工業材料雜誌元月號推出「多孔材料應用」與「高值材化生產力4.0」兩大技術專題

刊登日期:2017/1/9
  • 字級

多孔材料應用技術專題 
多孔材料的應用可以追溯到人類文明的生活應用,直到十八世紀工業革命,人類對孔洞材料才有更深入的了解與探討。多孔材料的應用領域涵蓋相當寬廣,如沸石以石化業煉油製程之需求量最大,主要應用於不同產品分子大小之分離。近幾十年來,為解決傳統分子篩或吸附材料在實際應用時所遭遇的問題,雖然有OMMs、MOF與沸石薄膜等沸石以外的多孔材料開發,仍無法立即取代沸石在煉製工廠的地位,主要原因在於新材料對高溫的不穩定、酸度低及價格偏高。然而,新開發的孔洞材料仍憑藉其優異的孔洞調整性與分離效果,深獲工業界與學術界的青睞,短期內雖無法取代沸石,未來仍有相當機會可補足沸石在工業上的使用限制。

工業材料雜誌元月號特別規劃「多孔材料應用」技術專題,內容包括「多孔材料應用方興未艾-有機無機框架材料新契機」、「中孔介面之微孔洞自組裝修飾技術」、「奈米零價鐵結合石墨烯的發展與近況」、「中空纖維吸附材料應用於環境氣體污染防治」等精彩文章,嘗試將MOF的發展近程與未來應用之可行性做一探討,針對孔洞材料製備與修飾手法在氣體吸附與液體中有機物等催化行為做一深入介紹,並提供傳統孔洞材料在實際運用時,因為造粒或擠壓成型所造成之效率降低等缺點,提出中空纖維吸附材料結構設計,希望對新材料開發後在應用上的手法提供業界一個新的結構設計與應用概念。
 
多孔性材料於吸附、過濾、分離、濃縮、催化、隔熱、釋藥等都有非常廣泛的功能應用。由傳統的沸石與分子篩到中孔洞氧化矽與中空纖維等奈米材料,到最近沸沸揚揚的有機無機框架材料,科學家對於孔隙材的結構操控與應用設計可說漫無止境。2016年在美國加州舉辦的金屬有機框架(MOFs)盛會上,展現了最新材料的設計趨勢、應用領域、商業化製程可能性及概念商品之開發。「多孔材料應用方興未艾-有機無機框架材料新契機」一文剖析最新材料的進展與國際知名團隊的研發策略方向,並就材料的可製造性與實際應用情境來舉例介紹,希望藉此也讓讀者得以借鏡這些新創公司如何憑藉其關鍵競爭優勢,從材料到新創的心路歷程。
 
廢水回收與零排放是政府目前高度重視的課題之一,其中低環境濕度的高固含量污泥的處理是相當重要的環節。目前最被廣泛使用的是熱乾燥技術,但其須消耗龐大的電力成本;因此低能耗、低成本的環境水回收處理技術開發有迫切需要。吸附式脫鹽(AD)技術是一項低能耗、低成本且可應用於水回收的技術,工研院材化所利用改良矽凝膠中空纖維的內部結構,以增進吸附式脫鹽技術的水氣吸收能力,然而,現階段矽凝膠中空纖維的水氣吸收效率仍不足,需要進行進一步的材料結構改良。有鑑於此,「中孔介面之微孔洞自組裝修飾技術」一文將介紹工研院材化所研究團隊如何設計一中孔/微孔複合材料,以提升其在低環境濕度之水氣吸收效率。
 
奈米零價鐵結合石墨烯的發展與近況」一文旨在說明過往地下水污染處理技術至今的進展;從早期的現場抽出再處理、零價鐵滲透性反應牆、奈米零價鐵處理技術,到目前最新使用石墨烯結合奈米零價鐵技術。由文獻統計中發現,奈米零價鐵可以處理環境中超過一百種的有機及無機污染物,經由實驗實證,使用石墨烯材料結合奈米零價鐵,可以有效降低奈米零價鐵的聚集問題,
且石墨烯能導電的特性並不會降低污染物質的分解反應速率。石墨烯為碳材,藉由其吸附有機污染物之特性,奈米零價鐵結合石墨烯能提高地下水中有機污染物的處理速率。
 
工業化社會提供人類便利的生活,卻也帶來了一連串的環境污染,「中空纖維吸附材料應用於環境氣體污染防治」一文討論二氧化碳捕獲及揮發性有機物質(VOC)氣體處理方法,並介紹了極具發展潛力,且已有十年以上發展經驗的中空纖維吸附材料。中空纖維吸附材料具有高比表面積、高孔隙率、低質傳阻力與低壓降等特性,藉由於各應用領域之實務經驗,證實其為可提供高效、低能耗與低操作成本之氣體處理技術,期許能為相關產業導入氣體處理應用之創新思維。
 
高值材化生產力4.0技術專題 
「人工智慧AlphaGo連續擊敗世界頂尖棋王」的新聞引起許多人的注目與好奇,這種結合電腦運算與大數據分析技術是否也能應用在創新材料的研發與智慧製造呢?

