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臺灣博碩士論文加值系統

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研究生:林凱偉
研究生(外文):Lin, Kai-Wei
論文名稱:以生命週期評估探討塑膠製程之綠色設計
論文名稱(外文):Green Design Investigation of Plastic Process by Life Cycle Assessment
指導教授:楊英賢楊英賢引用關係
指導教授(外文):Ying-Hsien Yang
口試委員:嚴聖博劉家豪
口試日期:2015-06-26
學位類別:碩士
校院名稱:嘉南藥理大學
系所名稱:環境資源管理系
學門:環境保護學門
學類:環境資源學類
論文種類:學術論文
論文出版年:2015
畢業學年度:103
語文別:中文
論文頁數:192
中文關鍵詞:生命週期評估碳足跡綠色設計TRIZ塑膠瓶
外文關鍵詞:Life Cycle Assessmentcarbon footprintgreen designTRIZ
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  塑膠產品廢棄階段造成諸多環境問題,透過源頭管理與綠色設計創新解決途徑,將有機會將產品導向環境友善性與綠色產品。本研究結合生命週期評估與萃智創新理論,探討泛用塑膠材料及個案產品創新改善之環境效益改善。環境評估指標包含能源投入、碳足跡、毒性衝擊及其他環境衝擊。研究包含兩大部分:第一部分為產品原料碳足跡與生命週期評估,並以創新設計考量導入個案產品材料篩選;第二部分為探討個案產品製程階段之碳足跡與產品生命週期評估,結合綠色設計思維與創新設計考量以降低環境衝擊。相關研究結果包括:(1) PET瓶裝飲用水產品創新改善,以HDPE、PP及PLA皆具有材料替代潛力與環境效益;(2)原料選擇替換,其碳足跡結果分別HDPE 1.9860 KgCO2-Eq.與PP 2.0368 KgCO2-Eq.,其減量效益為31%與33%,PLA碳足跡為3.2357 KgCO2-Eq.,減量效益較不顯著;環境衝擊評估結果,以HDPE與PP減量效果較佳;(3) 個案單支塑膠瓶產品製程階段,以射出吹氣成型技術能耗0.1363 kWh/pcs最高,延伸吹氣成型技術0.0549 kWh/pcs最低;(4)產品搖籃到大門創新改善,以PP結合延伸吹氣成型技術具有最佳綠色設計。
  The plastic waste caused many management problems and environmental impacts. The solutions approach could be used by source management and products redesign with innovation thinking that will have an opportunity toward the environmental friendly and green products.This study focus on the environmental improvement of plastic products concerning with material selection and processing by Life Cycle Assessment (LCA) and TRIZ methodology. The environmental indicators include energy consumption, carbon footprint, toxicity equivalency and the other environmental impacts about this study. The results contained two parts; the first part was the material selection by the innovative design thinking with the evaluation method of carbon footprint and LCA. The second part was plastic processing on the environmental friendly by combining with the carbon footprint, life cycle assessment and innovative design considerations. The results indicated that, (I) PET bottle product will have change on environmental performance for the substitution with HDPE, PP and PLA materials; (II)The carbon footprint of alternative materials were HDPE with the value at 1.9860 KgCO2-Eq. and PP with the value at 2.0368 KgCO2-Eq., the reduction effect were 31% and 33%, respectively. As for the carbon footprint reduction effect was less significant for PLA with the value at 3.2357 KgCO2-Eq. The single score of environmental impact was better for HDPE and PP. (III) About plastic bottle case study, the process stage energy consumption was the highest with the value at 0.1363 kWh/pcs for the injection blow molding technology, and the low was the blow molding technology extends with the value at 0.0549 kWh/pcs; (IV) For the product innovation improvement from cradle to gate, the PP material will be the best green design by the stretch blow molding technology.
