方聖予、侯旻伶、蕭達慶 / 工研院材化所
國內每年約有超過250萬噸之高矽質廢棄物，包含電廠煤灰、廢玻璃粉及廢半導體封裝材料等，雖有部分能夠作為環境工程應用，但大部分之高矽質廢棄物仍不具應用價值，若未能有效處理將造成環境負擔。然而，無論是高階半導體封裝產業或是民生基礎工業，皆需使用高矽質材料，若能針對此類高矽質廢棄物進行有效處理，改善材料特性，將可創造高階應用新價值。有鑒於此，工研院材化所建立了高矽質廢棄物圓球化特用設備及製程技術，可有效改善高矽質廢棄物之圓球度。經由實際導入耐火材料應用，相較於原材料，其抗彎強度由14.2 MPa提升至34.4 MPa，耐火度可達SK29(1650˚C)以上，有效提高整體材料性能。
【內文精選】
前言
高矽質廢棄物(High Silica-content Wastes)係泛指在廢棄物中，二氧化矽含量超過50%以上之資源。國內具有許多高矽質廢棄物資源，如電廠煤灰每年約有240萬噸，早期多為堆積掩埋或工程應用，不過近年在超超臨界新機組之推動下，煤灰相較於傳統機組，具有粒徑尺寸小(10~15 μm)、圓球度高(≧80%以上)等特性，適合作為替代矽源。目前已有業者標售電廠之煤灰，將其作為橡塑膠填充劑使用，降低生產成本。但傳統機組之煤灰或其他高矽質廢棄物方面之規格，仍不足以直接進行高階工業化應用。
高矽質圓球型粉體材料
在橡塑膠及化學工業方面，常使用圓球型二氧化矽粉體，與環氧樹脂及其他添加劑(硬化劑)混合後作為填充材料。因為二氧化矽和環氧樹脂具有良好之鍵結能力，硬化程度高，而圓球型粉體具有優異之流動性，在填充時可提升流動效果，避免填充不均或阻塞。在半導體封裝之EMC、MUF及LMC等應用中，也皆以球型粉體為主。在粉體特性中，圓球度將大幅影響材料在填充過程中之流動性及填充率，為未來高階半導體封裝或工業用填充材料之重要指標。
然而，高矽質廢棄物因來源製程不同或使用後造成之損耗，其圓球度經分析後皆小於80%，明顯低於商用球型二氧化矽之88%(如表一所示)，在與配方混合成膠材後易使得黏度增加，造成填充率下降。故若能提高粉體圓球度，則可拓展高矽質廢棄物之應用機會。高矽質圓球型粉體技術國際上製備高圓球度二氧化矽粉體，主要使用化學合成法或是物理高溫熔融法。在化學合成法方面，常使用溶膠凝膠法(Sol-Gel)或共沉澱法(Co-precipitation)，透過配方及製程參數控制，直接製備高圓球度之二氧化矽粉體。
表一、高矽質廢棄物與商用二氧化矽材料之特性分析
高矽質廢棄物圓球化技術
高矽質廢棄物以煤灰為例，其主成分是二氧化矽，其他成分為複雜氧化物系統，熔點約在1100~1200˚C，熔化潛熱(Latent Heat; ΔHm)為250 kJ/kg，經由熱力學計算、粉體流量與火焰反應熱區等製程熱力參數調控，控制粉體在火焰加熱期間可達到半熔融狀態，以獲得最佳圓球化效果。
圖一、(a)高矽質廢棄物(電廠煤灰)原料；(b)高矽質廢棄物圓球化；(c)高矽質廢棄物圓球化＋配方A；(d)高矽質廢棄物圓球化＋配方B製程後之SEM影像
表二為高矽質廢棄物原料與圓球化後之特性分析，分析結果顯示，高矽質廢棄物(電廠煤灰)原料之D50粒徑為28.8 μm，圓球度為72.4%，經常規圓球化後，圓球度可提升至84.5%，不過粒徑尺寸卻相對低，此乃因高矽質廢棄物(電廠煤灰)原料之外型較不規則，使分析採樣之包絡線範圍增加，單一粒子之長短軸比例(Aspect Ratio)偏差大，故造成粒徑尺寸增加。
在工研院研發團隊努力下，透過圓球化配方設計再強化圓球化反應並抑制Fusion現象，可有效控制粒徑範圍在19.7 μm並提升反應均質性，使其具有窄粒徑分布之特性，並可藉由不同配方調控以獲得不同粒徑尺寸之粉體。如表三所示，圓球化改質後之電廠煤灰(圓球化+配方A)經由實際導入高鋁質(HMO)耐火材料，相較於原本使用之商用二氧化矽，可將抗彎強度由14.2 MPa提升至34.4 MPa，有效降低氣孔率及提高密度，且耐火度可達SK29 (1650˚C)以上，適合作為高強度耐火斷熱磚，應用於高溫築爐工程，具循環高值化效益---此為部分節錄資料，完整內容請見下方附檔或《工業材料雜誌》422期。
★本文節錄自《工業材料雜誌》422期，更多資料請見下方附檔。