寶特瓶為什麼能長期保存碳酸飲料？
陳瑋駿 清華大學化學系碩士，中興大學化學系學士。現職科技業工程師，著有《化學有多重要，為什麼我從來不知道？》一書。
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• 二氧化碳在水中的溶解度有限，且會在壓力消失後逸出。氣泡水的包裝材質須具備良好的氣密性和耐壓性，以防止二氧化碳逃逸。
• 塑膠瓶的氣密性大部分取決於聚合物分子結構的緊密程度，由於PET 分子結構無支鏈且可拉伸，所以氣密性優於其他塑膠材質。
• 雖然PET 隔絕二氧化碳的效果很好，但對氧氣的阻隔性較差，因此容易因為氧氣入侵而變質的飲料常會使用玻璃罐或鋁罐包裝，例如啤酒。
在燒烤店大口吃著燒肉的同時，要是能夠來上一杯冰涼的肥宅快樂水（汽水）該有多好？從它在17 世紀被發明至今，人們對碳酸飲料的熱愛有增無減。即便到了21 世紀，人們依舊三不五時飲用充滿二氧化碳（CO₂）的水溶液。在扭開瓶蓋的瞬間，「嘶」的一聲，二氧化碳伴隨著飲料的香氣洩出，都還沒喝下肚，心情就已經先愉悅了起來。 汽水的本質不過是加了二氧化碳的糖水，然而二氧化碳並不像糖粉，碰到水就輕易地溶解於其中。筆者還記得小時候在鄉下吃流水席時，廚師為了讓菜餚看起來「仙氣飄飄」，就會將一小塊乾冰放進桃紅色的免洗杯之後再加水，綿密的白色霧氣就會從杯中吐出，瀰漫在菜盤之上。儘管我們學過，二氧化碳能夠微溶於水，然而在一陣雲霧繚繞之後，那杯乾冰水並沒有順利地變成氣泡水。 沒有壓力，就沒有汽水 氣泡水之所以沒有這麼容易生成，最重要的關鍵不外乎就是二氧化碳自身的壓力。在日常開放的環境下，無論丟多少乾冰到水裡，都只會像用吸管朝飲料杯底下吹氣的惡作劇般，無法產生如碳酸飲料一樣豐富的氣泡。也因此，不論市面上哪一牌的氣泡水製造機，都有一樣必買的耗材就是二氧化碳鋼瓶。只要在密閉且高壓的環境下將二氧化碳灌入水中，我們就可以強迫二氧化碳暫時住在水分子的領域。但當壓力消失時，這些二氧化碳就會像是沒有人管的熊孩子一樣失控地到處逃竄。沒過多久殘餘在水中的二氧化碳便少之又少，再也喝不到強烈的氣泡感了。 業者為了讓消費者可以在任何時間、任何地點喝到就像剛打好氣的可樂，必須在打氣完畢之後盡可能以最短的時間封罐。不過，該如何長時間地保存這股「氣」？ 當氣體玩起密室逃脫 碳酸飲料要長時間保存氣體量，可能沒有你我想得容易。相信很多人小時候都曾經在夜市買過空飄氣球，氣球在充飽氦氣的當下，看著自己喜歡的卡通人物飄浮在半空中的景象十分療癒，走到哪裡都想要帶著它一起行動。但是買回家之後，原先飽滿的氣球會隨著一天天過去而開始略顯乾癟。再過個幾天，一覺醒來後可能會發現氣球已經躺平在地上，模樣還比前幾天更消瘦。雖然可以合理懷疑氣球絕對是哪邊有漏氣，但捏了一下氣球，卻好像也不見什麼破洞。原來，氣球的材質以巨觀的角度看似密閉，但當我們以微觀的尺度來看待時，材質本身其實分布著相當微小的間隙，讓氦氣在不知不覺中緩緩逃脫。除此之外，這個間隙還會隨著材質的不同而有所差異。例如夜市常看到的錫箔氣球在買回家之後可保持最多約一個禮拜，但若是一般乳膠材質，不需幾個小時氣球就無法飄浮在空中。 在日常生活中，我們常會在容器內裝水並搖晃幾下，以測試瓶子本身是否漏水。然而在看過氣球的例子之後，那些看起來不會漏水的材質與氣體的阻隔性，其實並沒有100％的關聯性。
如何長期保存這股「氣」 一罐汽水的保存期限長達12 個月，要長時間維持瓶內的氣體量，包裝材質一定功不可沒。在常溫下，汽水罐內的壓力大約是大氣壓力的四倍，因此汽水罐不僅要封存二氧化碳，本身的材質也要夠強壯才能承受來自內部的壓力。況且罐體在運送途中還可能遇上高溫、隨路況晃動的情境，這些因素都會迫使更多二氧化碳從液體中釋放，進而提升罐內的壓力。因此，若沒有適當的包裝材質，瓶內的氣體可是蠢蠢欲動，一個小裂縫都不放過，汽水罐隨時都可能在貨車車廂變成糖水炸彈。 講到碳酸飲料的包裝，相信讀者的腦中會馬上浮現幾個圖像，像是燒烤店或熱炒店的玻璃瓶、賣場內的鋁罐、塑膠罐等。其中，玻璃罐與鋁罐不僅具有非常好的氣密性，幾乎不會讓二氧化碳逃脫，且耐壓性也非常好。