碳纖維複材都掌握在國際大廠手中，歐、美、日等國更將其列為戰略管制材料，取得不易，台灣複材產業面臨挑戰。國內複材供應鏈業者欲切入熱塑性碳纖維複材領域發展，卻遇到不同產業瓶頸。塑膠、碳纖維原料業者因大紗束碳纖維不易展開、熱塑性高分子因為黏度高，不容易滲透進材料內部的技術問題，需透過「高含浸」加工技術讓樹脂完全滲透填充至碳纖維之間的微小空隙，如同海綿吸水的過程讓每個孔隙都充滿水，使材料變得非常堅固又輕便；複材加工業者則是缺乏量產高品質熱塑碳纖複材的核心技術及關鍵自動化加工設備問題；而產品設計及通路業者面臨高效生產與低耗能製程瓶頸。
在經濟部產業技術司補助下，塑膠中心聚焦高端碳纖維與熱塑複合材料關鍵技術研發及擴散產業應用，以協助國內複合材料產業創造新興價值鏈，帶動整體產業升級。
佈局關鍵領域之高值應用方面，Maximize Market Research指出，2023年全球熱塑性複合材料市值為258.9億美元，2030年將達到448.7億美元，主要是應用於航空、國防及電動車等商領域，近年來更因為輕量化設計掀起無人機、綠能（風電、氫能）的擴大應用。
為因應減碳需求，航空業在新型飛機上大量採用碳纖複材，以降低重量提高燃油效率及飛行性能，在低碳燃料或電動航空器尚未成熟階段，多採用減重方案，以達到減碳目的。
在軍事上，採用碳纖維的飛行載具所帶來的輕量化附加效益，有助提高機動性能。此外，熱塑複材不同於熱固複材料，可常溫儲存且成型時間短，有效減少製程能源消耗，如果搭配焊接技術還可減少上萬個五金扣件，整體結構件重量較金屬材質減重50%、較熱固複材減輕20%。此外，熱塑複材具更高的抗衝擊及抗疲勞性，並在其生命周期結束時，可回收再生應用於其他次結構零組件，或導入其他領域使用。
歐盟議會在2000年頒布歐盟廢棄車輛指令，明訂2015年後車商生產車輛的85%部件須回收利用，無疑帶動熱塑性纖維複材大量應用，例如：座椅框架、電池托盤、保險桿梁、車頂元件、閥蓋、操作面板及引擎下護蓋等。近年隨著混合動力車與電動汽車的發展，延長可行駛里程成為重點突破項目，一輛中型汽車使用17%碳纖維複材可減少30%重量，對於電動載具的電池可用里程具有著顯著貢獻。
風能、太陽能、氫能等潔淨再生能源是減碳的重要發展目標，應用碳纖維複材可提高再生能源儲備效率、抗候性。例如：近年氫能源發展所需的燃料電池、高壓氣瓶等儲存、運輸器具，導入碳纖複材較一般鋼材更具輕量、高強度、化學穩定及低熱膨脹表現，因而成為氫能運輸配備之材料，若採用可再生熱塑複材，則更具永續環保性能。
為帶動國內產業躍升自主角色，產業技術司協助塑膠中心建置「高含浸熱塑連續碳纖維製程技術」及「高端複材精密混成加工技術整合平台」，串聯國內上游大廠投入高階熱塑複材示範產線，建構高端熱塑複材新供應鏈體系，整合研發能量，協助導入高溫自動化熱塑複材加工成型製程，投入航太、國防與電輔車的輕量化精密零組件研發，接軌全球高階領域應用。
同時，產研合作開發熱裂解技術，回收廢棄熱固性複材的再生碳纖維，結合循環塑膠材料，開發全再生熱塑碳纖複材，引領產業投身綠色熱塑材料領域，與產業共榮共好。
（作者是張修誠；塑膠中心技術研究發展部經理）
航太國防業 卡位新應用
許多國家將航太和國防產業視為重要戰略目標，因此積極投入資源，建立自主供應鏈。熱塑性碳纖維複合材料在工業應用上表現卓越，具高尺寸穩定性、高強度、可反覆加熱冷卻成型、成型加工周期短等特性，成為航太國防產業重點研究的標的材料之一。
然而，由於熱塑碳纖維複合材料被各國視為戰略物資，採出口管制，台灣取得這些高階複材相對困難，產業發展受限，加上台灣加工業者缺乏量產高值複材的核心技術，使得國內熱塑型碳纖維的發展遇到瓶頸。
為突破高端熱塑碳纖複材的發展僵局，在經濟部產業技術司補助下，塑膠中心建置「高含浸熱塑連續碳纖維製程技術」，將碳纖維這種極細而強韌的材料，和塑料融合製成，具有質輕、堅固又可塑的特性，並打造「高端複材精密混成加工技術整合平台」，就像是一個「多功能加工站」，可以把不同的技術和製程整合在一起，讓複合材料的產品成型及組裝過程變得更高效，應用更多元，如同掌握優質的玉石也需具備良好的雕刻技術，方能成就完美的作品，從核心專利布局提供國內相關複材產業發展熱塑碳纖複材所需的完整解決方案，帶領整體供應鏈跨越轉型升級的鴻溝，打造高階熱塑碳纖複材產業鏈，強化國內關鍵材料及零組件的自主開發生產能量，擦亮國內熱塑型碳纖複材的招牌。
