【 Coating R & D center 】Total Solution of TPU Calendering Synthetic leather with “Zero pollution"

January 04,2016
本篇由高鼎集團研發中心侯文棋博士撰寫,以“零汙染”環保合成革為主題,提供合成革完整創新因應對策,提供最新最強勢的【TPU壓延環保合成革】之材料訊息,並針對接著與面層需求提供水性膠之全套解決方案,可無縫轉換應用於鞋材、箱包袋材、傢俱革、汽車革…等產業。


壹、前言
人造合成革的發展已經超過半個世紀,從第一代的PVC人造革到第二代的PU合成革及後來發展第三代的超細纖維合成革,因為材料便宜耐用,廣泛受到採用,取代天然皮革,全世界每年生產近10億平方米合成革,也因此造成大量的環境汙染。


一、PVC人造革

PVC革由於含有對人體傷害較大的化學成分(特別是塑化劑等),VOC含量較高,應用於箱包、鞋、球、汽車革等領域。PVC為聚氯乙烯(polyvinylchloride)之簡稱,其結構上含有大量的氯,因材料穩定及加工技術成熟,廣泛應用於人造革上,但其存在許多缺點,包括分解不易,燃燒過程會產生氯化氫或氯氣等產物,都屬於高危險毒化氣體,對環境及人體有嚴重危害。更嚴重的是有機物質在含氯環境下燃燒,會產生戴奧辛(Dioxin),易累積在人體脂肪內,已證實會引起白血病及癌症,世界各國已立法減少PVC用量。PVC生產過程需添加大量塑化劑(Plasticizer),市場上泛用可塑劑以DEHP最多,由於PVC的濫用,DEHP也因此充斥在生活環境中。隨時間及溫度影響,塑化劑會遷移到產品表面,消費者容易誤食。塑化劑是一種環境荷爾蒙,人體吸收容易造成肝臟傷害、引發癌症,歐盟已對多種塑化劑訂定最高容許值。歐盟於2015年6月4日正式公告RoHS指令 (2011/65/EU) 禁用物質清單(Annex II)新增下列四項鄰苯二甲酸酯類塑化劑:(1)鄰苯二甲酸二(2-乙基己基)酯(DEHP) (2)鄰苯二甲酸丁酯苯甲酯 (BBP) (3)鄰苯二甲酸二丁酯(DBP) (4)鄰苯二甲酸二異丁酯(DIBP),如此將大幅限縮銷往歐盟的產品項,歐盟成員國必須在2016年12月31日前將其轉化為國家法令,執行日期為2019年7月22日。近年來在環保政策的驅使下,製程及產品質量未達環保標準的企業正在逐步關停,大陸地區已有許多關廠案件被報導,伴隨新材料和新工藝的發展,合成革市場競爭日趨激烈,生產工藝落後廠商將逐步被淘汰。


二、PU合成革

PU合成革發源於上世紀40年代聚氨酯材料大規模應用後,具有光澤柔和、手感柔軟、真皮感強、耐寒性能好等優點,廣泛應用於服裝、傢俱和中高檔鞋領域。

PU濕式合成革生產過程會使用大量揮發性有機化合物(Volatile Organic Compounds, VOC),尤其以DMF(二甲基甲醯胺,N, N-Dimethylformamide)為主,有數據統計生產1萬米的PU合成革,其DMF需使用8.4噸,將產生嚴重污染問題,長期接觸,會產生肝硬化等疾病。如工廠回收處理設備不良,易將有毒溶劑排出,造成水質污染。

有中國合成皮革之都美譽的溫州市及附近麗水市,龍灣區等地,近年聚集大量皮革廠於此地,皆飽受VOC污染之苦,相關單位透過立法及引導產業升級,希望降低環境中DMF含量。

以「濕法」生產的PU合成革,其原理是利用DMF與水的混溶特性,將含DMF的PU塗層置入水中,DMF會與水發生互換,樹脂內DMF含量降低,置換過程會產生許多微孔並使PU樹脂凝固,可得到手感柔軟之PU合成皮革。此生產工藝已經非常成熟,但存在數個缺點及環境污染問題待克服:
1.因大量使用DMF,工廠車間VOC濃度高,工人健康受到影響,排出廠房會造成空氣污染。
2.會產出大量含DMF廢水,如處理設備不夠精良,排放到環境中會造成水質污染。
3.因DMF與水是靠互相擴散來置換,無法達到100%置換,需靠後續水洗及烘乾程序除掉殘餘DMF。實務上許多PU合成革成品仍有少量DMF,揮發後對人體會造成危害。
4.歐盟已開始規範PU合成革中之DMF含量,一般產品以小於100ppm為標準,有些產品或國家會要求在30ppm以下,以目前濕式PU合成革生產工藝,要達到100ppm以下濃度是相當困難,造成許多工廠產品無法出口或通過檢驗。

