漫談纖維素奈米纖維

 

刊登日期:2018/5/2
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李守仁/ 健行科技大學;白立文/ 工研院材化所

纖維素奈米纖維(Cellulose Nanofiber;CNF,亦作奈米纖維素)乃來自木材纖維(紙漿)的尖端生質材料,其將組成植物細胞基礎的纖維素作奈米級的纖維分離,以形成纖維寬度3〜100奈米、長度5微米的極微細纖維材料。由於原材料來自植物纖維,來源不虞匱乏,CNF於生產、廢棄時所造成的環境負擔較小。CNF密度僅為鐵的1/5,強度為鐵的5倍,具有比表面積大(>250m2/g)、熱變形小(玻璃的1/50)尺寸穩定性優、以天然植物為原料、氣密性優等多種優異特性。其可應用於高強度材料(汽車零件、家電產品外殼)、高功能材料(住宅建材、內裝材料)、增黏劑(食品、醫藥用品)、以及特殊材料(特殊紙、過濾材料)中。

圖一、樹木與纖維素奈米纖維的關係
圖一、樹木與纖維素奈米纖維的關係

日本的CNF研究,於1990年以前大多是在大學或研究機構中進行,2000年後開始有製紙廠投入,2014年由日本政府主導,以產官學合作方式開始推動實用化。根據經濟產業省2014年3月發表的「平成25年製造基礎技術實況調查(製紙業的未來展望與挑戰)」,預期在2020年時生產規模將達到約600〜900噸/年,2025年以後開始普及擴大。2016年至2017年日本各廠商已開始進行商業目的的量產計畫。就2017年而言,日本國內的CNF年產能約達880噸,仍需進一步消除生產、供貨能力的限制因素,才有機會突破擴大市場的瓶頸。目前的產量大部份是以送樣方式供貨,試用於原子筆油墨、紙尿布、清潔用紙,以及耳機立體振動片等產品。

CNF除了少部份以薄膜或不織布等用途單獨使用外,大多是與樹脂、纖維複合化,以充份發揮CNF的高結晶性、高強度、可撓性與尺寸穩定性,實現材料的高強度與輕量化。如果可以進一步提升與樹脂、纖維、溶劑的混合性,其將會有更寬廣的用途。

日本在CNF的研發上居全球領先地位。2005年之後的5年內,全球CNF相關專利數量增加了6倍,其中高達53%為日本申請的專利。因而也激勵了近年來北歐、美國、加拿大等國的研發腳步。日本在CNF的研發是以產品化為最終目標,主要有三個發展重點:
1. 開發僅以物理性處理的微細化CNF,作為製紙原料或食品添加劑,代表性研究單位為Daicel FineChem ------以上為部分節錄資料,完整內容請見下方附檔。

表一、CNF與其他補強用纖維的比較
表一、CNF與其他補強用纖維的比較


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