植物纖維複材在工業應用與發展趨勢(上)

 

刊登日期:2015/11/5
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植物纖維是地球含量最豐富的生質材料,由於植物纖維複合材料具有補強、輕量化、低能耗等特色,使其在民生、建築、汽車、電子、休閒運動等產業具有快速發展趨勢。根據 Lucintel 市場調查報告,植物纖維複合材料之市場產值預計在 2016 年可達 3,805 百萬美元。目前的工業應用主要聚焦在建築與汽車等產業,其主要的驅動力來自於政府的政策支持、環境法規以及消費者的接受度。隨著微奈米化纖維技術的發展,可開拓其在高附加價值之應用包裝、電子軟性基板與生醫材料等綠色產品。
 
前言
具補強功能之植物纖維複合材料,其纖維材料可分為兩大類,一為木纖維,另一為非木纖維。前者包括硬木/軟木纖維以及回收木纖維,發展的複合材料稱為木塑複合材料( WPC ),目前最大的市場是在北美、歐洲、日本、中國大陸,主要工業應用為建築與結構材。後者則包括韌皮纖維(Flax、Hemp、Jute、Ramie、Kenaf)、葉子纖維(Pineapple、Hemp、Sisal)以及種子/水果(Cotton、Coir)纖維等,非木纖維素具有快速生長的特色。植物纖維主要的組成包括纖維素、半纖維素、木質素,以及部分含灰分與Silica等雜質。
 
具補強功能之植物纖維複合材料
塑膠具有可回收、容易加工與成型以及輕量化等優點,為目前不可或缺的材料,然而,在實際工業應用上所需的強度仍不及金屬或陶瓷,故需有補強劑來增加其機械強度。目前最常使用的補強材料為玻璃纖維,相關複合材料在家電用品、汽車零件以及運動器材技術相當的成熟。然而,由於生產玻璃纖維材料是一種高能耗製程,容易造成環境與健康的問題,存在使用端產品碎裂產生尖端危險性等問題待克服。近年來在有限的石油資源及全球暖化/全球氣候急劇變遷的議題下,發展低碳、安全的環境友善材料為重要的國際趨勢。
 
圖二、生產1公斤的亞麻纖維、玻纖以及碳纖的能量需求
 
1. 建築
在環境保護的議題下,全球綠建築市場規模由 2010年的 1,946 億美元,上升至 2015 年的 6,068億美元,成長高達3倍以上。植物纖維應用在建築業是目前最大的工業應用市場,主要驅動力來自於歐美政府的政策推動以及材料本身具有低生命週期成本、容易維修以及環境友善為消費者所接受。圖三說明植物纖維補強材主要應用於建築,如圍欄、籬笆、窗框、門框與地板等,使用的植物纖維材料為木、亞麻、稻殼、甘蔗渣、椰子殼纖維以及麥/稻稈。
 

圖三、植物纖維複合材料在綠色建築之應用
 
2. 汽車
在減少能耗與碳排放的議題下, 汽車輕量化成為全球汽車材料發展的主要方向,目前使用具輕量化之塑膠材料(主要是PP、PU和PA),已經成為歐洲地區汽車發展最重要的政策。根據日本汽車工業協會研究,當汽車減量 10%,將可降低 10% 的 CO2 排放量,此時汽車的油耗量將從 12 km/L 提升到 15 km/L。圖四說明日本汽車工業協會在汽車減重的策略,內裝件為 20kg,而外裝件則設定為 100kg。植物纖維複材在汽車應用,主要驅動力來自於汽車產業輕量化發展的需求、歐美日政府政策的推動以及材料本身具良好的散熱與隔音功能。圖五說明植物纖維補強材主要應用在門板、內飾件、後行李板、座椅靠背以及……以上為部分節錄資料,完整內容請見下方附檔。
 
作者:廖聖茹/工研院材化所
★本文節錄自「工業材料雜誌」347期,更多資料請見下方附檔。

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