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工業技術研究院

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工業技術與資訊月刊

306期2017年04月號

出版日期:2017/04/15

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綠色化學技術帶動經濟需求

整理/陳玉鳳 攝影/謝慕郁

在全球興起的綠色材料趨勢下,化學領域正積極尋求更安全、更不具汙染性的替代原料及產品。為協助臺灣化學產業與全球浪潮接軌並加速創新技術的開發,工研院執行經濟部工業局「精細化學品技術輔導與產業推動計畫」,推動綠色化學材料技術研發,期能自主提供創新產業所需的關鍵材料。

工研院執行「精細化學品技術輔導與產業推動計畫」,推動綠色化學材料技術研發,期能自主提供創新產業所需的關鍵材料。
工研院執行「精細化學品技術輔導與產業推動計畫」,推動綠色化學材料技術研發,期能自主提供創新產業所需的關鍵材料。

為推動「精細化學品技術輔導與產業推動計畫」,日前在高雄舉行「精細化學品與綠色材料技術交流會」,會中發表多項工研院研發的綠色化學技術及材料,包括「植物纖維素改質與抽絲技術」、「高值纖維複合材料技術」、「非氟系撥水材料」、「高導熱樹脂材料」、「印刷式導體材料」及「圖案化藍寶石基板壓印材料」等,希望能協助產業帶來創新性的突破。

植物纖維素改質 鎖定仿蠶絲市場

工研院研發的植物纖維素改質與抽絲技術,希望以綠色材料來解決天然及既有化工材料各有的問題。
工研院研發的植物纖維素改質與抽絲技術,希望以綠色材料來解決天然及既有化工材料各有的問題。

工研院材料與化工研究所主任張德宜指出,「植物纖維素改質與抽絲技術(仿蠶絲纖維素纖維材料)」的目的在於取代蠶絲纖維,也就是天然蛋白質纖維。蠶絲具有高強度、高纖度、光澤自然、吸濕性佳等缺優點,然而它也有不耐日曬、需水洗氯漂、色牢度差、遇汗黃化,以及產量少且價格昂貴等缺點,因此化工業已發展出採用耐隆(Nylon)、聚酯等石化原料製作而成的仿蠶絲纖維,用來取代天然蠶絲。此一替代材料具有產能大及價格便宜等好處,但是後續整理加工繁複,且非永續資源,因此,工研院研發的植物纖維素改質與抽絲技術,就是要以綠色材料來解決天然及現有化工材料的缺點。

張德宜強調,纖維素為自然界中最豐富的再生資源,因此纖維素纖維成為各國研發的重點技術,目前新一代綠色環保纖維是Lyocell纖維,每公斤的價格是石化絲五倍以上,然而受限於技術已被德、奧、英、日等大廠專利布局,國內廠商進入不易。

為協助業者找到突破口以搶進市場,工研院採用的方法是以天然纖維素進行表面改質,再搭配異型斷面紡嘴開發與紡絲製程調控,讓臺灣業者發展出高附加價值、輕質與舒適性兼具,且成本低的仿蠶絲纖維布。根據日本化學纖維協會估計,合成纖維及纖維素纖維年產值超過新臺幣800億元,工研院技術成功導入業界後,可望力助臺灣業者在此龐大市場中占有一席之地。

非氟系撥水材料 避開含氟化合物危害

此外,針對「非氟系撥水材料技術」,工研院材化所主任王文獻表示,作為20世紀最重要的化工產品之一,氟化有機物在工業生產和生活消費領域有著廣泛的應用。同樣的,隨著近年來紡織產品一直朝著多功能化、少量多樣化、高附加價值化及交期縮短化等方向發展,織物的表面需具有防水、防油及防汙特性的趨勢愈發明顯,因此也就廣泛使用含氟化合物,例如含有全氟辛皖磺酸基類化合物(PFOS)和全氟辛酸(PFOA)的疏水劑。

由於,這些全氟碳鏈的小分子表面活性劑,在自然環境中難以降解,且PFOS和PFOA在人體內、動植物體內長期蓄積,會產生潛在的致癌作用。隨著這類問題受到關注,現有含全氟碳鏈的功能整理劑在市場上的應用,也將會受到越來越多的限制,因此尋找兼具相同降低表面自由能的功能,又不含有全氟碳鏈段的功能高分子,就成為一項關鍵的研究工作,工研院成功開發的非氟素高分子型撥水加工劑便符合這些目標。

王文獻進一步說明此技術所運用的撥水加工原理:當液體在固體表面時,液體是否沾濕固體由二者間的表面張力來決定,也就是說,當液體的表面張力小於固體的表面張力時,液體就會沾濕固體表面;反之,當液體表面張力大於固體的表面張力時則呈現撥水現象。而透過非氟素高分子型撥水加工劑的使用,機能性衣物便同樣能具有撥水等特性,且同時能顧及環保,不致對環境造成傷害。

