工業材料雜誌六月號推出「CO2碳源化學品啟動低碳新經濟」及「高階鍍膜材料技術與應用」兩大技術專題

 

刊登日期:2020/6/8
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轉碳成金減緩地球暖化
工業革命以來,各種經濟活動產生大量二氧化碳和其他溫室氣體,排放到大氣導致地球溫度上升,地球暖化未來將會助長更多極端氣候的現象。氣候變遷衝擊地球生態環境,如果世界各國繼續忽視而不立即採取改善措施,人類所付出的代價將比一次大戰、二次大戰及1930年代「經濟大蕭條」的損失還高。在全球減少CO2排放的共識下,許多國家建立氣候行動機制推動巴黎協議的規範;而全球產業有鑒於減碳的趨勢,對減碳環保產品的需求愈趨強烈,除努力將氣溫升幅限制在工業化前水準之上1.5˚C以內,同時也致力使資金流動符合溫室氣體低排放和氣候適應型發展的路徑。減碳、利用CO2碳源儼然是未來新經濟的驅動力,國內產業界亦必須要快速因應此一形勢,積極發展降低CO2排放量及CO2資源化循環應用的創新技術。
 
CO2碳源化學品是一項可以減少CO2排放至大氣中以減緩氣候變遷的綠色技術,然而此技術在發展與推動上仍遭遇不少挑戰。「CO2碳源化學品國際發展應用趨勢」分析大國的獎勵機制、大廠的創新技術與發展模式,以及新創公司投入發展的狀況。國際上為獎勵碳的封存與再利用(CCSU)技術應用,已有像美國45Q這樣減稅誘因進行立法,未來各國也可能參考這項標準,訂定符合國家文化與產業型態的優惠措施。而CO2碳源再利用技術發展上,不論是國際大廠或者是新創公司,目前大多數的技術還在開發階段,僅有像尿素、PC與EC這些碳酸酯產品以及無機碳酸鹽類具有較成熟的技術與市場;多元醇與甲醇則已進入試量產與試銷售的狀態。這顯示CO2碳源再利用仍是新興產業,需要外界投入更多資源進行研發,突破障礙並降低成本,以加速產品商業化應用。
 
CO2再利用合成化學品單體的觸媒技術」一文指出,以二氧化碳當作原料製作碳酸二烷基酯與2,5-呋喃二甲酸(FDCA)之觸媒技術近年已有重要的發展。碳酸二烷基酯可應用於生產聚碳酸酯(PC)、異氰酸酯、聚碳酸酯二醇等化學品,為應用廣泛的原料單體。而2,5-呋喃二甲酸可做為生質單體,其聚合成的PEF聚酯材料相較於現有PET聚酯材料,對二氧化碳及氧氣具有優異的阻氣性及更高的機械強度,此二項單體的觸媒技術開發都朝向高效率催化、環境無害、低成本能耗等方向發展,未來都是以CO2料源製造關鍵化學單體的潛力產品。
 
CO2捕獲及再利用是一種既環保又提供永續碳源的手段,如能有效地將CO2轉化成化學品或燃料,除了達成溫室效應氣體減排的目的,亦是確保碳循環得以永續運轉的最關鍵要素。由於CO2具有極高的穩定性,反應性非常低,目前較有效的CO2化學轉化製程一般使用高能量的氫氣為共同反應物,並配合觸媒的催化才能有較佳的效果,但氫氣昂貴的成本是目前CO2資源化製程落實的主要瓶頸之一。電轉X (PtX)是將剩餘的可再生電能轉化成氣體或液體的一種儲能方法,關鍵步驟為利用剩餘的電力,驅動水電解反應產生氫氣及氧氣,再利用氫氣的高能量特性來活化CO2,生產氣體或液體燃料以滿足大部分運輸及化學工業需求。其涵蓋了將再生電能轉化為熱、氫,以及與CO2結合成燃料暨化學品的各種過程,因此CO2在PtX扮演了碳源的關鍵角色。「二氧化碳在Power-to-X之技術發展」一文探討CO2結合PtX在資源化及儲能的技術及相關發展近況。
 
使用二氧化碳製造塑料雖不足以緩解氣候變化,但是許多小步驟加起來可能會帶來巨大的進步。二氧化碳被認為是最有吸引力的可再生C1資源之一,具有成本低、含量豐且無毒特性;進行二氧化碳活化並轉化成化學品、燃料和聚合物材料等主題,成為當前重要且有吸引力的研究標的。二氧化碳製備高分子聚合物領域的關鍵問題是高活性和選擇性的催化劑體系,「二氧化碳基質高分子材料」詳細介紹各種不同途徑生產CO2聚合物的方法及產品,例如無光氣法製備脂芳族聚碳酸酯(PC)、可生物降解脂肪族聚碳酸酯(APC)、聚碳酸酯多元醇(Polyol)、非異氰酸酯聚氨酯(NIPU)、CO2/烯烴共聚物,以及它們在各領域的應用情形。藉由CO2共聚物市場需求增長與全球對白色污染的關注,工業化廣泛的以二氧化碳製備聚合物原料及應用將會很快到來。
 