2014年2月ECHA向歐盟提交將DMF等5個高度關注物質(SVHC)納入REACH第5次新增項目中,因為DMF被認定對於生殖系統具有毒性,這大幅限制了傳統濕式PU合成皮革的發展,根據美國職業安全衛生署(Occupational Safety and Health Administration, OSHA) 對DMF 於作業環境空氣中八小時日時量平均容許濃度(Permissible Exposure Limits, PELs)值為10 ppm,根據台灣及韓國的學術機構研究,在濕式合成革廠中,有超過三成的工人體內DMF含量是超過法令規範,對於勞工安全造成非常大的威脅。

三、超細纖維合成革

超細纖維合成革,簡稱"超纖革",因物性優良,手感最接近真皮,被定義為高檔合成皮革,但生產過程仍需要使用含DMF溶劑之PU樹酯,進行入水凝固置換,製程仍無法排除環境汙染及高額廢水處理費用。

四、小結  

當前國內外市場競爭激烈,企業生產經營成本不斷上升。相關資料表示,合成革產量增長速度從2011年的9.57%下降到2014年的2.58%,出口年增率也持續下降。受此影響,不少企業生產經營困難,已有約20%左右廠房處於停產狀態。在合成革低迷的大環境下,如何轉型為環保合成革供應商成為當前革廠最嚴峻的課題,許多國家級研究機構級政府單位已投入大筆資金研究環保合成革,包括水性發泡革,二液型灌注合成革,TPO革等,但這些環保解決方案仍存在生產良率差,產品價格高,物性不佳等缺點,遲遲未大量推廣於市場上。

貳、高鼎精密材料環保合成革完整解決方案

高鼎精密材料以環境友善材料供應商的角色出發,致力發展完整環境友善合成皮革解決方案,在發泡Base層方面,經過多年研發,成功發表壓延級TPU發泡合成革。於基布及乾法轉貼面層部分,開發出水性接著PU膠,另外也提供水性PU面層材料,可提供良好的耐刮耐磨特性,以下將分別進行介紹:

一、環保TPU壓延合成革介紹

高鼎精密材料TPU全系列產品通過國際公證單位檢驗,符合歐盟REACH SVHC標準及其他數十項的限用物質檢測標準(重金屬、鹵素、有機錫等),並針對不同皮革產品應用類別,設計多種產品規格,分為阻燃耐水解配方,具優異耐水解特性,可承受8週的恆溫恆濕測試,皮革表面不會龜裂,此產品所生產的皮革,也可通過阻燃測試(FMVSS 302),可應用於汽車、輪船、傢俱等需要阻燃要求之高端產品。另有經濟型產品,可符合一般水準之水解需求,適用於價格競爭型產品,如服飾、箱包、傢俱、鞋材等,產品特點柔軟、可發泡、加工溫度低等。

高鼎精密材料推出環境友善綠色材料─採用壓延工藝生產之TPU合成革,完全解決傳統PVC人造革/PU合成革的環境污染問題與缺點。TPU壓延合成革具有以下五個優勢:


1. 環境友善材料
合成革需求量大,產生的廢棄物也多,大部分產品與人體有接觸,因此在合成革的發展上,往環境友善及無毒材料發展將是重要趨勢。TPU(熱可塑聚氨酯,Thermoplastic Polyurethane)具有物性佳,生物可分解,無毒及無塑化劑等優點,是取代PVC的最佳選項,以TPU生產合成革一直是皮革廠力求開發的重點項目。


2.製程友善且合格率高
使用壓延工藝生產TPU合成革,將無溶劑污染問題,以TPU原材料搭配適量發泡劑進行生產,因其製程環保,產品中無DMF殘留,能有效解決VOC排放問題,並可直接取代現有合成革產品,解決當下企業所面臨的環保困境。TPU為熱可塑材料,生產過程之原料皆可適度回收,目前壓延工藝已非常成熟,整體生產穩定性及良率已接近PVC加工,可明顯降低環保皮革生產成本。

圖1: TPU壓延合成革可應用於傢俱沙發,汽車座椅及內飾
TPU synthetic leather applicable for furnishing sofa, car seat leather

 

圖2:TPU壓延合成革可應用於運動用品,鞋材
TPU synthetic leather applicable for sporting goods, footwear materials


3.不必重複投資  可沿用現有壓延設備
高鼎精密材料推出的壓延級TPU系列產品,可直接使用於現有生產PVC人造革之壓延設備廠,不需重覆投資生產設備,本系列TPU產品已克服傳統TPU常出現熔點高、扭力大與黏輥等問題,並已通過多家廠商驗證,擁有壓延設備皮革廠可用最低成本進行產品線升級,轉型為無毒環保皮革供應商,免除被市場淘汰之命運。壓延機的操作加工溫度低,優點為對材料物性破壞小,但如配方設計不當,在壓延機上會造成扭力過大或黏輥問題,目前PVC壓延機常用操作溫度在135℃~175℃之間,高鼎精密材料TPU壓延產品透過配方研究,以相似的加工條件即可使用並可搭配熱壓及真空吸紋技術進行生產。