高導熱樹脂材料 滿足散熱需求

非氟系撥水材料技術運用撥水加工原理,讓機能性衣物同樣能具有撥水、防汙等特性,且同時能顧及環保,不致對環境造成傷害(上、下圖)。
非氟系撥水材料技術運用撥水加工原理,讓機能性衣物同樣能具有撥水、防汙等特性,且同時能顧及環保,不致對環境造成傷害(上、下圖)。

至於在「高導熱樹脂材料及印刷式導體材料」的研發,工研院材化所副組長邱國展則表示,此研究主要是以有機樹脂結構合成設計為基礎,搭配無機材料開發具有絕緣性、導熱性及透明性的功能材料,為各種光電元件構裝材料提供絕緣、散熱、導電、低溫、透明及環保解決方案,以符合未來電子產品的多功能、高整合、高傳輸、高功率及高效率等技術需求,這些技術可廣泛應用於印刷電路板、IC載板、汽車載板、觸控螢幕、漆包線、功率模組、無人機、機械人及電動車等。

據統計2015年智慧行動裝置散熱市場需求達10億美元以上,而工研院開發的「高導熱聚醯胺醯亞胺(Polyamideimide;PAI)樹脂材料」、「高導熱環氧樹脂合成技術」及「超高導熱人造柔性石墨片」等,就是針對此一龐大需求所開發。邱國展指出,由於智慧行動裝置的出現帶動新散熱需求,例如,遊戲、影音等智慧行動終端產品驅動處理器朝高時脈、高功率及多核心等高效能方向發展,促使散熱設計成為一大考量;再者,智慧型手機與平板電腦持續朝薄型、輕量化的規格前進,也促成薄型化散熱及導電膜材料的市場發展。

邱國展進一步說明「超高導熱人造柔性石墨片」的應用與發展,目前人造軟性石墨片材料,以Graftech以及日本Panasonic、Kaneka等公司為主要材料供應商。由於原料(PI)多為國外廠商掌控,因此工研院積極投入開發新型高順向高分子(non-PI)材料,現階段已完成高順向PAI樹脂合成、高順向PAI膜塗佈參數、PAI膜碳化與石墨化參數,以及石墨化轉化率大於95%等技術及特性創新,且經過整卷式塗佈,膜材尺寸安定性與均勻性皆有所提升,高平面樹脂結構的導入也讓PAI碳化後破片率低且韌性佳。「超高導熱人造柔性石墨片」未來可望應用於功率元件、智慧手機、平板電腦及Ultrabook等。

在「可印式導體材料」的研發方面,工研院研發具摺疊特性的「奈米銀線透明導電膜」,可應用於觸控面板、AMOLED顯示器、無線充電及太陽能電池等。

高值纖維複合及壓印膠材料 開發有成

工研院材化所博士劉峻佑針對「高值纖維複合材料技術」則指出,此技術適用於耐候與耐高溫的碳纖維預浸料配方,以及高性能不飽和樹脂系統的開發。其中,碳纖維預浸料配方適用於高溫高濕環境,可應用於軌道車輛、遊艇部品、零組件及高壓瓶等。高性能不飽和樹脂則是低揮發性有機化合物(低VOC)高強度樹脂,可應用於遊艇、船殻及車殼等。

「圖案化藍寶石基板壓印材料」研發成果主要為壓印膠產品,具有優異的塗膜均勻性、與基材具有良好的接著性,因此適用於藍寶石基板、矽晶片和玻璃等。
「圖案化藍寶石基板壓印材料」研發成果主要為壓印膠產品,具有優異的塗膜均勻性、與基材具有良好的接著性,因此適用於藍寶石基板、矽晶片和玻璃等。

「高導熱樹脂材料及印刷式導體材料」可廣泛應用於印刷電路板、IC載板、汽車載板、觸控螢幕、漆包線、功率模組、無人機、機械人及電動車等。
「高導熱樹脂材料及印刷式導體材料」可廣泛應用於印刷電路板、IC載板、汽車載板、觸控螢幕、漆包線、功率模組、無人機、機械人及電動車等。

在「圖案化藍寶石基板壓印材料」方面,主要為壓印膠產品及其應用介紹,工研院材化所研究員吳耀庭表示,此為升溫壓印、UV固化型樹脂材料,利用旋轉塗佈的方式成膜於基材上,再藉由光壓印微影的方式將其圖案化,做為基材乾蝕刻製程的遮罩,開發之壓印膠產品除了塗膜均勻性佳、與藍寶石基板、矽晶片和玻璃等基材具有良好的接著性外,在壓印微影方面則具有高結構複製率、低殘餘層的特性,同時在圖案化藍寶石的製程應用上,亦有優異的蝕刻選擇比。

創新綠色材料發展等趨勢,促使臺灣化工領域持續朝向綠色化學邁進,透過工研院的研發能量與業界的積極合作,為綠色化學領域創造出一套可以依循的法則,從起始端的原料製程設計,到以節省能源和資源為訴求,來改變反應程序,促使化學家發揮最大的創意,以解決目前人類所製造的污染與浪費的問題,而透過綠色化學科技的落實,則是讓化學在促進國家經濟及產業發展的同時,也能成為保護環境與人類永續發展的重要關鍵。

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