《工業材料雜誌》2023年十月號推出「機能陶瓷膜層成型技術發展與應用」與「循環農業副產物高值化技術」兩大技術專題

 

刊登日期:2023/10/4
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陶瓷只能硬邦邦嗎?神奇魔法製作機能陶瓷膜層
傳統陶瓷材料給人的印象大多是硬邦邦、具有一定的形狀,多數製程需要靠高溫燒結而成。從廣泛應用來看,陶瓷材料可以藉由特殊的製程技術製作為膜層,將陶瓷的機能性賦予在其他材料的表面,例如抗磨耗或提升硬度等應用。由於陶瓷材料通常需要高溫燒結製程技術,若是要形成陶瓷膜層,大多會以物理濺鍍或化學塗膜等方式來製作;同時,為了避免製程過程中損害原始的陶瓷材料,往往材料的選用與製程條件都必須考量限制表面處理材料本身的製程溫度;或者要增加兩層材料間之附著能力,則必須添加部分黏結材料,常見為玻璃、低熔點材料或金屬等,感覺上非常複雜且不具工業化能力。
 
現今日新月異的先進應用,經常需要將許多陶瓷材料製備於其他材料的表面,來達到其應用價值,最常見的是各種半導體設備的組件,往往會在鋼材或陶瓷材料表面製作另一層陶瓷材料,藉此達到其抗磨耗、耐腐蝕、抗靜電或抗電漿侵蝕等效益。隨著全球淨零減碳議題的發酵,傳統積層化陶瓷與陶瓷粉體表面處理等技術,往往造致極大的能源消耗與直接排碳,與時俱進的製程技術開發迫在眉睫。再者,陶瓷材料常常具有負責的成分相與配方準確穩定性需求,在膜層製備上,亦需要有所創新或新的解決方案。因此,近年來機能陶瓷膜層成形技術備受關注。
    
電漿熔射噴塗技術是工業開發的重要技術,以此技術製備塗層是一種低溫且快速簡便的鍍膜製程,同時能改良工件材料表面性質,如耐磨耗、耐腐蝕、耐高溫、抗氧化、絕緣及熱傳導等。透過電漿熔射噴塗技術,不論陶瓷或是金屬粉體皆可藉由粉末的熔融以及噴塗變數的控制,於基材上獲得所需的鍍層,因此被廣泛應用於各種領域製造高質量的塗層。電漿熔射噴塗技術於工業上之航空、汽車、建築或是生醫材料具有應用優勢,且持續跨足各大領域中,已成為各工業大國指標性發展的技術之一。「陶瓷電漿熔射噴塗成型技術」介紹大氣電漿熔射噴塗和真空電漿熔射噴塗之技術原理,以及電漿熔射噴塗於積層陶瓷製備之應用,包括:固態氧化物燃料電池薄膜電極、半導體設備碳化硼塗層、人工關節陶瓷塗層、航太應用絕熱塗層等,並探討影響塗層穩定性之因素。
 
機能性陶瓷薄膜的製備和應用一直是材料和工程科學的熱門領域,舉凡電子元件、光學元件、能源轉換、感測器和生物醫學等皆可見到其廣泛的應用。為了製備機能性陶瓷薄膜,學術界和工業界採用了多種技術。近年來,脈衝雷射鍍膜(PLD)技術作為一種先進的薄膜製程技術,已受到了廣泛關注。「脈衝雷射鍍膜技術應用於機能性陶瓷薄膜」旨在探討脈衝雷射鍍膜技術在機能性陶瓷薄膜領域的應用,首先介紹PLD技術的基本原理,隨後闡述PLD製備條件如何影響陶瓷薄膜特性;繼而透過氧化鋅透明導電薄膜和氧化鎢電致色變薄膜的應用案例,說明PLD技術對機能性陶瓷薄膜製備和應用的影響和潛力。
 
陶瓷粉體材料被廣泛應用到各種工業領域,而粉體材料的表面改質或鍍膜可增強粉體的各種性能。傳統上透過濕式沉積為主,但由於粉體的高比表面積、顆粒團聚與空間上的擴散限制等問題,造成濕式製程難以做到精準膜厚控制。因此,氣相鍍膜技術逐漸受到重視,其中原子層沉積技術(ALD)具有自我限制反應,在複雜的粉體表面仍可以達到埃(Å)等級的膜厚控制,提供粉體材料開發上更多可能性。「精密鍍膜技術於陶瓷粉體材料之先進應用」分析了精密鍍膜技術之優劣,提出ALD在粉體鍍膜上的優勢並整理各種應用案例,幫助讀者了解ALD粉體鍍膜的原理、方法與各種先進應用。
 