美國於2011年提出材料基因組計畫(MGI),將研發模式轉變為「優先理論預測,再行實驗驗證」,藉此縮減研發時程與成本;其他包括歐盟、日本、中國等也相繼啟動類似的計畫。工研院材化所長期以來,為加速新材料的開發應用,亦積極投入電腦輔助工程技術之開發,建構高速平行運算電腦系統、理論計算工具與方法,並建立跨尺度材料模擬設計平台。本期工業材料雜誌規劃「高值材化生產力4.0」技術專題,精彩內容包括「材料模擬於智慧製造之應用」、「高分子材料之多尺度模擬設計平台」、「混合分散技術平台之介紹」、「第一原理與量子化學計算在材料基因組的應用」、「淺談大數據解析技術-機器學習於材料科學與工程之應用」等,透過實際案例,介紹材料開發者如何透過理論計算、搭配實驗驗證與數位資料庫,快速精準找出新材料的設計準則、組成配方與製程優化條件,相信在創新材料的研發上對業界先進會有相當的助益與啟發。
 
材料模擬於智慧製造之應用」一文就印刷電路板(PCB)、3D列印、鋰電池等三項產品,介紹工研院材化所以調控材料與製程參數發展對產品進行優化設計的理論與模擬技術。在印刷電路板方面,介紹材料翹曲抑制智能化結構設計技術,迅速計算線路圖案配置導致熱壓製程的翹曲,並提供增補鋪銅率對於翹曲抑制的貢獻。3D列印則聚焦於金屬3D列印,因溫差所造成不均勻膨縮而產生熱應力與其導致之結構翹曲。鋰電池方面,則包括熱管理、穿刺短路和循環壽命理論模擬等。
 
電腦模擬不只是理論物理學家手中的武器,也已經逐步成為實驗化學家與實驗物理學家及材料科學發展不可少的工具。「高分子材料之多尺度模擬設計平台」一文介紹工研院材化所佈建的高分子材料開發之設計平台,係針對高分子材料微觀分子設計、介觀型態與宏觀性能所設計之多尺度模擬平台;接著分享數件以高分子材料模擬輔助的成功實例;文章最後將概述未來產業的應用機會及合作方向,藉由導入高分子材料之多尺度模擬設計平台,可降低業者的研發成本及縮短材料研發時程,以有效率地針對目標載具進行材料設計、改質、篩選或差異化產品開發。
 
混合分散技術平台之介紹」一文介紹工研院材化所執行工業基礎技術所佈建的混合分散技術平台,針對材料分散的學理性、工藝性與泛用性,建置資料庫、檢測、設備與模擬平台,應用在分散劑/溶劑/材料選擇、溶解度參數、表面能匹配與分散安定模擬,同時亦將介紹平台運作的模式與分享數件成功案例。最後將概述透過網路進入混合分散技術服務平台,取得混合分散參數,解決材料/製程設計問題,加速材料研發時程。藉由資料庫平台,強化產業界之聯結,有系統地培育混合分散研發核心人才,深耕在高分子材料、電子材料、電池能源材料等領域的研發能量。
 
量子力學密度泛涵理論(DFT)的發明建立了多電子系統第一原理量子計算的理論基礎,再加上電腦計算效能突飛猛進,使計算研究方法繼理論研究方法、實驗研究方法後,成為新的第三種研究方法。有計畫的將各種材料的基本電子結構做一計算,並與材料巨觀實驗量測的性質相連結形成資料庫,將對工業的基礎材料研發效率產生根本性的改變,這也就是美國總統歐巴馬於2011年提出材料基因組計畫(MGI)的根據。「第一原理與量子化學計算在材料基因組的應用」一文即是針對第一原理計算與MGI作一概念式簡介,並以工研院材化所應用第一原理計算與MGI方法開發新OLED材料與金屬催化劑,作為計算的電子結構與巨觀性質的連結為實例說明。
 