而塑膠雖然相對於這兩者都來得便宜，但由於塑膠在形成的過程中是由許多長鏈分子堆疊而成，宛如好幾條鎖鏈相互纏繞、堆疊在一起，可想而知，要是鎖鏈堆疊地不夠緊密，，便會在鏈與鏈之間產生縫隙，二氧化碳還是有機會從塑膠容器溜出，這也是氣球會消風的原因（圖一）。因此分子本身的化學結構對於二氧化碳的阻隔性有直接影響，並且也影響到罐體本身的機械強度。 放眼望去，市面上的汽水瓶材質不外乎都是聚對苯二甲酸乙二酯（polyethylene terephthalate,PET），也就是俗稱的寶特瓶。但是塑膠罐明明有那麼多材質，像是牛奶罐、沙拉油罐的高密度聚乙烯（high density polyethylene, HDPE）、熱炒店冷泡茶的聚丙烯（polypropylene, PP）寶特瓶究竟有什麼樣的本事才得以從這些塑膠瓶中脫穎而出，成為碳酸飲料包裝的唯一選擇呢？
寶特瓶如何脫穎而出？ 要解釋寶特瓶成為碳酸飲料包裝唯一選擇的原因，首先要聚焦在二氧化碳逃脫的原理。在前面的段落中曾經提到，無孔不入的二氧化碳分子會鑽進聚合物結構的間隙、悄悄地「溜」出去。因此若要減少二氧化碳從瓶內消散的情況，我們一定得想辦法降低這種間隙存在的比例。其中一個較簡單的辦法就是增加瓶壁的厚度，讓二氧化碳體驗一下難度更高的密室逃脫，自然就不會這麼快消氣。只不過這樣做的缺點顯而易見，就是成本的提升。那還有沒有其他辦法呢？ 間隙的多寡其實受到多種因素影響，首先是聚合物分子本身的結構。當塑膠生成時，分子之間是否能夠緊密堆疊以減少間隙，與聚合物分子本身的形狀和結構有著非常直接的關係。例如HDPE的分子結構支鏈比低密度聚乙烯（low density polyethylene, LDPE）更少，這讓HDPE 分子之間緊密地疊合、減少間隙（圖二）。這就好比兩隻鉛筆可以很緊密地併攏，但兩根樹枝靠在一起就會因為形狀不規則的枝條而產生空間。其次，聚合物單體的分子大小也會直接地影響間隙。例如苯乙烯（styrene）分子結構中帶有一個苯環，因此在形成聚苯乙烯（polystyrene）的時候就會礙於苯環的體積，使長鏈之間無法很緊密地疊合在一起。聚苯乙烯的二氧化碳透氣性甚至比LDPE還高，是一個非常具代表性的案例。
既然如此，選用寶特瓶盛裝碳酸飲料的優點是什麼？首先，寶特瓶的PET 分子完全沒有支鏈，這讓分子之間能更容易緊密堆疊。其次，在汽水瓶的生產過程中，原先PET 分子排列雜亂無章，但透過適度的拉伸，彷彿告訴這些分子應該如何排列般，引導PET 分子走向更規則的堆疊方式，進而減少分子之間的間隙（圖三）。此過程不僅能更進一步強化二氧化碳的阻隔性，還增強了另一個最關鍵的要素――瓶子本身的結構強度（這也是碳酸飲料瓶底做成五爪型的原因）。因此寶特瓶不僅耐得住瓶內的高壓，還可以避免包裝變形，而其他塑膠材質雖然可能具備足夠的氣密性，但是仍然沒有辦法盛裝碳酸飲料。
PET 還是有些缺點？ 雖然寶特瓶看起來已經是所有碳酸飲料的唯一解了，然而飲料包裝的世界博大精深，同樣的塑膠材質對不同氣體其實有不一樣的阻隔性，且氣體分子的大小或極性都會有影響。寶特瓶雖然是隔絕二氧化碳的不二之選，但其實不太善於拒絕氧氣的入侵。仔細回想一下，我們是不是從來沒看過用寶特瓶來裝罐的啤酒？畢竟只要一點點來自外界的氧氣透進瓶中，整罐啤酒就會變得苦澀不好入口，這時玻璃罐與鋁罐就成了最好的解決辦法。 當我們下次暢飲著這些氣泡飲料之餘，不妨體會一下各家廠商這股想盡辦法保存最佳口感的用心。一起為這股心意乾杯吧！
延伸閱讀 1. 鄭永銘（2018 年8 月23 日）。罐裝可樂比瓶裝的好喝？跟著鄭大師玩科學，https://www.masters.tw/211984/cola。 2. Bozoklu, G. (2008). Improvement in barrier properties of polymers used inpackaging industry – pet/n-mxd6 blends. 3. 王文裕（2018 年12 月）。塑膠產品綠色設計指引手冊。環境部資源循環署，https://www.reca.gov.tw/recycleReport2。 閱讀完整內容