HPC、5G、AI和電動車技術的快速發展,推動積體電路(IC)封裝需求不斷攀升,IC封裝是關鍵技術,保護微小晶片並方便將其安裝在電路板上。現今IC封裝有多種方法,但隨著功能複雜化,接腳數目與設計要求更嚴苛,因此,持續改進和創新封裝技術是未來重要發展方向。隨著高速資料傳輸和運算需求不斷成長,電源完整性和訊號完整性相當重要,為應對這些需求,在系統封裝元件放置去耦電容器以消除電源電壓下降造成的雜訊,於設備運算速度增快和低電壓運作下,該功能愈顯重要。因此,高容量、低電感和縮短電容佈線距離的電容器成為必要。為達最大效益,去耦電容器最好直接放置在元件下方並內埋於封裝中,透過陶瓷粒子氣霧沉積法有望實現,同時降低成本。「陶瓷粒子氣霧沉積技術與其應用」回顧去耦合電容於封裝的應用與陶瓷粒子氣霧沉積法的進程,藉由陶瓷粒子氣霧沉積法引入,期望為HPC、5G、AI和電動車等領域提供更優質的IC封裝解決方案。
 
農業資材升級再造:跨域綠色新契機   
在全球持續關注氣候變遷和永續發展的今天,農業資材循環升級再造已經成為一個引人注目的新商機。這一概念代表著將農業副產物轉化為有價值的產品,從而實現資源的循環利用以減少浪費,並降低對環境的不良影響,同時為企業的轉型成長提供了新的機會。以個人護理產品和化妝品為例,供應鏈上游致力於開發和提供永續原料,這些成分可能包括有機提取物、天然油脂、再生原料等,以減少對有限資源的依賴。原料生產則在化學合成方面致力於綠色化學的原則,減少對環境的不利影響,包括減少有害廢棄物的生成、使用更環保的溶劑和程序等。再者,推動使用清潔能源,以減少碳排放並減輕能源生產對環境的影響。最終通過不同的可持續性認證,確保其產品和過程符合行業標準和最佳實踐。這些認證可以幫助消費者識別並信任他們的永續產品。
 
農業副產物轉化再造綠色化學品市場變得越來越受歡迎!多樣性應用領域創新不僅有助於減少對有限的化石燃料和化學原料的需求,同時促進可持續性和環保的具體實踐,更可望為農業創造更多的收益機會造福農民,並減少農業副產物處理所造成的碳排和浪費。「農業副產物升級再造綠金化學品」探討不同產業鏈關鍵廠商如何與產地或食品工業合作、取得穩定料源,包括芭樂葉、稻殼、柑橘皮;繼而透過純化、分離活性分子或合成再造綠色乳化劑,將農業副產物去蕪存菁成為新穎質地改良劑、生物活性功效原料、機能性原料等等,串聯終端消費品,提供等效甚至更優異的性能表現。這些創新為未來產業永續發展提供了有力的支持和示範。
 
根據農業部於民國111年的屠檢數量統計,全臺一年禽類屠宰量為四億隻,並產生四萬噸以上的廢棄羽毛。羽毛有90%是角蛋白,具有強疏水性,難以分解。目前主要處理方式為透過高溫高壓以及酸鹼添加進行處理。隨著全球對於化學肥料的減量政策,水解羽毛產生的胺基酸及短胜肽可作為生物來源肥料使用。生物分解法相對化學及物理法有較高的胺基酸含量與種類,以及較少的蛋白損失,所生產的肥料除了符合低碳農業所需之有機肥料,更可解決日益增加的廢棄羽毛處理問題。「羽毛角蛋白於肥料的應用」針對羽毛角蛋白作為胺基酸肥料的相關市場、生產技術、產業及產品概況、未來趨勢進行探討。
 
化妝品產業的農業副產物加值應用」一文報導,農業副產物的應用領域日益擴大,透過從萃取技術到發酵、改質技術,開創了多元的應用範疇,如功能性原料、面膜布等,延伸了原材料的用途,以「升級再造(Upcycle)」創造成高價值產品,同時契合日益嚴格的環保法規。驗證產品的天然來源對於消費者信任也至關重要。產銷履歷認證和儀器分析認證成為鑑別產品來源的方法,碳-14定年法更是一種科學驗證手段,可證明產品的天然來源比例。這種認證不僅在商業上具有意義,更對於綠色商品的推廣和品牌的昇華起到了關鍵作用。在全球日益嚴重的氣候變遷下,尋求綠色、可持續解決方案成為當務之急。農業副產物的轉化不僅是減少碳排放的途徑,更是創新的方向。這一趨勢除有助於可持續發展,也為企業的成長提供新動力,同時提升消費者價值和品牌價值。
 
