高分子材料設計開發 提升5G產業競爭力
2020年本應成為5G通訊服務元年，但受到新冠肺炎(COVID-19)影響，5G網路基礎建設無法如期布建，時程延宕；隨著2021年疫苗問世後，可以預期5G產業將如雨後春筍。在疫情期間，視訊會議成為疫情中全球最重要的活動之一，而高速、低延遲的5G通訊也透過這種另類的需求，讓民眾更了解其重要性。為了達到5G傳輸高速低延遲的特性，相關應用材料對於低Dk、Df值和材料可靠度(如：材料吸水率、尺寸安定性等)有較高的要求。本
期專題由高頻膠、液晶高分子(LCP)、聚苯硫醚(PPS)、高頻阻燃複材等高階工程塑膠項目出發，從材料聚合製程、精密加工製程及多樣化產品應用進行介紹。
「可溶型LCP材料開發介紹」一文報導，液晶高分子(LCP)為典型芳香族高分子材料，其材料特徵為剛直棒狀之分子結構及列向性。因此，LCP具有優異的耐熱及機械特性，被廣泛應用於3C電子產品、航太、軍用及汽車等產業。近年來，隨著5G高速傳輸的時代來臨，LCP材料因具高機械強度、低熱膨脹係數、低吸濕、低介電常數及低介電損耗等優異的特性，將取代傳統材料成為5G時代的優勢產品。台灣為PCB生產主要國家，但高速軟性基板所需之關鍵LCP膜材，仍仰賴價昂之進口產品。工研院材料與化工研究所透過精密聚縮合及製膜加工技術，開發可溶型LCP材料，以建立關鍵材料自主化之優勢，提升國內PCB產業之國際競爭力。
5G行動通訊具有大頻寬、廣連結、低延遲等特點，帶動智能化串流應用迅速擴展，同步結合大數據演算，智慧物聯網之發展進程受到高度關注。除了基礎通訊建設之密集布建，智慧終端之低信號耗損性是信號效率維持之關鍵。終端應用之低介電損耗材料規格日趨嚴苛，其中軟性基板漸漸轉為MPI、LCP等低耗損系列，接著用之絕緣純膠則轉往碳氫樹脂或聚烯材料發展。「高速高頻時代來臨—低介電損耗絕緣材料發展現況」介紹工研院深耕官能化改質技術，具備連續式反應押出技術能量，以熔融化學反應精密調控聚烯鏈段分布與改質結構，開發高頻低介電損耗絕緣純膠。
「無氯PPS材料與高頻應用介紹」一文指出，聚苯硫醚(PPS)是一種具有優異的耐熱性、耐化性及尺寸安定性的結晶性高性能工程塑膠高分子，其結構由苯環與硫交替而成，可應用於汽車零件、電子零件及環保濾材等領域，近期因優異的介電性質，逐步切入5G高頻市場。目前PPS的工業製程以親核聚合反應為主，利用對二氯苯、硫化鈉及高極性的有機溶劑在高溫下進行反應。然而，由於使用含鹵的單體及鹼金屬化合物，多數的聚苯硫醚產品中氯殘留量都高達500~5,000 ppm。未來5G高頻市場，對於鹵素含量規範有嚴格的標準，聚苯硫醚的製造商提出關於低鹵/無鹵的聚苯硫醚製程，進而展現聚苯硫醚優異的電性，切入高頻材料市場。
從4G通訊到5G通訊的轉變，並不僅僅是技術的升級，更是生活方式的質變。由於5G信號波長較長、穿透力弱，金屬外殼會產生屏蔽干擾，因此5G通訊的實現必將涉及到多領域材料的替換，其中包括塑料領域的支持。5G改性塑料須具備低介電、低吸濕、高阻燃等特性，可以說改性塑料是5G技術實現必需的核心材料。PC是聚碳酸酯的簡稱，是分子鏈中含有碳酸酯基的高分子聚合物，其具有高強度及彈性係數、高衝擊強度、使用溫度範圍廣、耐候性佳、絕緣性能強等優點，可廣泛應用於5G基站和智能終端。「阻燃PC複材於高頻市場之應用與發展」闡述阻燃PC複材於天線基站的應用與發展。
友善農業綠潮流 固碳減廢高價值
