林正軒/工研院材化所
一、前言
取自於大自然的持續再生性原料，可從木材分解而來的”纖維素奈米纖維”（Cellulose Nanofiber，簡稱CNF）是目前最有聚焦性的生質補強材料，市場上也期待此具環保且資源永續特性的材料可以部份取代較高污染性的碳纖維補強材料。關於此材料的未來發展性，根據Grand View Research Inc.的市場預估報告，全美奈米纖維市場有望在2024年達到6億美元。其中，纖維素奈米纖維材料年增長率最快；預估從2016年到2024將以29.6％的複合年增長率成長，如圖一所示。至於日本，CNF製造商與企業亦正致力提升CNF複合材料實用性，讓這種材料可應用於汽車生產與房屋建造，實為令人高度期待的新型生質補強材料。
圖一、全美奈米纖維市場預估
二、纖維素奈米纖維（Cellulose Nanofiber, CNF）材料介紹
在日前舉辦的Film Tech Osaka 2018專門技術演講中，具天然環保特性的纖維素奈米纖維（Cellulose Nanofiber, CNF）材料被廣泛的討論。京都市產業技術研究所的仙波健研究員針對CNF複合材料技術與未來發展提出成果發表。CNF植物纖維的重量輕至鋼鐵的1/5，植物纖維的強度約為鋼鐵的8倍，並且植物纖維的熱膨脹率為玻璃的1/50，具有低線熱膨脹係數等特性，可做為高強度的補強材料，適合添加入樹脂中，達成高強度的複合材料，特性如圖二所示。
圖二、CNF 材料特性
1. CNF與其他補強材料的比較
CNF奈米纖維、碳纖維、尼龍纖維（Kevlar）與玻璃纖維（GF）同為市場常用的補強用材料。表一比較各種補強性纖維之優缺點，就其密度、彈性率、強度、可燃性與價格做比較。CNF具有優異的可燃性、不產生廢棄物難以銷毀問題與資源持續性之優點；因材料尺度皆為奈米等級，與其他材料混合成型後，纖維不易浮出產品表面，外觀與觸感可保持光滑感；價格上，未來CNF開始實用量產化，預估可以達到400日圓/kg左右，具有不錯的競爭力。
2. CNF複合材料分散改質方法
傳統取得纖維素的製程，一般工業製法是用亞硫酸鹽溶液或鹼溶液蒸煮植物原料，除去木質素，然後經過漂白除去殘留木質素，獲得含有高純度的纖維素纖維的木漿原料。但此時木漿原料內的纖維大小分佈不一，為了能使CNF良好分散於複合材料中，需要再經由化學改質技術進行解纖製程，使纖維大小能夠均一化，接著進行乾燥脫水，增加與疏水性高分子的相容性，再與其他功能性高分子進行分散熔融混合，方能產出高強度複合材料。也由於此製程冗長與耗費人力，2016年京都大學的矢野浩之教授提出了一種高效率的CNF複合材料分散製程方法，稱之為京都製程(Kyoto Process)，也將此材料註冊為 STARCEL®，其方法係先將木漿原料進行疏水性改質成為變性疏水性木漿，可直接與欲混摻的高分子材料一起投入具高效率分散功能的雙螺桿押出機，將原本木漿原料較大的......以上為部分節錄資料，完整內容請見下方附檔。