淺談大數據解析技術-機器學習於材料科學與工程之應用」一文旨在闡述大數據與機器學習及跟材料科學或工程之間的關係;說明如何從既有的實驗數據中,找出規律或趨勢,以作為新型材料分子的設計依據。近年來,歐美國家將機器學習與高速電腦模擬計算結合,如MGI及MARVEL計畫,使科研方法產生劇烈變化,數據科學為全球趨勢,但目前在台灣主要仍被運用於電子商務或財務金融居多,如果能將材料科學結合數據科學,不僅可以降低人為主觀的判斷誤差,更可以加速新材料的開發時程。文中亦針對幾種常見的機器學習演算法進行介紹,並輔以實例說明。
 
主題專欄 
我國政府在新政策綱要中特別強調循環經濟的發展推動,希望在「亞洲矽谷」、「智慧機械」、「國防產業」、「綠能科技」及「生物醫療」五大創新研發產業導入循環經濟概念,將循環經濟理念深植於產業發展中。工研院材化所李宗銘副所長在「循環經濟新潮流下的材料科技新挑戰與新應用機會」一文中特別推薦《工業材料雜誌》,本刊今年度將以循環經濟為主軸,企劃多個技術專題,介紹循環經濟應用主題相關聯的材料新應用技術,期待對循環經濟的產品設計、綠色工廠技術發展有更進一步的認識,並提供相關綠色創新材料技術研發現況,作為業者先進未來投入發展之基礎。
 
循環經濟時代的來臨係由於人類對資源需求的大幅成長與企業持續經營獲利的壓力,分享經濟為建構完整循環體系不可或缺的商業模式,消費者習慣的改變是循環經濟能否成功的關鍵因素。「循環經濟下的產業發展趨勢與機會」一文從循環經濟近期提出的成因、可解決甚麼問題、帶來的機會與產業未來可能的改變等面向切入,希望能以深入淺出的介紹方式,帶給讀者新的啟發與思維。
 
在2000年及2008年,光通訊業曾面臨兩次全球科技泡沫與經濟危機的打擊而產值萎縮,但在大型CSP資料中心的傳輸需求出現後,美歐日等先進產業國紛紛再度投入資金進入光通訊領域,以加速由「光」取代「電」作為數據傳輸主力的演變。「矽光子產業之市場現況與技術簡介」一文首先說明矽光子市場現況與近期購併歷史,接著介紹矽光子模組的細部設計。矽光子研發需時久也耗資多,然全球廠商與研究機構還是前仆後繼地投入,顯見市場與產業的需求,而未來矽光子的技術挑戰可分為「模組整合」與「系統整合」兩階段。
 
超臨界流體技術以先進的製程應用於多種領域,例如天然物萃取、藥物活性成分性質的改良、奈米材料製造等。「應用超臨界流體技術於原料藥改良之研究」一文首先針對超臨界流體技術的發展作概略敘述,對此技術應用於藥物活性成分的再結晶與微粒化進行介紹,並列舉超臨界反溶劑法,以及超臨界快速膨脹法的實驗設備,分別敘述實驗的步驟與產品分析的方法,以台大化工系所探討過的兩種藥物活性成分(氫氯苯噻與氯貝酸),說明兩種超臨界流體技術處理後的成果,最後針對目前具有研發前瞻性的高價值共結晶藥物,作可能研究方向之敘述。
 
材料補給站 
材料界年度盛事—2016中國材料科學學會年會於11月中假新竹工研院隆重舉行。由材料學會理事長彭裕民博士親臨主持的「新創事業心得分享座談會」,特別邀請到鼎茂光電高繼祖董事長、鈺邦科技鄭敦仁董事長及國碩科技蔡禮全總經理等三位業界賢達,針對如何成為下一波材料產業CEO,分享走過創業維艱、跨越死亡之谷的寶貴經驗;亦針對台灣材料產業面臨的危機及如何創造新創機會,提出深入而誠懇的建議。「聽CEO談—如何成為下一波材料產業CEO」一文為本刊扼要綜整的當日座談內容,供對前程具有開創性與企圖心的讀者們參考。站在巨人的肩膀上可以看得更高、望得更遠,我們期待三位成功材料人的經驗可成為有心邁向新創之路者的墊腳石。
 
最後,本期材料愛說笑「透明‧隱蔽‧不存在」以光波及電磁波為主題,用輕鬆的文字敘述「隱形」,帶給讀者不一樣的觀點。隱蔽物體的科技,是人們的夢想,也是有趣的材料科技主題。
 
凡對以上內容有興趣的讀者,歡迎參閱2017年1月號『工業材料雜誌』或參見材料世界網,並歡迎長期訂閱或加入材料世界網會員,以獲得最快、最及時的資訊!

分享
為此篇文章評分

相關廠商