農業雖是溫室氣體的來源之一，但也可透過生質產品及土壤有機物質的生產，以達固碳之功用。根據研究顯示，全球三分之一的CO2及半數以上CH4、N2O之排放與農業活動有關，其中CO2排放主要來自森林砍伐及農業廢棄物焚燒。在全球人口成長、農產品需求大幅成長的趨勢下，上述挑戰有賴友善農業之有效管理來克服，包括：農業廢棄物加值、多方向應用、調製畜牧業飼料、糞肥厭氧發酵、堆肥與生物碳方式、生物製程或化學轉化、應用厭氧發酵轉化成能源等。欲降低農業廢棄物、落實高值化應用，從生產、採收、後端製程與產品，均需要各階段利益相關團體通力合作規劃，才有機會將廢棄物的量降到最低。通常是先將高價值活性物質由特定農業廢棄物中萃取出來，再分別經過厭氧消化、發酵、化學催化等製程，生產各類生質產品與能源，最後殘渣可當肥料，不留下任何廢棄物質汙染環境。
近年來，由於石化原料的大量使用與溫室氣體的過量排放，造成全球氣候逐年暖化與極端現象頻繁發生，為達成二氧化碳淨零排放之願景，全球石化產業面臨尋求可替代性原物料與永續製程的挑戰，而從廢棄生物質衍生的生質化學品產業隸屬再生資源，如可漸進式導入石化產業鏈，提供產品多元選擇，則應可減緩消耗石化原料及實踐循環經濟宗旨。「化工技術於友善農業應用—生質化學品發展的回顧與展望」回顧國內外案例，闡述現今呋喃相關生質化學品開發之現況，並展望生物質應用於呋喃相關生質化學品之發展趨勢。
傳統滅火藥劑需仰賴化學品之調和才能達到滅火機制。但其中毒性成分問題對人體及環境之危害，近年國內外陸續有許多新聞案件爆發，影響範圍最廣的當屬泡沫滅火劑內常見成分全氟辛烷磺酸(PFOS)。全球諸如歐盟、美國、中國、日本等已對PFOS相關製品進行管制，由於滅火劑用量大，因此影響範圍最為深遠，未來首要任務即是移除有害成分並尋求替代成分。「PFOS-free植物萃取滅火劑新技術」報導，相較於化學成分，以天然植物為基底的植物滅火藥劑，無論是對於人體的安全性，以及環境的可分解無汙染特性，甚至到期後可以做環保工業清潔劑或肥料使用，是消防產品搭上永續環保的最佳典範。
依據行政院農委會及農糧署統計，台灣瓜果類及鳳梨、草莓等果品類之栽培面積約占73,280公頃，每公頃所需之PE覆蓋膜約為178公斤，每年PE膜用量預估超過13,000公噸，如考量利用塑膠布畦面覆蓋之蔬果、花卉需求日益增多，需求之塑膠布實質數量將更為可觀。「循環經濟新指標—植物纖維結合可分解農資材之開發與應用」將分上下兩期，介紹利用可分解材料如聚乳酸(PLA)、聚琥珀酸丁二酯(PBS)、己二酸-對苯二甲酸-丁二酯(PBAT)結合植物纖維、纖維素、多酚的選擇與添加，進行農地膜及蔬果套袋的功能改質開發，除改善其結晶性能及材料加工性、機械物性外，添加了阻氣、抑菌的附加功能，使可分解材料在農業資材的應用上更具環保價值。
隨著全世界人口不斷增長，人類對於糧食的需求也越來越高，但是延伸出的種種問題也伴隨而來。「蔬果保鮮技術開發與應用」一文報導，全球農產品生產端耗損量大，原因是世界上大部分國家基礎農產品因為屬於低價品，因此不願意投入建置完整的冷鏈運輸系統，而讓蔬果在採後運輸過程中長時間暴露在高溫環境下而加速腐敗。因此，目前世界各國皆致力於開發具延長蔬果保鮮相關技術，期望能夠在冷鏈過程中透過引入氣調包裝、乙烯吸收劑、抑菌劑等做法，減緩因斷鏈所帶來的問題。
主題專欄與其他