目錄
摘 要 I
Abstract II
誌 謝 III
目錄 V
表目錄 IX
圖目錄 XIII
第一章 緒 論 1
1.1 前 言 1
1.2 研究目的 3
1.3 研究架構 4
第二章 塑膠加工及產品應用 7
2.1 塑膠分類與簡述說明 7
2.1.1 通用塑膠 8
2.1.2 工程塑膠 11
2.1.3 生質塑膠 13
2.2 塑膠產品應用 15
2.2.1 塑膠產品應用包裝材料相關法規 17
2.3 塑膠生產製造 26
2.3.1 原料階段 27
2.3.2 加工階段 28
2.3.3 使用與處理階段 34
2.4 塑膠環境特性 35
2.4.1 生態友善性 35
2.4.2 能源消耗 37
2.4.3 毒性健康 37
第三章 生命週期評估 41
3.1 起源 41
3.2 架構與理論 43
3.2.1 目標與範疇界定 44
3.2.2 生命週期盤查分析 44
3.2.3 生命週期衝擊評估 45
3.2.4 生命週期闡釋 47
3.3 衝擊評估模式 48
3.3.1 Eco-indicator 99 48
3.3.2 Impact 2002+ 54
3.4 碳足跡 56
3.5 生命週期評估文獻探討 60
第四章 綠色設計 63
4.1 綠色設計原理 64
4.2 綠色設計相關法規 73
4.3 綠色設計應用工具 76
4.3.1 萃智創新問題解決理論 80
4.3.2 萃智創新解決工具 83
4.3.2.1 三十九項工程參數 83
4.3.2.2 矛盾矩陣 85
4.3.2.3 四十項發明原則 86
4.3.2.4 理想性 86
4.3.2.5 最終理想結果 88
4.3.3 生態效益 90
4.4 綠色設計與創新相關研究 94
第五章 研究方法 97
5.1 塑膠生命週期評估 97
5.1.1 研究流程 97
5.1.2 系統範疇界定與功能單位 99
5.1.2.1 系統範疇界定 99
5.1.2.2 系統假設與排除 100
5.2 生命週期評價方法 105
5.2.1 Eco-indicator 99 105
5.2.2 Impact 2002+ 106
5.2.3 IPCC全球暖化潛值推估 106
5.2.4 環境衝擊相關性 107
5.2.5 生態效益 107
5.3 綠色設計應用情境 108
5.3.1 TRIZ創新理論應用分析 110
5.3.2 材料選擇與替換於原物料階段分析 110
5.3.3 加工設計情境於製程控制階段分析 111
5.4 個案說明 113
5.4.1 資料來源 114
5.4.2 資料彙整 116
5.4.3 情境分析與相關假設 117
第六章 結果與討論 121
6.1 塑膠生命週期盤查分析 121
6.2 綠色設計個案(一) - 原物料階段 122
6.2.1 塑膠原料階段溫室氣體排放量探討 123
6.2.2 塑膠原料階段環境衝擊探討 124
6.2.3 塑膠材料環境相關特性探討 131
6.2.4 材料選擇之綠色創新 133
6.2.5 材料選擇替代環境效益探討 139
6.2.6 小結 142
6.3 綠色設計個案(二) –製程控制階段 143
6.3.1 塑膠加工成型階段溫室氣體排放量探討 144
6.3.2 塑膠加工成型階段環境衝擊探討 146
6.3.3 綠色設計情境模擬 151
6.3.4 加工成型系統改善環境效益探討 155
6.3.5 產品生態效益分析探討 157
6.3.6 小結 162
6.4 綜合討論 163
第七章 結論與建議 167
參考文獻 171
附錄一 39項工程參數 185
附錄二 40項發明原則 187

表目錄
表2.1 各種塑膠材料物質特性對照 14
表2.2 各種塑膠產品所常用之加工方式對照 16
表2.3 各種加工方式與塑膠材料選擇對照 16
表2.4 塑膠食品器具、容器、包裝檢驗標準 18
表2.5 CNS發佈之食用級塑膠與塑膠檢驗相關規範 25
表2.6 ISO發佈之塑膠常用檢驗相關規範 26
表2.7 吹氣成型法方式與特點 32
表3.1 Eco-indicator 99三項模組子系統 54
表3.2 Impact 2002+四項面向標準化 55
表4.1 環境考量之綠色設計定義與說明 65
表4.2 綠色產品設計策略與說明 68
表4.3 比較傳統設計與生態設計在相關議題的立場 71
表4.4 綠色產品生命週期設計策略 73
表4.5 國際環保議題與產品環境化設計之關係 75
表4.6 綠色設計工具導向分類 77
表4.7 綠色設計工具性質分類 79
表4.8 工程參數六大群組 84
