隨著經濟成長與醫療科技水平的進步，台灣整體人口結構快速趨向高齡化，使得需求長期照顧的人數也同步高速增加。其中長照所需之衛生產品，如成人紙尿褲及看護墊等，需求量極大。此類產品的吸水層材料絕大部分都使用高分子吸收體或其複合物，直接造成廢棄物處理污染環境的問題。當前的處理方法仍以焚化法為主，其處理過程會產生有毒廢氣；而利用堆肥掩埋法，這些材料平均需要300~500年才可達到生物降解時程。因此，本研究將尋求替代性環保材料以解決此廢棄物處理之污染環境問題。
本文將從以下大綱，藉由工研院材料多尺度模擬設計平台來驅動新環保材料開發，使改質纖維素材料富有超吸水性機能，並可在堆肥環境中降解，以達到降低環境污染的目的。
‧背景與研究動機
‧材料多尺度模擬設計平台
1. 分子結構設計與性質預測
2. 微/介觀結構設計與性質預測
‧樣品製作與機能鑑定
1. 纖維素改質試驗
2. 纖維化抽絲製作
3. 結構與機能鑑定
‧結論
【內文精選】
背景與研究動機
近年來，台灣隨著經濟成長與醫療科技的進步，生育率與死亡率雙雙出現下降的趨勢，整體人口結構快速趨向高齡化，使得需要長期照顧的人數也同步增加，政府也規劃投入資金實施長期照顧十年計畫2.0，期間為2017~2026年。
在中重度的老年人照護上，即無法控制大小便的階段，成人紙尿褲以及看護墊需求量極大。而這些產品的材料絕大部分都是使用高分子吸收體或其複合物等，會造成龐大的廢棄物處理問題。本研究將尋求替代性環保材料以解決此廢棄物處理之污染環境問題。
纖維素(Cellulose)材料因為來源取得容易及產量大，且具有可降解特性，將是作為替代性材料的首選，表二為纖維素來源與含量比例。然而，纖維素的吸水率低於10%，如同常見的紙張或紙板吸水能力，無法應用於前述的衛生產品上。為了大幅提高纖維素的吸水率，我們將利用材料多尺度模擬(Multiscale Simulation)設計平台提出最佳材料設計方案。圖二為此超吸水性(Superabsorbent)可降解纖維素材料之設計與應用概念。
圖二、超吸水性可降解纖維素材料之設計與應用概念
材料多尺度模擬設計平台
一般材料呈現出來的巨觀性質往往會與它的微/介觀結構及分子結構有很密切的關係，特別是纖維素這類高分子材料，如圖三所示。因此，我們透過材料多尺度模擬設計平台對所開發的材料從分子結構至微/介觀結構進行設計，並預測對應的性質，最後推衍出此材料的吸水性設計方程式。從理論預測中篩選出最佳的幾組方案，再進行實際的材料改質、製作與試驗，以達成新材料目標機能。
2. 微/介觀結構設計與性質預測
從分子結構的設計可以預測改質纖維素的親水性與加工性等，但無法預測改質纖維素的吸水率，因為纖維素的吸水率與其微/介觀結構有很大的關聯性。圖九為纖維素高分子改質前/後結構示意圖，改質纖維素分子間的氫鍵被打斷，除了降低結晶性外，亦可騰出空間與提高表面積，有利於吸水性與加工性。
圖九、纖維素高分子改質前/後結構示意圖
綜合所有模擬結果，我們可以推衍出改質纖維素的設計方程式（吸水率預測），利用式(1)與式(2)帶入材料預測參數與結構規格後，可預測出吸水率曲線，如圖十一所示，從中導引出最佳實驗方向。
樣品製作與機能鑑定
3. 結構與機能鑑定
由靜電紡絲製作的改質纖維素纖絲結構，利用掃描電子顯微鏡(SEM)來探測其纖絲直徑，如圖十五所示。其中，圖十五(a)樣品顯示具有結點且直徑分布不均；圖十五(b)樣品顯示直徑分布較為均勻同時也較小。由先前的模擬預測得知，單位體積內的纖維絲直徑越小其整體表面積越大，吸水率也越高。圖十六為完成的改質纖維素薄墊與市售紙尿片及纖維素紙張吸水率比較，其結果...…以上為部分節錄資料，完整內容請見下方附檔。
作者：李正光、許玉瑩、林榆喬／工研院材化所
★本文節錄自「工業材料雜誌」383期，更多資料請見下方附檔。