植物纖維複材在工業應用與發展趨勢(下)

 

刊登日期:2015/12/5
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植物纖維是地球含量最豐富的非糧可再生資源,植物纖維複合材料具有補強、輕量化等特色,因此在 3,000 年前人類就知道將天然的稻稈補強黏土/泥漿來蓋房子。而在 1942年亨利福特開發的第一款使用大麻纖維補強的汽車,卻由於經濟的限制而未真正進入市場。

然而,到了二十一世紀,在有限石油資源以及全球暖化/全球氣候急劇變遷的議題下,使得人類不得不思考回歸自然,發展低環境衝擊之友善環境。在歐美日政府的政策、環境法規的驅動下,植物纖維複合材料在建築、汽車、休閒運動等產業具有快速發展趨勢。微奈米化纖維技術的發展克服植物纖維原料存在的生物不穩定,賦予材料具均一特性以及特殊機能性,將帶動其在高附加價值之包裝、電子軟性基板,以及生醫材料等綠色產品應用發展。
 
工研院材化所生質材料研發團隊在經濟部的支持下,正積極從事非糧來源的植物纖維複合材料的開發,發展具輕量化、高強度、低收縮、高耐磨特色之綠色材料,將結合國內上游原料廠以及下游應用廠,如汽車、船舶與休閒運動等產業共同開拓綠色商機。
 
生質纖維複合材料
由於天然植物纖維會隨著種類、生長地區與氣候而有所變異,為了掌握原料的均一特性,克服工業應用面臨產品變異性的問題,因此有研究者發展出再生纖維素纖維。奧地利 Lenzing 公司是全球著名的纖維素纖維生產廠商,2014 年全球纖維產品產能,植物纖維約占 36.1%,分別為棉花的 29.4% 以及再生纖維素纖維 6.7%,如圖七所示。

表三為市場上纖維產品分類,其中纖維素纖維可區分為天然纖維與再生纖維。Lenzing公司的再生纖維已發展到第三世代,其商品名為 TENCEL®。TENCEL® Production Process 製程的最大特色為直接溶解纖維素無需經過形成衍生物的程序(圖八),此創新製程可減少化學品的用量,是一種環境友善可持續發展的綠色製程技術,因此獲得了許多環保標章與獎項。
 

圖十、Rayon/PP複材在汽車門板之射出雛型品
 
奈米纖維複合材料
奈米纖維素纖維( CNF )是一種高附加價值的材料,其原料約 0.1~0.5 €/kg,做成 CNF 則材料價值提升至 10~20 €/kg,主要是具有優異的機械性能( Stiffness~145 GPa )以及低的熱膨脹係數(<5 ppm/K )。目前由 Wood/Plant Fiber 製備 NCF 主要有下列方式:①高壓均質機;②研磨法以及 ③ TEMPO-mediated Oxidation。CNF 複合材料的機械和熱性質,其複材的強度可媲美鋼材,熱穩定性像玻璃,柔軟性則像塑膠。

日本京都大學的 Professor Hiroyuki Yano 開發由 Pulp Slurry 經研磨真空過濾法製備奈米纖維素纖維,此奈米纖維素纖維為白色狀,含浸壓克力樹脂後,經 UV Cure 後可獲得透明柔軟之奈米複合材料(圖十一),其奈米纖維素纖維含量可高達 90%。此透明材料可作為 OLED 之基材,如圖十二所示。奈米纖維素纖維的另一項應用領域為在包裝材料之應用,經由熱壓後製成奈米纖維素纖維之薄膜表面比較粗糙,因此呈半透明狀。進一步經由拋光處理後,可去除表面不平整所導致的光散問題,而獲得透明之薄膜(圖十三),透明薄膜將有機會取代傳統由 Pulp Sheet 來的紙,成為 21 世紀新世代 e-Paper……以上為部分節錄資料,完整內容請見下方附檔。
 

圖十五、奈米纖維複材透明基板在OLED應用連續製程開發(R2R)
 
作者:廖聖茹/工研院材化所
★本文節錄自「工業材料雜誌」348期,更多資料請見下方附檔。
 

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