在技術司補助下，塑膠中心打造「高端熱塑連續碳纖維製程技術」，透過將碳纖維和「熱塑性塑料」完美結合，提供一種兼具輕量化、高強度與加工靈活性的複合材料，以推動國內建構高值熱塑複材應用生態體系為目標，打造台灣第一條高品質熱塑碳纖複材關鍵製程。
透過該製程技術，可以將上游原料廠開發高溫漿劑碳纖維紗束與高溫熱塑材料進行改質，有效解決碳纖維紗束不易展開且易斷裂、樹脂不易含浸等技術問題。同時也突破國外專利封鎖，成功開發「粉體流動化調控技術」，透過縮小粉體粒徑含浸於碳纖維之間，如同細砂可以流動滲入至更小的縫隙，降低能源損耗，提供較具彈性的材料選擇方案。若整合模組化設備，即可於編織布預浸料、長短纖複材製程等應用。
當碳纖維紗束均勻展紗，可精準控制單位面積纖維重量與樹脂含量，開發出媲美國際頂尖材料廠生產的熱塑碳纖複合預浸料，且自主開發價格僅國外進出口產品的十分之一，對於國內業者而言，即具導入優勢。
塑膠中心為了有效串聯國內資源優勢，通過三面向推動，強化國內產業於航太國防產業生態系的影響力。
首先是協助特用化學品大廠，創建國內第一條高品質熱塑碳纖複材試量產線，透過建置技術，降低國內業者開發技術成本，並帶動國內高值熱塑複材自主率由0％推升至70％，實現自主供應目標，晉升為國際頂尖複材供應商。
第二面向是整合產官研能量，成功協助國防部開發出新型輕量化軍用設備，達成技術落地之目標。最後則是整合碳纖維原料、特規化學品及航太業者，促成國內第一條航太零組件新價值鏈，協助航太業者建置高溫熱塑複材加工產線，開發航太精密零組件，銜接國際產業供應鏈。
為穩定扶植國內產業發展，全力推動國內高階熱塑複材應用生態體系發展，破除過往複材業者單打獨鬥方式，以更有效率的資源整合，實現國內航太國防產業自主供應的目標。
（作者是張修誠；塑膠中心技術研究發展部經理）
全再生複材 綠色新膠點
歐盟碳關稅的徵收促使國際產業加快投入綠色低碳的腳步。其中，再生碳纖維的導入，擴大回收塑膠再生料的應用，運用纖維補強的優勢，開發工業與運動相關產品，帶來產品高值效益。近年研發的「全再生熱塑碳纖複材」兼顧環保及經濟，有效降低製程碳排放量，成功取得政策支持與市場優勢，經濟部產業技術司也挹注資源，建構國內第一條再生碳纖維應用產業鏈，提供國內業者綠色低碳新「膠」點服務。
全再生熱塑碳纖維複材是一種環保材料，這是利用廢棄熱固性複材回收的碳纖維以及消費後回收的塑膠製作而成，這種材料既堅固又耐用，並且可以多次加工，有利於減少資源浪費，同時，與能夠替代或改善傳統材料的新料相比，再生碳纖維的碳排放量僅為新材料的30%，再生塑膠料的碳排約為新料的30%至40%，大幅降低產程中的耗能及碳排放，為現代工業提供一個可持續發展的材料選擇方案。
隨著市場「輕量」與「質感」的高性能產品需求的增加，碳纖維憑藉其優異的強度和輕量特性被廣泛應用，成為現代工業材料要角，但隨著碳纖複材用量逐年遽增，台灣複合材料產業預計會有約30％的碳纖維以廢料形式出現，這些高價值材料如果沒有獲得妥善處理，將對環境造成壓力。
在經濟部產業技術司補助下，塑膠中心透過科技專案將再生碳纖維從熱固性複材中分離出來，如同從舊的混凝土中挑出鋼筋，再次利用這些鋼筋去建造新的結構，將再生碳纖維滿足不同的加工製程需求，塑膠中心更進一步偕同供應鏈廠商，共同打造再生碳纖維應用聯盟，催生再生碳纖維高值產品，如高剛性的深海浮球、高強度的運動護具等，特別是結合消費後回收塑膠再生料，順應品牌商的綠色環保浪潮。未來，再生碳纖複材將在產品應用上扮演舉足輕重的角色，成為推動工業發展及環保的重要關鍵材料之一。
循環再製是實踐可持續加工性的關鍵，品牌商反映市場的環保要求，因此如何有效管理產程廢料成為工業生產的嚴峻挑戰，其中，傳統的熱固性複材一旦固化，就難以再改變或回復，便不易回收利用，造成環境壓力。而不須因固化而耗費大量時間及能量的熱塑性複材，在高溫下能再次熔融並成型，使加工更為靈活，就如同蠟燭在加熱後可以重新塑形一樣，不僅縮短生產周期，更降低能源消耗，製程中產生的邊角料及不良品，也可以通過加熱熔融後重新利用，解決材料浪費及廢棄物處理問題。
熱固性複材的「回收碳纖維」結合「消費後回收塑膠再生料」，以「全再生熱塑碳纖複材」面貌，提供更具效能的加工方案─加熱到材料的熔點，而後冷卻固化，相較於熱固性複材更為簡便且快速，兼具降低原材料需求及廢料產生的「全再生熱塑碳纖複材」，是高效加工材料的代表之一，並落實循環經濟的理念，同步成為可持續生產的最佳選擇。
（作者是鄭惟升；塑膠中心技術研究發展部研究員）
本文同步刊登於2024/11/17經濟日報A11產業追蹤