先進材料是各種創新產品和製程的核心源頭技術，材料4.0策略是目前各國全力開發的目標。國內材料開發以往通常皆仰賴經驗法則以及試誤法，無法有效地利用既有的實驗數據來提升研發品質，造致新材料或產品的開發時間冗長，國際競爭力不佳，「MACSiMUM人工材料智慧AI平台及應用案例」介紹工研院材化所建立之MACSiMUM平台，這是針對材料研發過程建立的材料特性運算及數據化平台，藉由整合常用AI演算法、簡易圖形化操作介面，免除任何程式編寫情況，引領相關領域人員進行更有效率的研發工作。此平台藉由技術案例提供國內廠商專業與特性數據連結，協助產業發掘數據資料洞見，並以邏輯性判斷產出高效率的後續決策，可降低國內核心產業目前材料開發/製造導入AI之障礙，進而推動國內產業升級與材料自主化。
「高選擇率與滲透率之濾氫薄膜」發表工研院開發之「陶瓷-金屬複合濾氫薄膜」，此為濾氫薄膜領域發展30年來，性能首位達成同時具備高氫氣滲透量與高氫氣純度之製備技術。研發團隊將自製之多孔陶瓷披覆於低膜厚的鈀金屬薄膜上，使膜材兼具多孔陶瓷的「篩分隔離」與金屬薄膜的「質傳過濾」雙重機制，是一種獨特之微觀多層次分離模式，也突破傳統單一質傳過濾機構的限制。未來這項技術不僅可用於傳統石化燃料重組產氫純化，此外還能協助半導體與電子等產業，以更經濟的方式處理含有氫氣的製程尾氣，將其純化後循環利用，開啟環保之綠色製程，落實低碳家園之願景。
「植物纖維及其複合材料」一文報導，面對環境汙染問題日益嚴重，向自然取材利用的趨勢也日漸成熟，植物纖維環境友善、輕量化、低耗能與可再生等特性備受關注，在可預見的未來定會有高度發展。然而植物纖維為非均質材料，其組成構造複雜，表面含親水性羥基，與基質之親和性需要特別處理，以提升複材性質。植物纖維用於複材，卻多半侷限在短纖維、非連續纖維，原本優異性能尚未充分發揮，只單純作為填料，若能導入編織工藝技術是為良好解方。植物纖維編織的預成形體可提供複材更多的性能選擇，但目前使用相對較少，值得後續更多研發。若能重新思考傳統纖維利用法，並導入現代複材技術觀念將其改良，提高使用優點並改善固有缺點，將可賦予植物纖維全新價值及應用。
海洋中超量的塑膠微粒是當前最嚴重的環境議題之一，利用微藻移除水體中塑膠微粒是相對低耗能及低碳排的技術。近年研究發現，藻種以及塑膠微粒成分是影響微粒移除效率的關鍵因素，「利用微藻移除水體中塑膠微粒」一文亦發現，透過清大與工研院的合作研究證實，塑膠粒子的親疏水性與表面ζ電位是影響微藻與塑膠微粒形成異相團聚的主因，且塑膠微粒可刺激微藻釋出胞外聚合物，使塑膠微粒黏附固體表面而更容易移除。但塑膠微粒與微藻之間互動的詳細機制仍不明朗，未來仍須進一步的研究，才能大規模應用微藻來有效地去除水體中的塑膠微粒。
抗生素抗藥性細菌的出現，使細菌感染被認為是現今對人類最大的威脅之一。近來，具有優異結構和光學特性的奈米材料，被廣泛地應用於抗菌上。許多研究證明，不同尺寸、形狀和組成的奈米材料，因有好的生物相容性、容易表面修飾和大的表面積，成為有潛力的抗菌劑。在「奈米材料於抗菌之應用」一文中，依照奈米材料之抗菌機制不同來分類說明，包含物理性接觸破壞殺菌、氧化壓力抗菌、光誘導抗菌效應和金屬離子抗菌；並詳細舉例說明這四種不同抗菌機制的奈米材料；最後結論探討對於抗菌奈米材料未來在基礎研究和臨床應用上的發展、相關的挑戰以及建議。
材料補給站「廢棄稻殼循環化身空氣清淨新利器」報導經濟部技術處運用科技力推動循環經濟，與工研院、臺禹科機、聯一光電、成功大學及佑民醫院共同發表運用廢棄稻殼萃取而成的「富氧炭材」技術，不但具抗菌、除臭氧的雙重殺菌空氣清淨效果，並讓農業物質零廢棄、資源得以再循環利用。本項技術同時攜手在地廠商落實運用在南投佑民醫院，協助中小企業轉型升級切入醫材市場，為民眾及醫療人員打造健康安全的環境。
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