奈米纖維素及其複合材料:結構、製備、應用

刊登日期:2015/7/5
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目前人類生活中所需要的能源與材料,大部分來自煤、石油和天然氣等化石資源。但是,化石資源的儲量有限,且在挖掘、製造、使用的同時,伴隨著環境污染與生態破壞。在尋找替代能源與兼顧環保的驅使下,生物質(Biomass)被視為最佳的選擇之一。

生物質的概念
生物質泛指經由光合作用所產生的各種有機體,包含植物、動物、微生物,存在的形式,如農林作物、木質廢棄物、牲畜排泄物、有機廢棄物等。綠色植物藉由光合作用,將二氧化碳和水轉化為葡萄糖,同時將太陽光的光能轉變成儲存在生物質內部的化學能。光合作用所產生的葡萄糖進一步聚合為構成植物的物質,如澱粉、纖維素、半纖維素、木質素等。

生物質是一種再生能源, 來源非常豐富。任一種生物可提供一種或多種的生物質,如樹木可提供纖維素、木質素、醣類、植物油脂等不同形式的生物質。應用方面,生物質可用來生產生質乙醇、生質柴油等清潔燃料,或用於取代石化產品的環保產品。

纖維素
纖維素是世界上含量最豐富的天然聚合物,與半纖維素、木質素構成植物的細胞壁,可用於造紙、包裝、建材、材料與化學等工業。纖維素的生產來源主要取自木漿和棉花,成分與性質會因物種、年齡、氣候、生長區域而有所不同。於工業製造上,以亞硫酸鹽溶液或鹼液初步去除木質素,再經過漂白除去殘留木質素,所得的漂白漿可應用於造紙。若進一步地去除半纖維素,則可獲得高純度的纖維素。

奈米纖維素
奈米纖維素泛指纖維素材料中至少有一個維度為奈米尺寸,具有高長徑比、高強度、低熱膨脹、透明等優異的性質,因此被期許應用在眾多領域,如造紙、包裝、複材、塗料、基板等。常見的奈米纖維素包含NFC與NCC,可藉由不同的處理方式從植物纖維中提煉獲取。

奈米纖維素複材的應用
除了作為強化樹脂的機械性質外,奈米纖維素複合材料還有其他的發展潛力,以下簡述數種接近實用化的應用。①包裝:特定的奈米纖維素複材可明顯提升阻水、阻氣的效果,此現象推估與纖維素網絡造成的迂曲效應有關,可降低水氣、氧氣、二氧化碳於複材中的擴散,並運用於包裝工業。②超吸水性水凝膠:Ragauskas團隊將奈米纖維素製造成水凝膠,藉由與甲基乙烯基醚-馬來酸共聚物(Poly(Methyl Vinyl Ether-Co-Maleic Acid))、聚乙二醇(Poly(Ethylene Glycol))交聯,得到超吸水材質,可吸取材料自身9倍重量的水份。③聲學隔膜(Acoustic Diaphragm):聲學隔膜是奈米纖維素最接近終端的產品之一,極薄的奈米纖維素薄膜具有高音速、低損耗等優點,媲美傳統鋁、鈦金屬隔膜的傳導音速,與紙隔膜相近的細緻音質。目前,SONY公司已將奈米纖維素開發成為耳機隔膜(圖三)。


圖三、SONY公司以奈米纖維素作為耳機的隔膜

奈米纖維素複材於國內的發展
近年來,國內工研院在生質材料的研發成果倍受肯定,例如以「木質素環氧樹酯技術」發展無害、環保的生質罐內漆,先後獲得美國百大科技獎(R&D 100 Award)、美國科學人(Scientific American)雜誌的肯定。除此之外,工研院亦努力於累積奈米纖維素的研發能量,著手發展奈米纖維素的改質與樹脂混成技術……以上內容為重點摘錄,如欲詳全文請見原文


圖五、 (a)純樹脂;(b)添加1%改質奈米纖維素的樹脂複材

作者:連泓原/工研院材化所
★本文節錄自「工業材料雜誌」343期,更多資料請見下方附檔。


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