功能化木質素技術及其於PCB之應用

刊登日期:2012/9/18
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木質素簡介
木質素是植物體的重要組分,含量僅次於纖維素和半纖維素,是重要的可再生資源,然而,其化學結構十分複雜,至今尚未完全清楚。因單體不同,可將木質素分為三種類型(圖二):由紫丁香基丙烷結構單體聚合而成的紫丁香基木質素(Syringyl Lignin;S-木質素)、由愈創木基丙烷結構單體聚合而成的愈創木基木質素(Guajacyl Lignin;G- 木質素),以及由對- 羥基苯基丙烷結構單體聚合而成的對- 羥基苯基木質素(Hydroxy-phenyl Lignin;H- 木質素);裸子植物主要為愈創木基木質素(G),雙子葉植物主要含愈創木基- 紫丁香基木質素(G-S),單子葉植物則為愈創木基- 紫丁香基- 對-羥基苯基木質素(G-S-H)。

木質素之改質
舉凡木質素的改質最常見的有磺化、磺甲基化、酚化、酯化、去甲基化、羥甲基化、烷羥基化、羧酸化、環氧化、胺化、硝化、醯化、鹵化、縮合反應及接枝共聚。

經由磺化或磺甲基化(圖三)的改質木質素具有較佳的親水性、分散性和表面活性,因此在工業上被應用為陽離子乳化劑(引入陽離子基團)、水媒漿添加劑、水泥減水劑、燃燒分散劑與材料黏合劑,是目前應用性最為廣泛的改質木質素。

木質素的酚化則是另一被廣泛應用的改質方式,在催化劑的存在下,將苯酚類化合物引進到木質素上,增加其芳香環及酚羥基的含量(圖四),進而增加木質素的反應性。酚化後的木質素普遍應用於酚醛樹脂、環氧樹脂的交聯劑上,或與其他高分子材料進行接枝共聚改善其物理性質。此外,由於具有含量較高的酚羥基、吸附能力佳,故可做為甲醛捕捉劑及金屬敖合劑,而研究人員更發現酚化木質素也可做為肉毒素的吸附劑。


圖五、木質素去甲基化反應方程式

功能化木質素於PCB 之應用
印刷電路板是電子構裝中,最基礎、最關鍵的材料,其組成為補強材料加上樹脂配方,目前最常用的樹脂配方為環氧樹脂,而補強材料則由早期的纖維紙,演進到現在泛用的玻璃纖維布,此類的基板組泛稱為FR-4 PCB (Printed Circuit Board),此為目前最泛用的基礎型基板,該規格基板所使用的樹脂之物理和電氣性能可滿足過去大多數基礎電子產品使用,一般基板的製程是將玻璃纖維布含浸環氧樹脂生膠水後,烘烤使其溶劑揮發及部分交聯後形成膠片,經適當的裁切及堆疊,並於上下層加上銅箔及經過適當的條件加熱壓合即為銅箔基板,根據不同的需求,可以有不同的厚度或層數。

其中生膠水的組成是以環氧樹脂、交聯劑、催化劑及溶劑為主體,而在FR-4 基板中常用的環氧樹脂為雙酚A 系列的環氧樹脂,然而以環氧樹脂為基材之樹脂並不具有難燃性,因此必須添加難燃劑於基材配方中,早期積層板多以添加鹵素做為難燃劑,現今由於環保因素改為添加無機粉體、磷系、氮系之難燃劑,亦有部分積層板是利用樹脂之化學結構改質達到難燃之目的。然而上述習知材料多為非生質來源,不符現今材料發展趨勢。

為了提升目前基板材料的環保特性,工研院開發將木質素導入難燃結構,並應用於銅箔基板材料之技術,其木質素難燃交聯劑之設計偏向以Melamine 的結構為主,並引入氮及硼系結構以增加其耐熱或難燃特性。此外,引入結構之後,產生交聯反應時可提升交聯密度,最後將少量無機粉體引入配方中,以降低熱膨脹係數。同時少量的無機粉體可以不同特性的種類取代,皆能有效發揮協同作用……以上內容為重點摘錄,如欲詳全文請見原文


圖十、生質基板之透光外觀

作者:謝承翰、林永展、楊偉達、張麗敏、謝青城 / 工研院材化所
★ 本文節錄自「工業材料雜誌309期」,更多資料請見:http://www.materialsnet.com.tw/DocView.aspx?id=10565


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