高階鍍膜材料技術 優化工業元件加值升級
鍍膜技術是一種表面改質的技術,可以藉由少量的材料、薄型化的表面結構設計,改良並改變材料的表面性質,例如抗腐蝕性、抗磨耗性、耐候性及生物相容性等。藉由鍍膜技術,元件能具有更優良的表面性質且應用範圍更廣、使用壽命更長,為工業應用的元件注入新的生命,將傳統方法加工製造後的元件提升為更高附加價值的產品。本期「高階鍍膜材料技術與應用」技術專題報導高階鍍膜材料技術與應用,涵蓋如物理氣相沉積、化學氣相沉積、熔射噴塗與雷射沉積等塗層製作技術,塗層厚度包含次微米至釐米尺度範圍,可對元件表面進行鍍膜強化或局部破損位置修補;鍍膜研究成果已應用到包括鋼鐵、電力、半導體、光電、模具、交通運輸、航太、光學、生醫、刀工具及機械等各產業。未來希望新的研發成果,可以協助國內產業提高國際競爭力。
 
碳化矽塗層於半導體與光電產業之應用」一文報導,石墨因化學和機械穩定性以及熱和電特性,應用在許多高溫環境中。在半導體應用當中,這些特性以及與矽和其他材料的兼容性被廣泛使用。然而,當石墨在高溫下使用時,它在化學上是不穩定的,並且會與氣體環境反應,形成與該過程相互作用的化合物。石墨也是一種非常多孔的材料,可以將化合物存儲在可能與該過程相互作用的孔中。藉由碳化矽的塗層導入即可解決此問題。碳化矽塗層具有高耐磨性、耐腐蝕性,並且具有高導熱性,因為它具有許多優點,因此,該塗層在各種工業應用中受到青睞。碳化矽塗層具備高度的化學穩定性和抗氧化性,可以應用於LED載盤、半導體產業、板材、泵葉片、球閥部件、密封件、軸承和熱交換器等。而全球對於碳化矽塗層的需求約有數十億新台幣之規模。
 
物理氣相沉積(PVD)製程具備較環保且低溫等優點,其鍍製之膜層硬度可高達3,800 HV以上,同時具備良好之物理與化學特性,目前已成為國內高階工具機與高階模具等產品主流之表面改質鍍膜技術。其中利用陰極電弧離子鍍膜法製備之硬質塗層,由於高解離率等特性,所製備之膜層有著良好的機械性質與緻密性而廣泛應用於上述高階產品。「複合類鑽碳膜層與超厚PVD膜表面改質技術」一文指出,針對陰極電弧離子鍍膜,工研院材化所先進金屬與複合材料研究組於近年開發出可穩定量產之複合類鑽碳膜層製程技術,膜層硬度達到3,700 HV、厚度達到3 μm、摩擦係數約為0.1;同時亦開發膜層厚度12 μm之複合耐蝕膜層製程技術。相關表面改質鍍膜技術皆已於各類產品進行運用,未來將針對不同領域之產品進行進一步之開發。
 
全球人口老化速度增加,帶動醫療器材產品與生醫材料應用商機的成長,尤其是在骨科或牙科醫材的需求應用上。骨科與牙科目前常用的生醫材料主要為金屬合金材料,如不鏽鋼、鈦合金與鈷合金等,這是因為合金材料具有一定的力學特性。「生物活性塗層材料技術發展」簡介鈦合金表面生物活性塗層材料技術的研究現況。鈦合金具優異的生物相容性、耐腐蝕性、比強度高、重量輕等特性,近年來廣泛應用在骨科或牙科材料上;但因鈦合金表面屬於生物惰性,與人體骨組織之間的結合為機械鍵結,並無化學鍵結,長期使用易有穩定性的問題。近幾年有許多研究探討在鈦合金表面進行生物活性塗層的製備,形成生物活性塗層/鈦合金的複合醫材,研究顯示可有效在表面形成新生骨與成骨細胞的成長,提升整體鈦合金醫材的骨融合能力。
 