農業與食品工業每年產生大量的廢棄物,這些廢棄物通常富含蛋白質和多醣,經常被丟棄或用於動物飼養。「農業廢棄物作為綠色材料的再利用與應用」介紹了許多不同的農業廢棄物與其不同的再利用方式,來增加農業廢棄物的價值,如使用榴槤皮、芋頭廢料與甘藷廢料作為纖維素、活性炭與乙醇生產的原材料。利用常溫電漿技術來降解農業廢棄物(例如:甘蔗渣、鳳梨皮)產生的有毒物質,並作為生產細菌纖維素與乙醇的替代營養物。將農業廢棄物與聚丙烯等物質結合製成一種可緩慢釋放營養物質的固定化載體,可重複分批發酵,增加目標產物產量與產率,同時降低生產成本,可用於生產麴酸、細菌纖維素與魯蘭多醣。也將農業廢棄物與3D列印技術結合,製成一個可重複使用的固定化載體來生產乙醇與乳酸菌肽。農業廢棄物的再利用除了可以降低成本還可以增加產物,已成為目前的趨勢。
 
全球每年約產生4,300萬公噸的豆渣,台灣一年的豆渣產量就高達42萬公噸。 豆渣是黃豆製作成相關食品過濾後剩下不溶性部分的殘渣,具有相當高的營養價值。「豆渣循環經濟之市場技術應用與專利分析」一文透過推動案例剖析,我國豆渣轉為飼料用占65%、肥料用占25%、其他占9%、食品應用占1%。經濟部產業發展署(原工業局)暨桃園市政府推動跨域生態系,以寵物市場(如貓砂)起始,後續可推動至其他領域,包括食品、保健品、飼料、生活用品等市場。從專利分析中可知,近年豆渣有相當多新興的應用領域,包含調味料、防腐劑、結著劑、貓砂、寵物食品、環保餐具、面膜、養髮液、中藥散劑等。
 
主題專欄與其他
國內印刷電路板供應鏈的產品製造分工精細,中小廠商家數眾多,今(2023)年TPCA甫完成第一個官方版的台灣PCB供應鏈碳排放資料統計報告實屬不容易。由於全球暖化加劇,電子產品減碳成為國際產業趨勢,資訊品牌大廠已陸續執行碳中和策略並開始邁向淨零排放。電子產品中碳足跡較高的部件如PCB,亦開始採取減量設計,這對於掌握新台幣近兆元PCB產值的台商來說是一項警訊。「PCB減碳技術發展現況(下)」一文延續上期,介紹資訊電子產品減碳設計趨勢,梳理國際間正在發展的PCB減碳技術,盼能協助台灣PCB業者規劃合適的產品減碳策略。
 
市場瞭望專欄「無人機應用發展趨勢與技術演進」一文指出,近年無人機產業隨農業、工業檢測、運輸、空拍娛樂以及戰爭,廣泛地受到大家的重視,不知不覺中無人機已經嵌入到日常生活。在產業發展的重點上,除深化無人機載具技術研發,也擴充至蜂群無人機協作,結合感測器,於軟體部分導入人工智慧、邊緣運算,更加重視資訊安全。嶄新商業模式幫助人類創造更美好生活,也成為新投資標的。台灣產業在這波浪頭上該如何扮演全球角色,需更積極以贏得下一世代競爭優勢。
 
隨著全球對於氣候變遷及環境保護議題的日益關注,低碳節能技術在各個產業領域中扮演著愈發重要的角色。傳統磁磚在永續發展方面,有著高天然礦物損耗、高能源使用、高汙水或粉塵排放、低附加價值等問題亟待克服。據陶瓷公會統計,民國111年台灣總磁磚需求量達66,832,613平方米,而國內舊型窯爐每生產一萬平方米磁磚,碳排約675公噸CO2e/年,低碳節能綠色磁磚的開發為產業轉型的必要趨勢。「磁磚產業減碳技術」從其製作流程盤點可能的減碳措施:在原料端常見的技術有磁磚輕量化與資源物料再利用;製程端常見的則為窯爐結構設計、燃燒氣氛控制、快燒製程與配方設計等。通過這些手段,將可使磁磚生產朝更加低碳環保與永續發展的方向前進。
 
近年來,隨著全球綠色經濟意識的提高,許多國家紛紛推動循環經濟政策,促使產業更積極參與再生技術發展與推動。而目前國內資源再生仍面臨挑戰,需要技術創新、法規支持等綜合努力,以實現更高水平的資源再利用。「循環潛力物質產業純化技術與再生產品」著重於資源循環概念,強調純化技術對於資源再利用的重要性。文中將會介紹具循環潛力之科技業常用化學品(硫酸、異丙醇)與具循環潛力金屬(鎳、鋁)之純化技術;文末也分析了再生產品推廣現況,以及資源回收再利用的挑戰,並提出資源循環推動策略建議,如技術創新、協同合作、法規政策等。
 
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