表4.9 工程參數三大群組 85
表4.10 生態效益三項類別與相關考量面 94
表5.1 全球暖化潛勢特徵化係數 107
表5.2 替換原料之環境衝擊變化 111
表5.3 國內產品淨重資料 112
表5.4 原料替換與製程選擇情境 113
表5.5 台灣原油進口量與運輸距離 115
表5.6 台灣聚乳酸原料進口量與運輸距離 115
表5.7 台灣能源結構比例 116
表5.8 生命週期階段參考資料來源 117
表6.1 各類塑膠資料庫之溫室氣體排放係數 124
表6.2 各類塑膠原料之Eco-indicator 99特徵化結果 125
表6.3 各類塑膠原料之Impact 2002+特徵化結果 126
表6.4 各類塑膠原料之Eco-indicator 99單一得點結果 129
表6.5 各類塑膠原料之Impact 2002+單一得點結果 130
表6.6 Eco-indicator 99各環境議題迴歸結果 132
表6.7 Impact 2002+各環境議題迴歸結果 132
表6.8 各類塑膠容器歷年回收總量 133
表6.9 瓶裝飲用水材料替代矛盾矩陣發明原則 136
表6.10 塑膠原料替代碳足跡效益 139
表6.11 塑膠原料替代Eco-indicator 99整體環境效益 140
表6.12 塑膠原料替代Impact 2002+整體環境效益 141
表6.13 押出吹氣成型技術之製程能源消耗推估 145
表6.14 射出吹氣成型技術之製程能源消耗推估 145
表6.15 延伸吹氣成型技術之製程能源消耗推估 145
表6.16 瓶胚射出成型機之製程能源消耗推估 146
表6.17 吹氣成型技術之溫室氣體排放係數 146
表6.18 各項製程之Eco-indicator 99特徵化結果 148
表6.19 各項製程之Impact 2002+特徵化結果 149
表6.20 各項製程之Eco-indicator 99單一得點結果 150
表6.21 各項製程之Impact 2002+單一得點結果 150
表6.22 產品製程設計模擬情境 152
表6.23 產品搖籃到大門環境衝擊結果 152
表6.24 最終理想結果解答步驟 155
表6.25 各類塑膠原料交易均價 157
表6.26 各塑膠瓶原料成本 158
表6.27 產品搖籃到大門之Eco-indicator 99生態效益比較 159
表6.28 產品搖籃到大門之Impact 2002+生態效益比較 159
表6.29 產品搖籃到大門之碳足跡生態效益比較 161
表6.30 研究個案之產品最終理想設計 165
表6.31 研究個案之原料替代環境衝擊減量效益 166

圖目錄
圖1.1 研究架構流程 6
圖2.1 烯烴屬石油化學品衍生之塑膠材料 28
圖2.2 芳香烴石油化學品衍生之塑膠材料 28
圖3.1 生命週期評估架構流程 44
圖3.2 生命週期衝擊評估架構流程 47
圖3.3 Eco-indicator 99衝擊評估架構圖 49
圖3.4 Impact 2002+衝擊評估架構圖 56
圖3.5 產品碳足跡計算流程圖 59
圖4.1 TRIZ通解流程圖 82
圖4.2 TRIZ階層式概觀 82
圖4.3 TRIZ產生解答之11項基本解決工具 83
圖4.4 最終理想結果問題定義策略流程圖 88
圖5.1 生命週期系統範疇 99
圖5.2 研究個案各階段之系統範疇 100
圖5.3 綠色創新思考流程圖 109
圖5.4 產品生命週期系統範疇圖 114
圖6.1 各類塑膠原料之Eco-indicator 99單一得點結果 130
圖6.2 各類塑膠原料之Impact 2002+單一得點結果 131
圖6.3 各類塑膠容器歷年回收總量趨勢圖 134
圖6.4 塑膠原料替代碳足跡效益分析 139
圖6.5 塑膠原料替代Eco-indicator 99整體環境效益分析 140
圖6.6 塑膠原料替代Impact 2002+整體環境效益分析 141
圖6.7 各項製程之Eco-indicator 99單一得點結果 150
圖6.8 各項製程之Impact 2002+單一得點結果 151
圖6.9 產品搖籃到大門碳足跡結果 153
圖6.10 產品搖籃到大門Eco-indicator 99單一得點結果 153
圖6.11 產品搖籃到大門Impact 2002+單一得點結果 154
圖6.12 最終理想結果思考流程 155
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