直接能量雷射沉積技術發展與應用趨勢」一文說明,直接雷射沉積(DLD)技術可以藉由雷射熔融金屬、合金或瓷金粉末材料形成塗層或所需要的三維形體,此技術是直接能量沉積的其中一種方法。直接雷射沉積技術的高能量雷射加熱源,除了可以加熱粉末材料外,並可以同時加熱基材表面形成熔池,粉末材料在送入熔池後堆積,在凝固後堆疊形成所要的堆積層。此技術可做為三維列印的一種技術,直接雷射沉積技術被歸類為噴粉式的三維列印方法,具有快速成形的優點,可以快速製作大型尺寸的塗層或元件,且材料的利用率高,因此具有在各項工業領域建構大型組件或披覆塗層的優點。
 
雷射噴塗合金層在鋼基板之製備與其微結構特性研究」藉由雷射噴塗製程,製作具有高韌性與抗腐蝕性之Ni基和Fe基塗層材料,分析包括AISI 316L與Inconel 718合金塗層等之銲滴微結構特性,具有結合銲接與熱噴塗技術特徵,多數專家視其為往毫米(mm)或厘米(cm)級尺寸之金屬層製備的延伸技術。發展以雷射光源之乾淨低汙染製程,應用在工業上的修補與再生市場,具有重要之迫切需求及潛在開發價值。此技術對於未來修補與再生合金零件,具有自主開發及走入商品化捷徑優勢,未來結合粉體之開發,雷射噴塗對航太或尖端材料科技有開發潛力,類似其他的超合金國有化開發,也有快速驗證之平台。
 
主題專欄
循環經濟是近期熱門的話題,在化工業中減塑更是最夯的訴求,化學/化工專欄本期介紹「從合成氣製造輕烯」。由合成氣製造低碳烯烴,目前工業上最好的是由合成氣製造甲醇,再由甲醇生成低碳烴,此為二段式反應。由合成氣一步生成低碳烴若在觸媒上有大幅改進,未來可和二階式反應競爭。由合成氣一步生成低碳烴可藉由反應條件和觸媒兩方面著手。溫度越低越有利於低碳烴,一般反應溫度控制在200~300˚C間。適當的反應壓力則隨觸媒而改變,熱力學上高壓有利於生成烷烴,低壓有利於生成烯烴,但壓力太低,反應會不進行,因此有一最適壓力。CO反應轉化率低,表示觸媒氫化能力低,有利於低碳烯烴的生成,但CO轉化率低,低碳烯烴的產率就不高,這點可藉由觸媒來改善它。觸媒以第VIII族元素中的Fe、Co、Ru和Rh有利於低碳烯烴的生成。添加鹼金屬可增加烯烴的產率。利用Ru/Al2O3-Zeolite複合觸媒,即一般觸媒混合具形狀選擇性且具酸性的沸石,可提高低碳烯烴的選擇率。
 
纖維紡織專欄報導「綠色紡織新商機—應用生物解聚技術循環再生PET」,PET應用於全球紡織品之用量約為每年四千五百萬噸,然而多數的紡織品難以回收再利用,最後僅能以焚燒或掩埋處理,成為令人憂慮的環境問題。目前雖有物理及化學PET回收處理技術,然而紡織品成分複雜,因此必須耗費許多時間及成本於回收反應前分類處理及後續回收物的分離純化。應用生物解聚技術則利用酵素對受質的高專一性特質,可進行多階段式專一回收處理步驟,克服紡織品中成分不純的主要問題,突破目前紡織品PET回收之瓶頸,並將PET解聚為原生單體(對苯二甲酸及乙二醇),提升紡織品PET回收之質與量,並提供符合品牌商需求之再生性PET原料。
 
光電/顯示專欄「顯示器用量子點技術現況與未來挑戰」一文分析,T.2020規範指出,顯示面板的規格由HDTV轉成UHDTV的4K、8K高解析度要求,其中廣色域顯示技術將成為顯示器成長的主力。而量子點具有相對較高的發光效率、色域表現,因此是OLED以外的最佳選項,不僅可應用在光致發光上,亦可用在電致發光元件。然而量子點故有的可靠度問題,需藉由材料及產品製程協同合作開發,方能有所突破。量子點材料被發明至今已近40年,近十年才因顯示器應用在市場快速地推進,其具特殊的光學及半導體特性,不僅可用在可見光範圍,更可延伸到UVA及紅外線波段,除顯示器外還有生醫、感測器、照明、太陽能、植物生長等工業,是台灣產業進行轉型的重要關鍵材料。未來五年顯示器產業推展幾乎與量子點技術相連結,此外感測器應用、太陽能、植物生長也將是快速發展的項目。量子點研發只能快不可慢,更需要產學研單位投入資源加以研發。
 
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