4.可替代PVC人造革/PU合成革
TPU壓延合成革生產技術與PVC人造革相同,同樣可進行混煉、壓延、貼合、發泡、壓花及收捲等製程,可直接替代PVC原料,生產符合客戶需要的TPU合成革。因TPU合成革為乾式生產技術,無溶劑殘留,是取代PU合成革的最佳產品。

圖3:TPU壓延合成革可應用于箱包,飾品
TPU synthetic leather applicable for suitcases, accessories


5.轉型升級,提升品牌價值
品牌企業如使用先進環保材料進行產品開發,可提升品牌形象,增加消費者對品牌的認同度。使用TPU壓延合成革於高端產品上,可標榜使用TPU壓延合成革不會對環境造成危害,這在許多高端產品或先進國家是重要宣傳點。科技進步除了提升產品性能,更重要的是創造永續的地球環境。消費者使用TPU壓延合成革不需擔心有毒溶劑殘留問題,對於產品層次提升有很大幫助。環境氣候變遷所產生問題已成為中國與全球各地最關注的議題,多數國家對進口產品不斷提高環保規範或課徵碳關稅,未來世界各國的「綠色條件」將更趨嚴格,企業如不改變將會造成不同層次的衝擊,是「危機」也是「轉機」,壓延環保合成革生產工藝,將讓你轉變成環境友善發展企業,帶領企業朝向綠色環保新次元。

二、水性膠水


圖4:全環保合成革結構圖
Environmental structure of synthetic leather
 

如圖所示,全環保合成皮革除了TPU發泡Base層外,另有接著層及面層需求,如使用傳統溶劑型PU膠水進行貼合或表面處理,雖可避開濕法BASE層溶劑殘留問題,但是製程仍未達全環保訴求,高鼎精密材料以水性PU解決方案提供客戶全方位處理對策,水性PU膠水以水當作溶劑,因此在環保、經濟與安全的考量上,更是符合未來需要的趨勢,塗佈烘乾只會蒸發水氣,沒有VOC揮發問題,是取代溶劑型PU膠水的最佳品項,如圖中接著部分,我們的水性材料可提供基布或面層與發泡層間良好接著力。水性面層材料則可搭配架橋劑後獲得優異的耐磨及耐水解特性,耐曲折可超過10萬次標準。水性PU可搭配傳統滾塗或刀塗設備即可上膠,無需添購新設備,歡迎各方有志人士洽詢WD系列材料。


 圖5:水性面層皮革
Synthetic leather of skin layer for Waterborne PU


參、結論

從成立至今,高鼎精密材料始終朝向「成為環境友善材料的開拓者」之理念努力,因此推出壓延環保合成革全系列解決方案,包括TPU壓延合成革、水性膠水等,藉由採用環保的製程與材料,解決溶劑與VOC等汙染問題,並可減少對操作人員之危害與設備轉換成本,同時也能提升企業的品牌價值。目前全球環保意識崛起,相關議題不斷湧現、多數國家對於環保規範與政策也日趨嚴格(例如歐盟),將使未來的產業發展朝向"綠色環保"邁進,讓我們使用高鼎集團所提供之“零汙染”環保合成革相關產品,攜手共創永續的環境!
 

高鼎集團1988年成立,於2015年正式更名為『高鼎精密材料股份有限公司(Coating P. Materials Co., Ltd.)』,深耕聚氨酯(Polyurethane)行業,專業生產TPU膠粒、PU樹脂/PU接著劑等環保材料,各系列產品廣泛應用於食衣住行育樂各種日常生活用品,從食品包裝、功能性紡織加工、傢(廚)俱建材加工、汽車零件組裝、運動用品材料、電線電纜至醫療材料應用等。高鼎一直是客戶的忠實夥伴,除了為國際知名品牌企業提供環境友善的化學材料,並以專業技術支援與共同開發的模式協助客戶品牌企業,提昇產品品牌與企業價值。我們的產品發展與社會責任和環境友善相結合,透過不斷研究發展與創新,協助我們的客戶滿足當前及未來市場對環境友善材料的需求。

以上文章刊登於《人造革合成革信息》雜誌1月刊,高鼎精密始終以開發環保產品為己任,在研發環保材料上不遺餘力,同時亦因應全球環保趨勢,目前已成功開發TPU壓延產品,並且有顯著成果,可廣泛應用於合成皮革類相關製品、各類生活用品與家居品項。未來高鼎將秉持著同樣的信念,努力研發更優質的產品,以滿足廣大客戶與產業的期待!
 
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